Au fur et à mesure que l’efficacité du procédé des EAF augmentait, des conduites refroidies à l’eau ont été introduites, car les conduites à revêtement réfractaire étaient coûteuses à remplacer et que les revêtements réfractaires s’usaient à un rythme rapide. Les conduites de gaz résiduels refroidies à l’eau sont rapidement devenues plus économiques que leurs prédécesseurs à revêtement réfractaire. Au fil du temps, les contraintes liées au procédé EAF ont continué à augmenter et même les conduites à plaques refroidies à l’eau ne fournissaient pas un échange thermique suffisant. La génération suivante de conduites pour les gaz résiduels des EAF fut constituée de conduites (ou tubes) refroidies à l’eau, et est toujours utilisée aujourd’hui. Les conduites sous forme de tubes refroidis à l’eau sont beaucoup plus efficaces pour transférer la chaleur que les systèmes à plaque, car le débit d’eau est plus rapide et mieux réparti.
Dans les années 1990, l’arrivée des ensembles chimiques avec brûleurs est rapidement répandue. Les ensembles chimiques ont considérablement augmenté l’efficacité du EAF et réduit en conséquence les temps entre deux coulées. Le résultat, cependant, fut une réduction de la durée de vie des conduites refroidies à l’eau. La durée de vie des conduites refroidies à l’eau, en particulier les sections situées entre la coupole du EAF et la boîte de déchargement/chambre de combustion, n’est plus mesurée en années, mais en mois. L’industrie est parvenue à un point ou l’excès de chaleur était tel que même l’acier carbone n’était plus un matériau approprié pour la fabrication des composants des conduites refroidies par eau. Cela représentait un défi, car même l’augmentation des débits était insuffisante pour créer un transfert de chaleur acceptable et un refroidissement suffisant de la conduite.
Évaluations en fonctionnement
L’industrie avait atteint un niveau de technologie des procédés EAF où, pour augmenter la durée de vie des conduites refroidies à l’eau, un changement significatif dans le transfert de chaleur était nécessaire, ainsi que des matériaux améliorés pour permettre un fonctionnement à des températures du métal plus élevées. Dans ce but, les concepteurs de conduites refroidies à l’eau ont testé différents matériaux, du tube en P22 (alias tube Cr-Mo), en acier inoxydable, en passant par le bronze d’aluminium, les revêtements réfractaires déposés par pulvérisation, et d’autres types de revêtements et de refroidissement par pulvérisation.
Avec l’objectif initial d’assurer la fiabilité opérationnelle pendant plusieurs années, aucune des méthodes utilisées n’a permis d’exploiter les conduites de gaz résiduels refroidies à l’eau des fours à arc électrique de manière constante ou avec les résultats souhaités. Les exploitants ont évalué de nombreux matériaux et ont obtenu des résultats très variés, allant d’un coût élevé des matériaux à un retour sur investissement inacceptable, en passant par une durée de vie plus courte, jusqu’à l’échec pur et simple de l’installation.
Mécanismes de défaillance
La fissuration par fatigue thermique se produit, car le côté de la paroi de tubes ou de plaques exposé au gaz atteint une température plus élevée que le côté froid du tube. Cette différence de température est cyclique en raison du mode de fonctionnement du EAF, ce qui entraîne des changements par fatigues thermiques finissant par provoquer des fissures par fatigue. Deuxièmement, l’amincissement de la paroi se produit parce que le côté des tubes en eau est exposé à des gaz corrosifs à haute température et subit une oxydation. Étant donné que ces surfaces sont également exposées à un flux de particules à vitesse moyenne ou élevée, la couche d’oxydation est érodée par les particules, ce qui laisse apparaître du métal nu pour reformer une couche oxydée. Ces couches d’oxyde de fer s’érodent facilement, car elles sont tendres et n’adhèrent pas très bien à la surface du métal de base. Historiquement, dans cette industrie, la réponse à ce problème fut d’adopter un tube plus épais afin de fournir une épaisseur supplémentaire pour ce problème d’érosion et de corrosion, mais dans la plupart des cas, cela conduit simplement à des températures à la surface des tubes métalliques plus élevées, accélérant à nouveau le mécanisme d’érosion-corrosion. Enfin, dans les zones où la température du cycle de fonctionnement est suffisamment faible, on peut observer une condensation des sels à bas point de fusion ainsi que de l’eau. L’amincissement accéléré de la paroi par érosion-corrosion, pouvant conduire à une défaillance initiale due à la perte d’épaisseur de la paroi, peut se produire fréquemment dans ces zones. Dans certains cas, la combinaison de l’eau et des contaminants provenant du procédé peut créer un environnement hautement corrosif qui entraînera une corrosion par piqûres des parois pendant les périodes hors exploitation. La condensation se produit généralement lorsque l’air ambiant est plus chaud que l’eau qui circule dans la conduite. Cet effet peut également se produire lorsque la coupole est basculée hors du four pour le charger, le vider ou pour les opérations de maintenance. Pendant ce temps, le système de gaz résiduel aspire l’air chaud ambiant. Plus le système aspire de l’air ambiant, plus la propension à créer cet environnement corrosif sera grande si l’eau de refroidissement est à une température inférieure. Historiquement, la solution fut d’installer un tube plus épais afin de combattre le problème d’érosion et de corrosion, mais dans la plupart des cas, cela conduit à des températures à la surface des tubes métalliques plus élevées, accélérant à nouveau le mécanisme d’érosion-corrosion.
