Pompes pour installations de décalaminage en sidérurgie : 250 bar contre la calamine

Une grande partie de l'acier est directement transformé dans les ateliers de laminage en produits semi-finis tels que profilés, feuillards, tôles, coils ou tubes. A la sortie des fours, les brames sont à 1100°c juste avant leur passage dans la première cage de laminage. Lors du laminage à chaud, l'acier est encore à une température supérieure à 600 °C en fin de parcours et sa surface réagit à l'oxygène contenu dans l'air ambiant. Il s'ensuit la formation de calamine de recuit (oxyde ferrique Fe2O3), que l'on doit éliminer rapidement avant l'étape suivante du laminage ou formage. Pendant cette opération de « décalaminage », la couche d'oxyde est éliminée par de l'eau à haute pression afin que le produit à laminer soit sans inclusion de crasse lors du passage entre les rouleaux du laminoir ou des gabarits de formage. Pompe en panne = arrêt de production L?installation de décalaminage est un élément sensible de l'ensemble du processus. Des dysfonctionnements, voire des pannes, entraîneraient inévitablement un défaut de qualité du produit fini et bien souvent l'arrêt de l'ensemble de la production avec l'impact financier que l'on peut imaginer. La projection d'eau sur les brames ne se fait qu'au moment de leur passage et s'interrompt ensuite, pour reprendre sur la prochaine pièce. Ce processus intermittent sollicite très fortement les matériels et en particulier les pompes. C?est pourquoi, afin d'obtenir rapidement le débit d'eau nécessaire et d'éviter des arrêts de production, on installe dans ce cas plusieurs pompes à haute pression en parallèle, jusqu'à trois à cinq machines par rampe de pulvérisation. Le choix et le bon dimensionnement de ces groupes sont extrêmement importants si l'on veut garantir un fonctionnement continu parfait et une qualité de nettoyage conforme au cahier des charges qualitatif du produit fini. Wolfgang Igelhorst, ingénieur chez l'aciériste allemand SMS Demag AG, témoigne de l'importance des caractéristiques d'une telle installation : « En décalaminage, nous travaillons à des pressions à partir de 250 bar environ avec des pompes dont les puissances absorbées se situent entre 1100 et 4000 kW, et cela pour des diamètres de conduites d'eau jusqu'aux buses qui sont en règle générale de 250 mm ». Jusqu'à 480 bar ! La pression nécessaire au niveau des buses peut aller jusqu'à 480 bar. Or, la pression maximale techniquement raisonnable que peut délivrer une pompe centrifuge multicellulaire dans ces process est de 280 bar environ. Pour les plus hautes pressions, on a donc recours à des pompes à piston. Les pompes centrifuges ont généralement pour avantage d'offrir une sécurité de fonctionnement optimale en instantané et sur une plus grande durée de vie tout en fournissant des débits variables dans une meilleure souplesse, ce qui permet de minimiser les coûts de maintenance et de consommation d'énergie. Bien dimensionner les pompes pour un fonctionnement sûr Décalaminer consiste à projeter ? pendant une durée de 60 à 360 secondes environ ? de grandes quantités d'eau à haute pression sur les brames, les blocs et les barres avant leur formage ou laminage. Le dimensionnement des pompes et de l'installation environnante doit donc faire l'objet d'une grande attention lors de l'étude. Il faut tout d'abord déterminer la puissance nécessaire des pompes et leur nombre. En outre, pour un fonctionnement en parallèle, la courbe débit-hauteur de la pompe doit être « pentue », afin de ne pas présenter d'instabilité entre le débit nominal, Qnom, et le débit minimal, Qmin. Dans le cas contraire, si les pompes oscillaient entre Qnom et Qmin, l'une ou l'autre pourrait « prendre la main » ce qui déséquilibrerait le fonctionnement de l'installation. En général, ces pompes en parallèle refoulent dans un réseau unique ce qui permet un bon équilibre entre les différentes en service. Parmi les causes de dysfonctionnement les plus fréquentes notons les pompes surdimensionnées, les fréquentes variations de cycles de charge ainsi que le fonctionnement prolongé au débit minimal. « Afin d'adapter la puissance de pompage en cas de besoin réduit momentanément, il est recommandé, dans ce cas, de mettre provisoirement une pompe hors circuit plutôt que de faire fonctionner toutes les pompes en deçà du point de fonctionnement », explique Berthold Matz, Responsable produit Pompes haute pression chez KSB, qui précise qu'un fonctionnement en charge partielle aurait pour conséquence de réduire le rendement. Autres solutions pour faire face à des débits très variables : - l'utilisation de pompes équipées de variateurs de fréquence « très réactifs » - Ensembles multiplicateur /visco-coupleur permettant une variation de vitesse ou un « débrayage momentané ». L?importance de l'équilibrage de la poussée axiale Il ne faut par ailleurs pas sous-estimer les répercussions possibles des forces générées en fonctionnement, même optimisé. Les statistiques de pannes sont là pour le montrer. On peut citer par exemple une sécurité de fonctionnement insuffisante du système d'équilibrage de la poussée axiale. Celui-ci demande des connaissances très précises de la conception de la pompe car la poussée axiale agit sur la butée axiale de l'arbre. Les forces axiales résultent en grande partie des forces suivantes : - forces hydrauliques agissant sur les parois latérales des roues de pompes, - forces dynamiques générées par la déviation du fluide dans la roue, - forces générées par la différence de pression en amont et en aval de l'étanchéité d'arbre, - forces axiales provenant de la poussée non équilibrée de l'entraînement. - Une poussée axiale non équilibrée des roues peut atteindre une valeur de l'ordre de 100 tonnes pour les machines de grande taille dans les centrales électriques. Étant donné que les butées axiales lubrifiées à l'huile ne peuvent compenser les contraintes de cet ordre de grandeur, les constructeurs emploient des dispositifs d'équilibrage qui compensent la poussée axiale. Il existe plusieurs possibilités techniques. On emploie par exemple des roues qui tournent en opposition, des trous d'équilibrage dans les roues, des roues avec aubes dorsales ou des systèmes à pistons d'équilibrage dans les pompes de décalaminage. L?