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Dispositif de régulation de débit à fermeture coulissante d'un récipient métallurgique.
La présente invention est relative à un dispositif de régulation de débit à fermeture coulissante d'un récipient métallurgique, constitué d'un châssis métallique comportant un encadrement fixé sous le récipient métallurgique et contenant une plaque réfractaire fixe de référence, percée d'un orifice de coulée et une plaque réfractaire mobile également percée d'un orifice, montée coulissante par rapport à la plaque de référence contre laquelle elle est appuyée à l'aide de ressorts et éventuellement de leviers, afin d'empêcher une infiltration de métal liquide entre les plaques réfractaires.
Les fermetures coulissantes ou à tiroir à deux ou trois plaques réfractaires sont très répandues dans les installations de coulée d'acier pour conduire, interrompre et réguler l'écoulement d'un flot d'acier que l'on conduit d'une poche vers un répartiteur, et de manière similaire, d'un répartiteur vers un moule.
Les plaques réfractaires sont soumises à de fortes sollicitations thermomécaniques qui engendrent deux zones critiques pour la plaque et qui conduisent systématiquement au développement d'une part, de fissures longitudinales à partir du trou et d'autre
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part, de deux fissures radiales initiées à la périphérie de la plaque et symétriques par rapport au centre du trou.
Les fissures ainsi formées facilitent les aspirations d'air à travers les plaques avec des conséquences importantes sur la qualité de l'acier et l'usure des plaques réfractaires par corrosion.
Les facteurs favorisant la fissuration des plaques sont la non-symétrie des conditions de blocage mécanique par rapport au centre du trou de coulée et la surdimension du diamètre du trou en comparaison de la largeur de la plaque réfractaire.
On sait que le fonctionnement sûr d'une fermeture coulissante d'un récipient métallurgique dépend dans une large mesure des dimensions des zones d'étanchéité et de sécurité tout autour des orifices de coulée de chacune des plaques et de l'emboîtement propre et précis des autres éléments réfractaires sur lesdites plaques. Le parallélisme des plaques fixes et mobiles et une fourchette de tolérance de planéité inférieure au 5/lOOème de millimètre permettent seuls de réaliser constamment une bonne étanchéité et d'éviter tout risque de coincement des plaques.
Dans les dispositifs de fermeture à plaques coulissantes, le canal central de coulée n'est pas seulement soit ouvert, soit fermé, mais le plus souvent partiellement ouvert. En régulation du débit, les plaques réfractaires occupent le plus souvent une position intermédiaire dans laquelle les orifices de coulée ne se recouvrent que partiellement, de manière à former une zone d'étranglement dont on fait varier à
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volonté la section de passage du métal en fusion en vue de modifier la résistance à l'écoulement de ce métal.
Le débit de la coulée peut ainsi être déterminé en fonction de la position occupée par la plaque de tiroir pour une pression statique donnée correspondant au niveau du métal dans le récipient de coulée.
Lorsque le métal, soumis à une pression ferrostatique, s'écoule par cette section réduite ou étranglée il se produit une sollicitation mécanique, thermique et chimique particulièrement forte qui est la cause d'une érosion particulièrement prononcée.
Aujourd'hui, les plus largement connus sont les tiroirs des types suivants : A) les tiroirs linéaires ; B) les tiroirs rotatifs, munis de plaques réfractaires essentiellement rondes avec un ou plusieurs orifices qui sont excentrés par rapport à l'axe vertical de rotation de ces plaques.
En outre, par le document français FR-A-2 248 106, on connaît un obturateur à tiroir pour poches de coulée de métaux, notamment d'acier en fusion, comprenant deux plaques dont l'une, mobile est retenue de manière amovible dans un châssis glissant et peut coulisser par rapport à l'autre plaque sous laquelle elle est disposée, de préférence par entraînement motorisé, en étant repoussée contre elle par des axes soumis à l'action de ressorts.
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Qu'il soit linéaire ou rotatif, tout dispositif de régulation assure la fermeture étanche de l'écoulement du métal en fusion par déplacement du trou mobile par rapport au trou fixe vers la position de fermeture.
Pour assurer l'étanchéité malgré l'usure de la surface de la plaque par de l'acier lors des coulées, la plaque mobile doit se déplacer de plus en plus loin vers la position de fermeture finale.
