FR3139019A1

FR3139019A1 - Procédé de soudage pour des dispositifs des cheminées d’aciérie dont les parois sont constituées de tubes de refroidissement

Info

Publication number: FR3139019A1
Application number: FR2208553A
Authority: FR
Inventors: Frédéric Thibert
Original assignee: Axone Ind; Axone Industries
Current assignee: Axone Ind; Axone Industries
Priority date: 2022-08-26
Filing date: 2022-08-26
Publication date: 2024-03-01

Abstract

Procédé de soudage « MIG » adapté à des dispositifs des cheminées d’aciérie dont les parois sont constituées de tubes de refroidissement, caractérisé par :- un accostage longitudinal (d) des tubes destinés à constituer la paroi de la cheminée par pointage à l’électrode aux fins de maintenir les tubes en position,- une soudure en chaque bout des tubes (e) par procédé MIG selon la norme 138, avec du fil fourré 12/10ème de mm, chaque soudure devant constituer une étanchéité à l’eau, - une préparation des bouts de tubes (a), par un chanfrein (b) de forme identique à celui du chanfrein du coude (c) destiné à y être soudé,- un positionnement du coude (c) en aplomb au bout de chaque tube, de telle façon à faire la liaison entre les tubes et constituer le circuit de refroidissement,- une soudure du coude aux tubes selon un procédé de soudure en fil fourré selon la norme de soudure 138 (NF EN 24063) en fil fourré 12/10ème et une position de soudure de type PA (en référence à la norme EN278-1),- une dernière opération de soudure en quatre passes du coude aux tubes par soudage à l’électrode rutile,- enfin et une fois le coude soudé aux tubes, une soudure Mig selon la norme 138 en continu à la liaison longitudinale des tubes avec du fil 12/10ème, de telle façon à assurer l’étanchéité à la fumée des tubes ainsi solidarisés. Figure pour l’abrégé [Fig. 4]

Description

Procédé de soudage pour des dispositifs des cheminées d’aciérie dont les parois sont constituées de tubes de refroidissement

La présente invention concerne un procédé de soudage adapté pour des dispositifs des cheminées d’aciérie dont les parois sont constituées de tubes de refroidissement.

Les aciéries utilisent des conduits de cheminée qui récupèrent les fumées au plus près des cuves de four et qui permettent de transporter ces fumées tout en les refroidissant pour passer d’une température de 800 à 1000°C au-dessus des fours, à 500°C avant d’entrée dans le dépoussiéreur.

Le dispositif de refroidissement des fumées consiste en un circuit d’eau qui est dans l’épaisseur de la paroi du conduit de cheminée. Cette paroi étanche est constituée de tôles ou de tubes qui sont placés les uns contre les autres et qui forment la hotte et le conduit de cheminée. Ces dispositifs de conduits refroidissants les fumées, aussi appelés « pièces refroidies » sont très sollicités sur site car ils sont à des distances très proche des cuves où se trouve l’acier en fusion (juste au-dessus de la cuve de four). D’autre part, chacune des pièces de ces cheminées subi en son sein des différences de températures (gradient de température) importantes puisque certaines faces sont froides (coté extérieur) tandis que d’autres sont chaudes (coté four). Ces circuits constitués doivent donc être refroidis pour qu’ils ne se déforment pas par effet thermique. L’eau qui chemine dans les circuits permet : de refroidir les fumées dans la hotte et la cheminée, de maintenir les tubes à une température acceptable afin qu’ils ne subissent pas de vétusté sous l’effet de la chaleur et des différences thermiques entre les différentes zones.

Particulièrement pour les dispositifs de refroidissement utilisant des tubes, ceux-ci-sont préférés aux tôles car ils permettent un cheminement contraint de l’eau en leur sein donnant une meilleure efficacité de refroidissement. Par ailleurs, les tubes évitent de devoir changer toute une tôle en cas de détérioration de la pièce froide. Les pièces froides sont constituées de tronçons de tubes divisant le pourtour de la hotte ou du circuit en 3 zones qui permettent de réguler la température. Chaque tube est relié au tube suivant par des pièces de jonctions en forme de doubles coupelles appelées coudes ou « Caps » (dans le vocabulaire professionnel) qui sont soudées aux extrémités des tubes.