Une alternative réussie pour l’extension de la durée de vie des conduites et des hottes.
La technologie Unifuse™ a été brevetée par WSI, ce qui a donné lieu à un procédé de fabrication de tubes bimétalliques utilisant un procédé de soudage automatisé par fusion complète. Les paramètres de soudage du rechargement sont contrôlés par automatisation et conçus pour créer un apport de chaleur extrêmement faible pendant le soudage afin de minimiser le taux de dilution et l’épaisseur de la zone affectée thermiquement (HAZ). Les tubes obtenus sont extrêmement ductiles, ce qui permet au fabricant de réaliser les coudes nécessaires pour obtenir la forme finale du composant.
Unifuse™ 180 et Unifuse™ 360 pour les applications fours à arc électriques
En mettant l’accent sur les principaux mécanismes de défaillance, notamment l’amincissement des parois dû à l’érosion-corrosion et la fissuration par fatigue thermique causée par l’exploitation cyclique des fours à arc électrique, il est nécessaire de trouver une solution efficace pour toutes les applications. La composition métallurgique unique de l’alliage 625, associée au procédé breveté et éprouvé WSI de rechargement par soudage, constitue une solution efficace aux modes de défaillance classiques des conduites refroidies à l’eau des EAF et des hottes refroidies à l’eau des convertisseurs à oxygène. Par conséquent, le rechargement métallique par soudage Unifuse™ en alliage 625 est en train de changer le paradigme de la façon dont l’industrie considère les conduites refroidies à l’eau des fours à arc électriques et les hottes refroidies à l’eau des convertisseurs à oxygène, dont la durée de vie se mesure en décennies et pas seulement en quelques années ou même en quelques mois. Ces durées de vie opérationnelles exceptionnellement longues en termes de frais de maintenance font des conduites refroidies à l’eau des EAF et des hottes refroidies à l’eau des convertisseurs à oxygène fabriqués à partir du procédé breveté de rechargement par soudage de l’alliage 625 Unifuse d’WSI la solution la plus économique sur la base des seuls coûts de remplacement de l’équipement. Si l’on tient compte de l’élimination des temps d’arrêt non programmés dus à des défaillances ou à des réparations prématurées, ainsi que du temps d’arrêt programmé retrouvé pour remplacer les versions en acier carbone ou en bronze d’aluminium des conduites refroidies à l’eau, le coût de possession (CTP) est encore réduit. Ceci rend le CTP du procédé de rechargement par soudage de l’alliage 625 Unifuse d’WSI le plus bas pour une conduite refroidie à l’eau d’un four à arc électrique ou d’une hotte refroidie à l’eau d’un convertisseur à oxygène.
WSI – Leader mondial des solutions d’extension de la durée de vie des équipements sous pression.
Que le four doive être réparé en urgence ou lors d’un arrêt planifié, WSI dispose d’un leadership innovant sans équivalent, garanti par des résultats prouvés dans le domaine des fours et des chaudières depuis plus de 40 ans. WSI dispose du plus grand portefeuille au monde de projets d’extension de la durée de vie de et de procédures aptes à répondre aux défis spécifiques des installations industrielles. Pour en savoir plus sur nos solutions d’extension de la durée de vie des équipements et sur nos techniques de pointe, rendez-vous sur le site WSI.
[1] American Society of Mechanical Engineers, Boiler & Pressure Vessel Code, Section I, “Rules For Construction of Power Boilers”, ASME, New York, 2017.
[2] AZZ Industrial Technical Report, “Unifuse™ Weld Overlay: A Proven BOF Hood Reliability/Maintenance Improvement Program”, AZZ, Suwanee GA. 2000.
[3] G. Lai, Unpublished information, Welding Services Inc (Now AZZ)
[4] G. Lai, Technical Report, “Superalloys & Innovative Surface Protection Technologies for Life Extension of BOF Hoods”