Avec des plaques neuves, l'arrêt d'écoulement peut être obtenu par un chevauchement minimal. Plus les plaques s'usent, plus le chevauchement nécessaire pour obtenir l'arrêt d'écoulement est grand.
La trace d'usure sur les plaques réfractaires est une plage distribuée de deux côtés de la ligne (droite ou courbe) de déplacement du centre du trou mobile. En observant les plaques usées on peut observer que la profondeur d'usure est plus grande au milieu de la trace que sur sa périphérie.
L'étanchéité vers l'extérieur est assurée par les surfaces encore intactes des plaques.
L'application étanche de la plaque mobile contre la plaque fixe exige une zone de contact étanche de largeur suffisante tout autour de l'orifice de coulée de chacune des plaques. Or, dans les dispositifs de régulation à fermeture coulissante classiques du débit de coulée continue, la plaque mobile subit un simple déplacement par translation par rapport à la plaque fixe ou une simple rotation autour d'un point éloigné du trou de coulée, disposé en dehors de la surface de
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contact de la plaque mobile avec la plaque de référence.
Dans ces dispositifs connus, la trace laissée par le trou de coulée sur la plaque mobile provoque l'usure des plaques réfractaires. Au fur et à mesure que les plaques s'usent, la zone d'étanchéité diminue et met éventuellement en danger la sécurité de l'appareillage en position entièrement fermée.
Pratiquement toute surface en bon état sur le chemin de métal en fusion fera barrage à l'écoulement. D'où on peut tirer la conclusion que le facteur déterminant d'étanchéité entre deux trous de coulée est la longueur de la ligne centrale de la trace d'usure et non la distance entre le trou de coulée et l'orifice de coulée de la plaque mobile en position de"fermeture finale".
Les désavantages des dispositifs de régulation coulissants linéaires et rotatifs connus sont : 1) L'utilisation marginale de l'entièreté de la surface de contact des plaques réfractaires des tiroirs.
Seulement une petite partie de la plaque est exposée à l'acier en fusion.
La surface disponible offerte à l'érosion ne concerne qu'une simple bande de largeur égale au diamètre de l'orifice de coulée. La zone d'étanchéité, disposée de part et d'autre de cette bande est en quelque sorte inutilisée.
De même, dans un dispositif de régulation rotatif à fermeture coulissante, la surface disponible réser- vée à l'érosion d'une plaque mobile circulaire à
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deux trous excentrés est assez négligeable car l'élargissement en arc de cercle des trous de coulée provoque rapidement la rupture de la plaque et la fuite d'une grande quantité de métal liquide à l'extérieur du dispositif.
2) Les orifices sont nécessairement décentrés par rapport à la forme extérieure de la plaque, ce qui ne permet pas d'offrir la meilleure forme "anticraquelure" ; comme le suggère l'article de D.
Thémines et J. Poirier, publié dans la Revue de
Métallurgie ATS Journées sidérurgiques 92 Paris
16-17 déc. 1992, p. 192 et 193, c'est la forme ronde avec l'orifice central qui offre la meilleure défense contre les conditions de création de craque- lures dans les plaques réfractaires de tiroirs pour coulée du métal en fusion.
3) Il a été constaté en pratique que l'usure des plaques réfractaires se produit d'une façon très irrégulière sur une partie de la circonférence de l'orifice de coulée.
L'attaque du métal en fusion sur le bord de l'ori- fice, c'est à dire la lèvre du trou de coulée, lors du mouvement et le réglage de régulation (appelé souvent"position d'étranglement de jet de métal en fusion") est dirigé et concentré dans la même direc- tion que la ligne du mouvement (droite ou cercle de déplacement) du centre de l'orifice de coulée et sur le même point se trouvant sur l'intersection de cette ligne (droite ou courbe) et le bord de l'ori- fice de la plaque fixe et/ou mobile. La position de ce point d'attaque ne varie pas et reste la même lors du déplacement de l'orifice mobile par rapport à l'orifice fixe (mouvement de régulation ou
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l'étranglement du jet). Ceci est la raison d'une très forte concentration d'usure de la lèvre sur une très petite section de la plaque et du bord de l'orifice.
Toutefois, lorsque les deux plaques présentent une forme symétrique, elles peuvent, une fois usées d'un côté, être retirées de l'obturateur à tiroir après ouverture de celui-ci et y être replacées après qu'on les ait fait tourner de 180 autour de leur axe. Cependant, la manipulation de ces pièces portées au rouge après la coulée est difficile et il existe toujours le danger de fissuration par suite du choc thermique causé par l'ouverture de l'obturateur et l'extraction de ces pièces hors de ce dernier.