L’inconvénient est que les soudures sont sensibles aux écarts et aux variations de températures si bien qu’il se produit des vétustés localisées au endroits des soudures entre les tubes et les Caps et qui provoquent des fuites d’eau. Lorsque ces fuites d’eau se déversent dans le four de métal en fusion, il y peut y avoir un dégagement d’hydrogène, provoqué par le contact entre l'eau et le métal en fusion ce qui produit une explosion pouvant engendrer de graves conséquences vis-à-vis des opérateurs. Le problème vient du fait que les soudures sont sollicitées thermiquement selon des cycles de chauffe et de refroidissement et aussi selon des gradients de températures dans la longueur du cordon de soudure. En effet, à l’intérieur coté four la température est de 800 à 1000°, à l’extérieur du circuit, la température est entre 100 et 200° et dans le tube la température est dans un intervalle de 20 à 80°.

Un autre inconvénient est que les tubes sont soudés les uns aux autres pour produire l’étanchéité aux fumées et dans ce cas la température d’un début de circuit est différente de celui de la fin de l’autre circuit avec lequel il est soudé ce qui provoque des contraintes mécaniques du fait des déformations différenciées entre les tubes.

Les technologies connues des cheminées de four en tubes sont restreintes à un temps d’usage inférieur à 450h, car au-delà de cette durée, les fiabilités de soudure ne sont plus assurées. Il en résulte des entretiens fréquents, par mesure de sécurité, qui ne sont pas souhaités.

L’état des connaissances connues actuellement peut se distinguer selon deux familles technologiques distinctes :
-La première famille technologique est relative aux circuits tubulaires de refroidissement dit pièces froides (autres dénominations : voutes de four, hottes) en tubes,
- La deuxième famille des différents types de soudures ARC/ TIG / MIG …

Concernant les circuits dit pièces froides en tubes(autres dénominations désignées par: voutes de four, hottes), ceux-ci sont contraints par un comportement à la fatigue thermique qui limite à une courte durée la fiabilité d’utilisation. Bon nombre de fabricants utilisent la technique des circuits en tubes soudés dotés de jonctions réalisées avec des « caps » reliant les tubes entre eux, cependant ces dispositifs ne permettent pas de garantir une durée de vie qui soit supérieure à 450 heures. Les fabricants ® SCCM, ®SARRALLE, ®BERTHIER PROVENCE utilisent ces principes, mais aucun ne parvient à réaliser un dispositif à même de garantir une tenue thermique selon les cycles de chauffe et refroidissements répétés.

Par ailleurs, nous pouvons citer les brevets EP2751294, WO2008064566 qui sont relatif aux traitements des « Gas » et le brevet EP2861771 au plus près de notre sujet qui traite des refroidissements des fumées pour les aciéries, mais cependant aucun d’eux ne concerne les tenues à la fatigue thermique des soudures constituant les circuits de refroidissement.

Concernant l es différents types de soudures TIG / MIG; Nous pouvons citer les brevets N° EP2646737 qui présente des soudure étanche et aussi résistantes à de basse température ou bien le brevet EP3298320 concernant des cuves étanches thermiquement mais aucun de ces brevets ne satisfait à notre objet en raison de ce que les températures des dispositifs énoncés sont très inférieures à celles des hottes de cheminées d’aciéries (des températures de 800 à 1000° dans notre cas).

Il en résulte qu’aucun procédé connu ne permet de résoudre le problème de fatigue thermique dans le cas des circuits de refroidissement des fumées de aciéries.

Relativement à l’Etat de la science, quant au fait de déterminer un procédé de soudure adapté à améliorer la résistance à la fatigue thermique des tubes de conduits de cheminé refroidie de fours d’aciérie afin d’augmenter leur durée de vie selon les cycles de chauffe et refroidissement, les éléments scientifiques qui interviennent sont :
- Les gradients de températures dans la soudure avec des sollicitations condition limites spécifiques aux fours des aciéries,
- Les compositions des soudures,
- Les procédés de dépose.