équilibrage de la poussée axiale hydraulique a une grande influence sur la fiabilité des pompes de décalaminage et doit répondre aux critères suivants : - stabilité axiale - maintien d'une régulation stable, même dans le cas de jeux dus à l'usure - simplicité de réglage, même dans des conditions de chantier - amélioration de la dynamique du rotor - aucun contact avec les autres éléments, même lors d'un fonctionnement à sec, de cavitation et de surcharge - aucun endommagement important provoqué par la défaillance des butées axiales - faible puissance dissipée - coût de fabrication réduit - Mais connaître les effets des poussées axiales n?est pas tout, encore faut-il préserver la pompe d'un fonctionnement prolongé à débit minimum, ce qui est fréquent dans le process de décalaminage. Des organes de sécurité tels que vannes de décharge régulées ou clapets de décharge automatiques sont indispensables. Attention à la cavitation Le phénomène de cavitation est dû à une dépression qui se crée à l'entrée de la roue de la pompe dans le cas de vitesses d'écoulement élevées. Des bulles de vapeur se forment et implosent si la pression remonte, ce qui provoque un « arrachage » de la matière par abrasion, en particulier au niveau de la roue. La cavitation ne peut être évitée qu'avec l'installation d'une pompe booster, ce qui crée un surcoût important. Toutefois, on peut réduire très fortement ces risques (usure par abrasion, bruit, vibrations, etc.) si l'on détermine correctement dès le départ les conditions d'aspiration, à savoir le NPSH. La valeur NPSH correspond à la pression d'aspiration, rapportée à la tension de vapeur du fluide à une température donnée, nécessaire pour contrôler / limiter la formation de bulles de vapeur dans la zone d'aspiration. Le respect de la valeur NPSH est donc important. Les conditions à l'aspiration peuvent en principe être améliorées par des conduites aussi droites que possible et / ou par la mise en place des pompes à un niveau aussi bas que possible dans l'installation. Dans le cas de vitesses de rotation élevées, la vitesse d'écoulement a une influence très importante sur l'abrasion du matériau par cavitation. La pompe nécessite alors une valeur NPSH élevée. En général, les pompes fonctionnant à des vitesses allant jusqu'à 3600 min ne présentent aucun risque de cavitation. Matières solides et qualité de l'eau L?eau des circuits de décalaminage étant réutilisée, il est pratiquement impossible d'éviter qu'une partie de la calamine éliminée se retrouve dans le circuit. La calamine se décompose en très fines particules. Les dispositifs de séparation et les filtres empêchent l'usure des pompes si la teneur résiduelle en calamine est inférieure à 50 mg/kg. « La qualité de l'eau est d'une très grande importance car elle a une influence considérable sur la durée de vie des pompes, de même que sur le parfait fonctionnement des vannes et des buses » souligne Robert Hugues, Responsable d'affaires KSB Service Méditerranée, qui suit les sidérurgistes de sa région. L?eau chargée de calamine est tout d'abord transportée dans un bassin de décantation avant de passer dans des filtres fins (mailles de 50 ? 100 µm environ) puis d'être réintroduite dans le circuit. Le danger d'usure par abrasion de la pompe apparaît avec des particules de plus grosses tailles, en particulier lorsqu'elles sont dans un acier particulièrement dur. Outre la roue et le corps, les garnitures mécaniques sont particulièrement sollicitées. Il est donc fortement recommandé, pour limiter leur usure, de prévoir un dispositif de séparation des particules ou de rinçage continu en eau propre des garnitures mécaniques dans la pompe. Choisir les bons aciers Le traitement des eaux nécessitant l'ajout de produits chimiques dans les circuits, les pièces intérieures de la pompe doivent être fabriquées dans des matériaux de haute qualité. Une concentration élevée en chlorures aux endroits où la vitesse d'écoulement est faible pourrait provoquer une corrosion caverneuse, une corrosion des joints ou une corrosion sous contrainte induite par les chlorures. C?est là qu'intervient l'expérience d'un constructeur comme KSB. Pour le pompiste allemand, les matériaux les mieux adaptées sont ceux généralement employés pour les pompes d'alimentation de chaudière des centrales électriques. Les éléments essentiels d'une pompe tels que le corps de refoulement, la roue et l'arbre sont en acier forgé chromé. Le corps d'aspiration est réalisé en acier au carbone avec placage acier au chrome austénitique. Quant aux pièces sensibles à l'usure, telles que les bagues d'usure et les dispositifs d'équilibrage, elles sont réalisées dans un acier chromé avec traitements spéciaux. « En faisant attention à employer les matériaux appropriés, l'usure de ces éléments restera très limitée, ce que nous avons déjà pu constater après un vingtaine de milliers d'heures de service », conclut Robert Hugues.