Jusqu'à ce jour, la seule méthode qui permettait de mettre en oeuvre un tiroir à plaques rondes présentant un trou central, était un tiroir linéaire. De ce fait, et en raison de la longueur de la course requise pour une fermeture efficace et sûre, les plaques réfractaires auraient été de dimensions importantes, ne donnant pas satisfaction du point de vue de la rentabilité, du coût opérationnel ainsi que du poids des plaques tellement important que leur manipulation par les opérateurs aurait été difficile.
De ce qui précède découle de toute évidence que ce sont les éléments réfractaires des tiroirs qui décident par leur qualité, leur longévité et leur forme, du succès de l'application d'un tiroir dans un processus de coulée d'acier.
Dans les applications connues à ce jour, les plaques réfractaires des dispositifs de régulation linéaires ou
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rotatifs du débit d'un jet de coulée de métal en fusion périssent principalement de causes suivantes : - l'attaque mécanique, thermique ou chimique concentrée sur une section de la lèvre du trou de coulée ainsi que dans la zone de contact d'acier avec la surface de glissement, qui correspond à la zone de fermeture sur cette surface et représente une petite portion de la surface totale ; - la fissuration des plaques sur la surface et/ou dans le corps, ceci conduit à la destruction de la plaque de différentes manières :
la plaque se désintègre mécaniquement sous les pression et tension, auxquelles elle est soumise lors de son utilisation en coulée, les craquelures permettent à l'air ambiant de péné- trer le corps de la plaque, causant l'oxydation de la matière réfractaire et conduisant rapidement à la désintégration du corps de la plaque.
Cette fissuration semble avoir joué un rôle important parmi les causes des accidents dangereux dus à l'infiltration d'acier entre les plaques ainsi que d'autres types de perforation du canal de coulée du métal fondu. Elle peut aussi affecter très défavorablement la qualité du produit sidérurgique en permettant une entrée non désirable d'air à proximité immédiate du jet du métal en coulée.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients susdits et propose dans ce but un dispositif de régulation du débit, de faible encombrement, dans
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lequel la plaque mobile est sensiblement ronde, munie d'un orifice central et apte à être actionnée intensivement dans toutes positions d'avance.
En fait, la forme idéale d'une plaque mobile est circulaire, munie d'un orifice central pour diminuer la tendance à la fissuration.
Le dispositif de régulation du débit d'un récipient métallurgique à fermeture coulissante est du type décrit dans le préambule de la revendication 1. Ce dispositif est caractérisé en ce que la plaque mobile de fermeture coulissante effectue un déplacement comprenant au moins une rotation dans le plan de glissement autour d'un centre de rotation peu éloigné du bord du trou de coulée d'une distance comprise entre un dixième du et le diamètre du trou de coulée.
Suivant une particularité de l'invention, la trace du centre du trou de coulée de la plaque fixe de référence sur la plaque mobile est une demi-circonférence en un arc de cercle ou une trajectoire courbe, dont le rayon de courbure est égal à 1,2 à 2 fois le rayon du trou de coulée.
Dans une forme de réalisation particulière, le dispositif de régulation comprend deux crémaillères qui engrènent sur une couronne entourant la plaque mobile susdite et agissant suivant des lignes de forces parallèles en des points diamétralement opposés de la plaque mobile circulaire dans des directions opposées et des amplitudes différentes.
Dans une seconde forme de réalisation, le dispositif de régulation comprend deux vis sans fin qui engrènent
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sur une couronne entourant la plaque mobile susdite et agissant suivant des lignes de forces parallèles en des points diamétralement opposés de la plaque mobile circulaire dans des directions opposées et des amplitudes différentes.
Dans cette réalisation, la combinaison des mouvements de deux vis indépendantes l'une de l'autre permet à la plaque mobile de faire des mouvements très variés.
Une autre forme de réalisation permet de simplifier le dispositif mécanique mais est une solution limitant la variété de mouvements de plaque mobile à un mouvement rotatif dont le rayon est fixe et déterminé par le désaxement de deux plaques (fixe et mobile) en position de fermeture.
Les particularités et détails de l'invention ainsi que d'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation particulière du dispositif de régulation du débit du jet de coulée suivant l'invention, donnée à titre illustratif et non limitatif.