Le soudage à l'arc à l'électrode enrobée(SAEE) (source :Https://fr.wikipedia.org/wiki/Soudage à l’arc électrode enrobée) , en soudage manuel ou soudage à la baguette. Cette source indique que lorsque l'on approche l'électrode enrobée des pièces à assembler, il se crée un arc électrique qui dégage un fort effet calorifique provoquant la fusion de l'électrode.

L’enrobage :en soudure est un procédé consistant à appliquer la soudure sur la surface de l’objet. Il est le fruit d’un mélange complexe dont les composants sont choisis en fonction du métal à souder. Il forme le laitierqui remonte à la surface. Sa viscosité permet de varier les positions. Plusieurs types d’enrobage sont connus : Cellulosique ; Oxydant ; Basique ; Rutile ; Acide.
l’enrobage est de différents types :
- A ou RA (acide) : adapté aux aciers ;
- B ou RB (basique) : à utiliser en courant continu, son laitier adhère peu, donne des soudures étanches ;
- C ou RC (cellulosique) : courant continu, adapté aux positions délicates, pénétration profonde, donne des soudures étanches, l'arc décroche facilement ;
- O (oxydant) : arc stable, pénètre peu, bel aspect des soudures ; (non-utilisé de nos jours car dégage trop de fumées, source de maladies professionnelles),
- R ou RR (rutile, TiO2) : arc stable, pénètre moyennement, donne des soudures étanches ;
- S : spécial.
Relativement à la composition de l’enrobage : Le potassium et le sodium, aux potentiels d'ionisation bas, maintiennent l'arc en place. La cellulose, les matières organiques et les carbonates dégagent du CO₂. Les métaux en poudre : chrome, manganèse, nickel, silicium, titane et le graphite migrent dans le métal pour lui conférer leurs propriétés. L'hydrogène diffusible accélère la fonte de l'âme, et diminue les coûts de main-d'œuvre.

Une autre source documentaire est à citer, s’intéressant à la source thermique et au comportement du bain de fusion qui se produit sous l’effet de l’arc (Nicolas PERRY. Etude et développement des flux solides en vue d'application en soudage ATIG applique au titane et ses alliages ainsi qu'aux aciers inoxydables. Ecole Centrale de Nantes , 2000). Selon ce document, Le procédé TIG est caractérisé par la création d’un arc électrique entre une électrode réfractaire (non fusible) en tungstène et la pièce. Un apport de matière est fait à l’endroit de la soudure. L’arc et le bain fondu sont protégés par un gaz inerte (généralement de l’argon). L’auteur s’intéresse à la source thermique et au comportement du bain de fusion qui se produit sous l’effet de l’arc.
- L’arc électrique : C’est le passage du flux d’électrons de la cathode à l’anode résultant de la différence de potentiel entre les deux éléments. Les paramètres de tension et d’intensité déterminent la décharge électrique émise par la cathode. Par contre la cathode ne reçoit qu’une certaine partie de cette décharge et la répartition de cette énergie est fonction indirecte des paramètres tels que le type de gaz utilisé, de la géométrie de l’électrode et des paramètres d’intensités de l’arc, de la vitesse d’avance, de la longueur de l’arc. Dans ces conditions, le rendement de l’arc : peut être assimilé à la quantité d’énergie reçue par la pièce par rapport à celle émise par la cathode (évaluée entre50 et 70%),
- Le gaz de protection a pour fonction de neutraliser la création de plasma d’arc issu du chargement électrique au moment du passage des électrons,
- Le bain de fusion se caractérise par ses dimensions (volume fondu, pénétration et largeur) et par la continuité de matière,
- L’énergie de l’arc produit dépend du gaz et de la forme de l’électrode,
- L’énergie reçue par la pièce dépend de la nature du matériau. Différentes forces interviennent dans la constitution de la soudure telles que : la gravité, les forces hydrodynamiques, les forces liées aux tensions surfaciques dues à la pression de l’arc, le cisaillement aérodynamique, les forces internes du bain, les forces de Lorentz, les forces de flottabilité.

Les forces en présences : sont :
- la Pression de l’arc qui favorise la pénétration de la soudure. La répartition de la pression est décrite par la loi gaussienne d’EROKHIN dont la formule est « P_(r)= Kl²e^(- ^ar ⁾». La pression maximale est fonction du carré de l’intensité. « K » est fonction de la longueur d’arc. « a » est fonction de la géométrie de l’électrode,
- le Cisaillement aérodynamique : Le gaz de protection crée en en surface du bain des courants qui vont tendre à « élargir » le bain. Les études montrent que cet effet est négligeable pour des intensités inférieures à 300A.
- Les forces de flottabilité : Les gradients de température dans le bain induisent des variations de masse volumique et produisent des convections naturelles. Les vitesses d’écoulement (quelques mm/s) et peuvent être négligées.
- Les forces de Lorentz : Ces forces proviennent du champ magnétique induit par l’arc électrique. Elles sont directement dépendantes de la densité de courant, de la hauteur de l’arc et de la géométrie de l’électrode.
- La Présence d’éléments tensioactifs : Les gradients de température dans le bain ainsi que la surface du bain s’opposant à la déformation due à la poussée de l’arc, produisent une force de tension superficielle du liquide (en N/m). Il est associé une tension de surface à la température du liquide. En fonction de la composition du métal de base et des degrés d’impureté, il apparait des courants (dit de MARANGONI) dans le bain. Ces courants peuvent être soit centrifuge soit centripète ce qui donne un cordon plus ou moins évasé.

Un autre document est à citer (BM5187 V3 Pièces mécaniques soudées - Soudabilité des matériaux Cet article est issu de : Mécanique | Fonctions et composants mécaniques par Alain MICHEL): L’article est orienté sur les problèmes d’origine métallurgique qui peuvent affecter les assemblages soudés réalisés sur aciers et sur alliages d’aluminium. Dans la première section du document sont précisées quelques notions fondamentales sur la soudabilité des aciers de construction mécanique. Les caractéristiques, le comportement lors du soudage, le risque de rupture fragile et les critères de choix des différentes nuances de cette famille sont ensuite présentés, au regard des normes en vigueur. La même approche est enfin retenue pour les alliages d’aluminium, en distinguant les alliages de corroyage et ceux de moulage, durcissables ou non par traitement thermique ou mécanique. Ce document ne permet pas de connaitre de façon évidente une amélioration sur les procédés de soudure des coudes car il ne s’applique pas pour des utilisations de cheminées de refroidissement d’aciérie. Aucun élément de comparaison ne permet de faire évoluer directement notre étude.

Une autre source documentaire fait état des contraintes dans les aciéries de conversion (Réf. : M7651 V2 Aciéries de conversion - Aspects opérationnels, équipements et ingénierie Cet article est issu de : Matériaux | Élaboration et recyclage des métaux par Guy DENIER). Son résumé est le suivant : «Même si des évolutions sont encore attendues, la mise en œuvre des nouvelles technologies de mesure, d’automatisation, de gestion de l’entretien, de réparation des réfractaires, de planification, d’affinage mixte, a permis ces dernières années d’améliorer grandement les performances atteintes par les aciéries de conversion. Cet article est consacré à la description de la pratique et du contrôle de toutes les opérations en lien avec le procédé de conversion de l’acier. Y sont présentées les technologies spécifiques des équipements employés : convertisseurs à soufflage, par lance, par tuyères et avec brassage par gaz inerte. Pour terminer, les paramètres à prendre en compte lors de l’implantation et de la construction d’une aciérie à l’oxygène sont détaillés». Ce document environne notre invention et apporte des éléments de compréhension des aciéries sans toutefois permettre de définir les comportements de chauffe et refroidissement successifs des zones froides (cheminées et hottes de refroidissement des fumées).

Un autre document présente des éléments de compréhensions des dilatations mais il ne présente pas les cheminées des aciéries et il n’indique pas d’éléments sur les phénomènes de fatigue thermique (Centre national de ressources structures métalliques Nantes Publics concernés : BEP ROC-SM /Bac Pro ROC-SM Equipe pédagogique : Rémy AUBON Jean Michel LE MEUR).

Un autre encore (Julien Chapuis, Cyril Bordreuil, Fabien Soulié, Gilles Fras, Yves El Karim. Analyse expérimentale de distorsions induites en soudage. 19`eme congres Français de mécanique ) présente les déformations lors du soudage mais pas dans le cas d’utilisation avec des chauffes et refroidissement répétés.