Cette description se réfère aux dessins ci-joints, dans lesquels : - la figure 1 est une vue en plan d'un dispositif de régulation suivant l'invention en position fermée ; - la figure 2 est une coupe verticale transversale, d'un dispositif de régulation de débit à fermeture coulissante, d'un récipient métallurgique selon l'invention, en position fermée, actionné par une couronne dentée et un pignon d'engrenage :
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- la figure 3 est une coupe verticale longitudinale du dispositif de régulation, montré dans la figure 1, en position fermée ;
- la figure 4 est une vue schématique en plan d'un dispositif de régulation actionné par une couronne dentée et deux vis sans fin-et - la figure 5 est une vue schématique en plan d'un dispositif de régulation actionné par une couronne dentée et deux crémaillères.
Le dispositif de régulation du débit à fermeture coulissante, selon l'invention, d'un récipient métallurgique, est constitué d'un châssis métallique circulaire 1 comportant un encadrement métallique 2 fixé sous le récipient métallurgique.
Dans la figure 1, on reconnaît dans cet encadrement 2, une plaque réfractaire 3 fixe, dite de référence, de préférence de forme circulaire, percée d'un trou de coulée 4 en son centre et raccordée à une busette interne 5.
La plaque de référence 3 peut éventuellement faire corps avec la busette interne 5. La plaque de référence 3 comporte alors un corps de forme générale cylindrique ou conique et une collerette présentant une surface plane de glissement pour une plaque tiroir associée telle que décrite dans le document FR-A-2 643 001.
Le dispositif de régulation du débit comporte également une plaque réfractaire mobile 6, de préférence de forme circulaire, percée également d'un orifice central 7 pour le passage de l'acier.
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La partie mobile du châssis métallique 1 est une couronne dentée 17 portant un dispositif de poussée vers le haut comprenant des rails-guides 18 et des plots 19 disposés dans le prolongement desdit rails et sur lesquels agissent des ressorts à lames 20.
La plaque mobile 6 est montée coulissante par rapport à la plaque de référence 3 contre laquelle elle est appliquée, avec une force considérable de l'ordre de plusieurs tonnes, à l'aide de cartouches à ressorts 21, afin d'empêcher une infiltration de métal liquide entre les plaques 3,6.
La couronne dentée 17 délimite les dimensions de la plaque réfractaire mobile 6 qui présente une surface de glissement en contact avec la plaque de référence 3. La plaque mobile 6 est logée dans une cavité de forme complémentaire ménagée dans la couronne dentée 17.
Le tube de coulée 8 est appuyé contre la face inférieure de la plaque mobile 6 par la série de leviers 30 fixés à l'extrémité des ressorts à lames 20 et alignés dans le prolongement des rails-guides 18.
Le réglage du débit et l'obturation du trou de coulée sont réalisés par déplacement de la plaque mobile 6 par rapport à la plaque de référence 3, en entraînant la couronne dentée 17 en rotation autour d'un centre de rotation peu éloigné du trou de coulée 4. La couronne dentée 17 est entraînée en rotation autour de son centre par un pignon d'engrenage 28 actionné par un moteur électrique 29.
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La zone d'étanchéité est la portion de plaque mobile qui est intacte, autour du trou de coulée. Elle a la forme d'une languette. Elle est déterminée par la trace 22 du trou de coulée sur la plaque mobile. La largeur de la languette doit être au moins égale à la distance minimale de sécurité séparant le trou de coulée de l'orifice de coulée en position d'obturation. La plaque mobile est éventuellement excentrée par rapport à la couronne dentée 17 au cas où l'orifice de coulée 7 est disposé au milieu de la plaque mobile 6.
Cette configuration permet de retourner la plaque 3 en cas d'usure d'une des faces de la plaque 3.
La plaque de référence 3 et la busette 5 peuvent également être deux organes de coulée distincts raccordés étanchément l'un à l'autre.
De même, le dispositif de régulation peut être un dispositif à trois plaques, dont la plaque inférieure sert d'appui au tube de coulée 8.
Dans une deuxième forme de réalisation montrée schématiquement dans la figure 4, du dispositif de régulation suivant l'invention, l'actionnement combiné, à la fois linéaire et rotatif de la plaque mobile est réalisé par deux vis sans fin 15,16, engrenant sur une couronne dentée 17 entourant la plaque susdite 3. La rotation simultanée en sens contraire et à des vitesses périphériques différentes des vis sans fin 15,16 provoque un mouvement de rotation de la couronne dentée 17 dont on peut considérer qu'une partie concentrique roule le long d'une ligne imaginaire située à une distance L-L'de l'orifice central de la plaque.