Une source (Aurelie Niel. Etude et modélisation du phénomène de fissuration à chaud en soudage à l’arc ´ : Application à l’alliage d’aluminium 6061. Génie des procédés. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc, 2011) présente les problèmes de microfissures dans le cas d’application de soudage des alliages d’aluminium mais les situations dans notre cas (cheminées d’aciérie) ne peuvent pas être déterminés en ce que les aciers soumis à la chauffe et au refroidissement successif ne sont pas traités par cette étude.

Toujours dans le domaine de la connaissance scientifique, citons Makhlouf Hamid : « Modélisation numérique du soudage `à l’arc des aciers. Mécanique [physics.med-ph]. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2008. Français ». Résumé : «Le soudage est un moyen d'assemblage très utilisé dans l'industrie. Disposer d'un logiciel de simulation permettrait d'évaluer les contraintes résiduelles et d'obtenir des informations sur la microstructure du joint de soudure, nécessaires à l'analyse de sa tenue mécanique ; mais aussi d'évaluer la faisabilité du procédé pour la réalisation de pièces complexes et d'optimiser les séquences de soudage pour minimiser les défauts. Cette thèse porte sur le développement d'un outil de simulation numérique du soudage à l'arc des aciers. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous précisons les différents modèles implémentés dans le code de calcul Trans Weld (le logiciel développé au CEMEF dans le cadre de ce travail). La description des équations macroscopiques employées est suivie de leur mise en œuvre numérique. Nous abordons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrivons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ensuite, nous présentons les méthodes développées pour la modélisation de l'apport de métal et de la formation du cordon de soudage. Des simulations numériques conformes aux essais sont réalisées. L'analyse comparative entre résultats expérimentaux et numériques permet de juger de l'aptitude du code de calcul à prédire l'état thermomécanique et métallurgique de la structure soudée. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence sont discutés et permettent de définir quelques orientations intéressantes pour les développements futur de cette modélisation». Ce document donne une approche de simulation numérique du soudage mais ne permet pas de définir l’évolutions des soudures des CAPS de notre étude puisque les variations des sollicitations thermiques après soudure n’y sont pas traitées.

Une autre source scientifique : « Les techniques de l’ingénieur : BE9516 V1 Échangeurs de chaleur - Description Cet article est issu de : Énergies | Thermique industrielle par Zoé MINVIELLE, Nadia CANEY, Patrice CLÉMENT, Philippe BANDELIER, Philippe MARTY », relate les principales technologies industrielles aboutissant à la réalisation d'un échangeur de chaleur. Les divers critères de classement des échangeurs sont technologiques, par procédé et mode de transfert de chaleur, par fonction ou par matériau constituant les parois. Un tableau donne les principaux types d'échangeurs en fonction de ces critères. Les types d'échangeurs les plus utilisés (à tubes, à plaques, etc.) sont détaillés en précisant les applications pour lesquelles ils sont les mieux adaptés. Ce document décrit les différents principes des échangeurs thermiques, cependant les évolutions des soudures dans le cas des échangeurs des aciéries n’y sont pas traitées.

Une dernière source documentaire est à désigner :« Réf. : BM7732 V2 Soudage à l'arc semi-automatique (MIG/MAG) Cet article est issu de : Mécanique | Travail des matériaux - Assemblage par Alexandre BENOIT. Cet article présente le soudage à l’arc grâce au procédé semi-automatique. Il décrit le matériel utilisé ainsi que les produits d'apport (fil d'apport et gaz de protection). Il détaille les modes de fonctionnement, leurs utilisations et les principaux défauts pouvant apparaître dans les soudures. Il fait part également des derniers développements du procédé qui améliorent son utilisation et ses capacités. Enfin, il rappelle des éléments d’hygiène et sécurité pour le soudage à l’arc. En fin d’article, on trouvera des exemples de préparation de bord avec les paramètres opératoires associés. Le procédé semi-automatique est une technique de soudage à l’arc électrique, appelé soudage MIG/MAG (« Metal Inert Gas »/ « Metal Active Gas ») ou GMAW (« Gas Metal Arc Welding ») dans les pays anglo-saxons, son principe repose sur l’utilisation d’une électrode fusible. Ce document présente les principes des soudure MIG/MAG mais sans indiquer de solutions pour notre objet.

En Synthèse de l’état des connaissances :
Relativement à l’état de la technique, il n’existe pas de dispositif ou de procédé qui soit à même de répondre à l’objet de notre étude. Les dispositifs et principes connus des hottes et des cheminées pour le refroidissement des fumées des fours des aciéries ne permettent pas d’avoir une durée d’utilisation augmentée en raison de l’incertitude de résistance de ces dispositifs. En effet, ces derniers sont contraints en ce qu’ils ne prennent pas en compte les effets thermiques différentiels entre l’intérieur et l’extérieur de la cheminée et aussi au sein même de la soudure de la tubulure. De ce fait les soudures subissent des variations thermiques importantes qui génèrent de contraintes mécaniques accentuées par les alternances des températures chaudes et froides ; Ces contraintes mécaniques générant un phénomène de fatigue (cette dernière se définissant par des contraintes alternées sur un très grand nombre de cycles).
Les procédés connus de soudures ne sont pas caractérisés pour leur aptitude à subir les échanges thermiques avec des écarts importants au sein même de la soudure et dans la configuration des tubes qui constituent les cheminées de grande longueur. Ces procédés ne sont pas connus pour des alternances de températures dans le cas des fours des aciéries.

Relativement à l’état de la science, il n’est pas possible de déterminer directement un procédé et un dispositif tel que souhaité à l’objet. En effet les connaissances scientifiques sont contraintes en ce que :
- L’état des connaissances ne permet pas de connaitre, à l’objet de notre étude quelles sont les gradients de températures dans les soudures et quels sont les sollicitations mécaniques associées qui dépendent des conditions limites aux parois mais aussi des constituants des matériaux des tubes et des soudures. Par ailleurs les conditions d’utilisations relativement aux débits et au températures de l’eau selon la longueur de circuit est à prendre en comptes,
- L’état des connaissances n’indique pas, à l’objet de notre étude, quelles peuvent être les compositions des soudures ou encore les mixages de différentes compositions de soudures qui permettraient de pallier aux ruptures localisées des soudures.

Bien que les procédés de soudure soient connus, un premier verrou technologique existe en ce qu’il n’est pas permis de caractériser le comportement de la soudure soumise à un gradient de température du fait de sa forme spécifique et qui subit de la fatigue thermique du fait de sa position contrainte parmi l’ensemble des tubes constituants la cheminée. Le comportement mécanique de la soudure dépend également des sollicitations thermiques répétés selon divers cycles de chauffe et de refroidissement. Dans le domaine de l’invention, des premières investigations ont montré que l’endroit où se produit la fissure se situe particulièrement au niveau de la soudure entre un tube et un CAP. Cela se produit bien que les résistances des soudures à ces endroits disposent de cordons de soudure normalement dimensionnés pour résister à des contraintes thermiques et aussi à des contraintes mécaniques. Plusieurs phénomènes physiques se produisent à ces endroits des soudures :
- Le premier est relatif aux différences de températures que subit la soudure en son sein. La partie en contact avec le tube dans lequel circule l’eau de refroidissement reçoit une température allant de 20 à 80° C. La partie de la soudure qui est placée au-dessus du four reçoit une température de 800 à 1000°C. Enfin, la partie de la soudure qui se trouve tournée vers l’extérieur de la cheminée reçoit une température de 100 à 150°C. Or il se trouve que les distances entre ces différents points sont très faibles. Ainsi le gradient de température sur l’épaisseur de la soudure est à considérer et aussi, son évolution sur le périmètre du tube et du Caps est à prendre en compte.
- Le second est relatif aux efforts mécaniques dans les soudures qui sont issus des déformations de l’ensemble de la structure et qui génèrent des contraintes localisées produisant des amorces de rupture. Les tubes subissent de manière inégale les effets des températures des fours ce qui produit des dilatations qui ne sont pas homogène dans l’ensemble de la structure si bien que les soudures sont sollicitées de manière aléatoires sur le périmètre de la cheminée.
- Un troisième relatif à la fatigue thermique. La fatigue thermique apparait lorsqu’il y a alternance de dilatations ou de rétractations des matériaux sous l’effet de la chaleur sans que ledit matériaux ne puisse bouger librement. La sollicitation de fatigue thermique sera d’autant plus grande que les gradients thermiques sont importants (ce qui limite la conduction de chaleur de la zone froide pour la dissipation) et que les déformations sont importantes. Bien que le phénomène de fatigue puisse être formulé, il n’est pas déterminé selon notre sujet d’étude du fait des multiples cas possible et aussi des géométries de soudure complexes dans l’espace.
La tenue à la fatigue thermique est déterminée par la conductivité thermique λ du matériaux (ici de la soudure). Plus la conductivité thermique λ du matériau sera élevée et plus le coefficient de de dilatation sera faible, meilleur sera la tenue à la fatigue thermique.