L'orifice central se déplace et se prolonge le long
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d'une trajectoire esquissant une ébauche de spirale ou d'une courbe résultant d'une rotation et d'une translation telle qu'une cycloîde, une épicloide ou une hypocycloide.
Avec une plaque mobile ainsi conçue, la manoeuvre de fermeture et d'ouverture du dispositif de régulation est effectuée dans l'une ou l'autre moitié de cette plaque et ce, de manière symétrique par rapport à l'axe du trou de coulée.
Il y a donc intérêt à effectuer cette manoeuvre en alternant les deux moitiés de la plaque mobile.
L'alternance s'obtient en modifiant les vitesses de rotation des moteurs 29 des vis sans fin 15,16.
Dans une troisième forme de réalisation, représentée dans la figure 4, le débit de métal liquide est régulé par un déplacement combiné, en translation ou en rotation de la plaque mobile, de manière à varier la section de passage offerte au métal liquide contenu dans le récipient de coulée.
Un déplacement combiné en translation et en rotation est obtenu à l'aide d'un dispositif constitué d'une couronne dentée 17 et de deux crémaillères 13,14 actionnées dans des directions sensiblement parallèles et en sens opposés par des vérins 11, 12.
Sur la figure 5, les orifices de coulée 4,7 de la plaque de référence 3 et de la plaque mobile 6 sont alignés de sorte que la section de passage offerte à l'écoulement est maximale.
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Généralement, le conduit de coulée est en dépression. Cette dépression crée un phénomène de succion qui se traduit par d'éventuelles entrées d'air.
La cinématique de la plaque mobile correspond à un déplacement à la fois par translation et rotation autour d'un centre instantané de rotation qui dépend du déplacement relatif des deux crémaillères 13,14 qui engrènent dans la denture d'une couronne 17 qu'entoure la plaque mobile 6. Par ce déplacement combiné en translation et rotation, le canal de coulée est partiellement obturé et réalise une régulation du débit de coulée. La crémaillère de gauche 13, effectue un déplacement linéaire d'amplitude BC, dans le sens de la flèche F. La crémaillère de droite 14, effectue un déplacement linéaire d'amplitude GH inférieur au déplacement BC.
L'invention permet de réaliser autour du trou de coulée 4 et de l'orifice de coulée 7 de la plaque mobile, une surface de glissement intacte délimitant une zone de sécurité et d'étanchéité destinée à coopérer avec la plaque mobile 6. Cette zone de sécurité doit être particulièrement résistante à l'abrasion et à l'érosion.
Vu le mouvement combiné"rotatif/linéaire"de l'ensemble mobile, la ligne de mouvement de l'axe du trou de coulée change son inclinaison par rapport à la position de départ et donc le point de concentration d'attaque de lèvre par l'usure se déplace suite et en fonction du mouvement de régulation (étranglement).
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Donc l'attaque d'acier pendant le fonctionnement du tiroir n'est plus concentré sur un point de la lèvre (bord d'attaque) mais sur une section plus ou moins grande de cette lèvre. Il en résulte une usure plus uniforme de la lèvre de l'orifice permettant d'utiliser les plaques plus longtemps et avec plus de sécurité.
Lorsque les plaques réfractaires fixes et mobiles amenées à être manoeuvrées fréquement ont un fonctionnement permanent intensif en régulation, les bords des orifices de coulée desdites plaques réfractaires 3,6 sont soumis à une érosion intense et le trou de coulée 4 et l'orifice 7 prennent une forme de plus en plus allongée telle qu'illustrée dans la figure 2. La trace du trou de coulée sur la plaque mobile est une épicycloide décrite sur la plaque mobile lors d'une manoeuvre de fermeture coulissante.
La forme idéale d'une plaque réfractaire du tiroir est circulaire, munie d'un orifice central pour diminuer la tendance à la fissuration de son corps.
Dans cette forme de réalisation, la plaque mobile se déplace de manière à offrir une part proportionnellement la plus élevée possible de la surface de glissement au contact avec l'acier et le mouvement de la plaque permet de varier la localisation du point d'attaque d'acier lors du mouvement de régulation du jet.