Un deuxième verrou technologique existait relatif à la non connaissance des constituants du cordon de soudure qui soit à même de satisfaire aux gradients thermiques et aux contraintes mécaniques de déformations des tubes juxtaposés. L’états des connaissances est contraint par le fait que les procédés connus ne permettent pas d’obtenir à la fois une rigidité mécanique suffisante du cordon, et également une ductilité au sein du cordon pour empêcher l’apparition de microfissures. En effet, avec les procédés et les constituants de « métal d’apport » connus, il se produit dans notre cas, des contraintes localisées qui génèrent des microfissures au cœur des cordons de soudure qui au cours du temps se développent en fissures importantes amenant à la rupture du cordon. Dans les applications courantes de soudures des tuyauteries c’est le procédé TIG qui est utilisé, et dans ce cas nous observons que le métal d’apport ne convient pas à la résistance mécanique requise vis-à-vis des contraintes de fatigues thermiques. Le cordon de soudure est constitué d’un ensemble de « passes de soudures » correspondants à plusieurs cordons de soudure empilés les uns sur les autres, qui dépendent des épaisseurs des tubes à souder mais l’état de la science ne donne pas d’indication sur d’éventuelles combinaisons de cordons entre eux qui permettraient de définir si la ductilité et la résistance globale peuvent être obtenues simultanément.

Un troisième verrou technologique existait relatif à ce que l’état des connaissances ne donne pas de procédé spécifique pour la mise en œuvre des cordons de soudure afin de satisfaire aux exigences de résistance liant la dureté nécessaire et la résilience au cours de la déformation des métaux qui engendre une contrainte. Aucun mode opératoire connu ne permet de définir la tenue aux sollicitations mécaniques et thermiques des caps et des tubes pour leur usage de refroidisseur de cheminé d’aciérie. Il n’est pas défini comment se produit la rupture, soit que les premières fissures sont entre les différents cordons, soit que la rupture débute à l’endroit de la liaison avec la matière. L’état des connaissances ne permet pas de connaitre quels sont les positions de dépose des cordons qui soient à même d’offrir une résistance et une résilience suffisante dans le temps afin de ne pas se dégrader sous l’effet des sollicitations thermiques et mécaniques liés à l’environnement des soudures. La difficulté vient de ce que les procédés doivent être compatible avec les procédés de soudures et les formats et encombrements des pièces.

En conséquence, tant dans les domaines technologiques ou scientifique, l’état des connaissances actuelles ne permet pas de répondre à notre objet du fait de ces verrous technologiques.

La présente invention concerne un procédé de soudage « MIG » adapté pour des dispositifs des cheminées d’aciérie dont les parois sont constituées de tubes de refroidissement, qui permettent de transporter ces fumées tout en les refroidissant pour passer d’une température de 800-1000°C au-dessus des fours, à 500°C avant d’entrée dans le dépoussiéreur. Il a pour objet de limiter les vétustés de soudure sur ces cheminées en raisons :
-de la différence de température subie par la cheminée à l’endroit de la soudure du fit de la haute température dégagée par la fumée de la cheminée (800 à 1000°C),
- des efforts mécaniques (dilatation) subis du fait des différences de température entre la sortie de cheminée et le réseau hydraulique contenu dans les tubes de refroidissement,
- de l’effet répété des phénomènes de dilatation/rétraction, qui causent une fatigue thermique.

Le procédé de soudage MIG se caractérise par :
- un accostage longitudinal (d) des tubes destinés à constituer la paroi de la cheminée par pointage à l’électrode aux fins de maintenir les tubes en position,
- une soudure en chaque bout des tubes (e) par procédé MIG selon la norme 138, avec du fil fourré 12/10ème de mm, chaque soudure devant constituer une étanchéité à l’eau,
- une préparation des bouts de tubes (a), par un chanfrein (b) de forme identique à celui du chanfrein du coude (c) destiné à y être soudé,
- un positionnement du coude (c) en aplomb au bout de chaque tube, de telle façon à faire la liaison entre les tubes et constituer le circuit de refroidissement,
- une soudure du coude aux tubes selon un procédé de soudure en fil fourré selon la norme de soudure 138 (NF EN 24063) en fil fourré 12/10^èmeet une position de soudure de type PA (en référence à la norme EN278-1),
- une dernière opération de soudure en quatre passes du coude aux tubes par soudage à l’électrode rutile,
- enfin et une fois le coude soudé aux tubes, une soudure Mig selon la norme 138 en continu à la liaison longitudinale des tubes avec du fil 12/10^ème, de telle façon à assurer l’étanchéité à la fumée des tubes ainsi solidarisés.

Selon ce procédé, les soudures permettent d’éviter les différentes ruptures mécaniques résultant des phénomènes de :
- différence de température subie par la cheminée à l’endroit de la soudure,
- efforts mécaniques (dilatation) subis du fait des différences de température entre la sortie de cheminée et le réseau hydraulique,
- fatigue thermique.

Les figures présentent les différentes étapes marquantes du procédé. Notons :

La première figure présentant deux bouts de tubes accostés après qu’ils aient reçu une action de chanfrein,
La seconde figure après que les tubes aient été soudés dans leur bout, dans la figure la soudure présente n’a pas encore été rectifiée, de telle façon que le chanfrein n’est plus parfait,
La troisième figure présente les tubes reliés qui reçoivent le coude avant soudure en quatre passes,
La quatrième figure présente la soudure en continu des tubes en présence du coude dans la partie longitudinale des tubes

Glossaire :
-a) tubes
- b) chanfrein
- c) coude
- d) accostage longitudinal
- e) bout des tubes
- f) opération de façonnage après soudure des bouts de tube

Claims

Procédé de soudage « MIG » adapté à des dispositifs des cheminées d’aciérie dont les parois sont constituées de tubes de refroidissement, qui permettent de transporter ces fumées tout en les refroidissant et aux fins de limiter les vétustés de soudure sur ces cheminées en raisons :
-de la différence de température subie par la cheminée à l’endroit de la soudure du fit de la haute température dégagée par la fumée de la cheminée : 800 à 1000°C,
- des efforts mécaniques de dilatation subis du fait des différences de température entre la sortie de cheminée et le réseau hydraulique contenu dans les tubes de refroidissement,
- de l’effet répété des phénomènes de dilatation/rétraction, qui causent une fatigue thermique,
caractérisé par :
- un accostage longitudinal (d) des tubes destinés à constituer la paroi de la cheminée par pointage à l’électrode aux fins de maintenir les tubes en position,
- une soudure en chaque bout des tubes (e) par procédé MIG selon la norme 138, avec du fil fourré 12/10ème de mm, chaque soudure devant constituer une étanchéité à l’eau,
- une préparation des bouts de tubes (a), par un chanfrein (b) de forme identique à celui du chanfrein du coude (c) destiné à y être soudé,
- un positionnement du coude (c) en aplomb au bout de chaque tube, de telle façon à faire la liaison entre les tubes et constituer le circuit de refroidissement,
- une soudure du coude aux tubes selon un procédé de soudure en fil fourré selon la norme de soudure 138 (NF EN 24063) en fil fourré 12/10^èmeet une position de soudure de type PA (en référence à la norme EN278-1),
- une dernière opération de soudure en quatre passes du coude aux tubes par soudage à l’électrode rutile,
- enfin et une fois le coude soudé aux tubes, une soudure Mig selon la norme 138 en continu à la liaison longitudinale des tubes avec du fil 12/10^ème, de telle façon à assurer l’étanchéité à la fumée des tubes ainsi solidarisés.