<Desc/Clms Page number 1>
" Procédé pour la coulée continue de barres, verges et fils ".
Les méthodes de.coulée continue des métaux se divident en deux classes principales : les procédés dans lesquels les surfaces moulantes accompagnent le métal dans son trajet durant la solidification, et les procédés où le métal en cours de solidification glisse dans un moule stationnaire. Les tôles ou les bandes qui sont relative- ment minces par rapport à leur largeur se coulent mieux dans des rouleaux cylindriques en rotation appartenant au premier groupe, tandis que les billettes, les barres ou
<Desc/Clms Page number 2>
les verges de section approximativement carrée ou ronde sont plus faciles à produire dans des moules tubulaires du second groupe, desquels le produit solidifié est ex- trait graduellement par la pesanteur ou par toute autre force extérieure.
Un caractère commun des deux groupes ci-dessus mentionnés, et qui se retrouve dans toutes les méthodes connues de coulée continue, consiste dans la solidifica- tion progressive de l'extérieur vers le centre du produit une pellicule solide est d'abord formée au contact des parois froides des rouleaux ou des moules, et l'on doit alors prendre grand soin d'éviter sa rupture jusqu'à ce qu'elle ait acquis une épaisseur suffisante pour résister à la pression hydrostatique du métal intérieur encore liquide. A ce moment, le produit peut émerger sans danger de la machine à couler et être refroidi par des jets d'eau ou autrement.
La fragilité de la pellicule de métal solidifié, dès sa formation, est une des principales difficultés de la coulée continue. En fait, la plupart des perfectionne- ments apportés aux divers procédés ont cherché à renforcer rapidement cette pellicule. Un refroidissement accéléré n'est pas très utile, parce qu'il favorise la contraction du produit et sa séparation du moule, créant par endroits un espace vide entre moule et pellicule. La pellicule cesse alors de se refroidir. Au contraire, elle se réchauffe rapidement par l'apport de chaleur du métal liquide inté- rieur. Fréquemraent, elle se fond au se rompt, laissant le métal fondu couler librement dans l'espace entre moule et pellicule, avec formation de défauts superficiels tels que pailles et doublures.
On a cherché à éviter la refusion de la pellicule, par l'emploi de divers matériaux dans la
<Desc/Clms Page number 3>
construction des moules, par l'introduction*de lubrifiants tels que le graphite ou certaines huiles, destinés à rem- plir l'espace et à faciliter le refroidissement de la pel- licule malgré/ son décollage, par la vibration des moules, etc... Ces méthodes ont eu quelque succès avec les métaux relativement fusibles, tels que l'aluminium, le laiton et' le bronze, mais la coulée continue des aciers demeure essentiellement impraticable.
A cause de l'extrême difficulté du problème de là pellicule, le procédé de la présente invention opère sur un principe tout à fait différent; au lieu de former une pellicule et de protéger sa croissance, il s'oppose délibérémant à une telle formation et détruit immédiate- ment toute trace de pellicule qui aurait tendance à appa- raitre. Au lieu de refroidir le métal en régime statique, en laissant la solidification progresser couche par couche vers le centre du produit, le procédé décrit ci-après mélange intimement le métal dès le début de son refroidis- sement et jusqu'à l'amener à un état pâteux, puis en condi- tion forgeable, le centre se refroidissant au même degré que l'extérieur. Ceci pourrait s'appeler un "refroidisse- ment dynamique".
On mentionne souvent, comme condition essentielle d'une bonne coulée continue, la nécessité d'a- limenter le métal liquide par un versage exempt de toute turbulence. Dans le procédé de l'invention, au contraire, il a été démontré expérimentalement qu'une agitation constante du métal liquide est nécessaire et que le procédé échoue lorsque cette agitation cesse accidentellement.
Heureusement, il est bien plus facile de maintenir une turbulence que de l'empêcher dans le cas qui nous occupe.
Avant de décrire la nouvelle technique en détail, il est essentiel de faire une autre distinction importante
<Desc/Clms Page number 4>
entre les méthodes usuelles de coulée continue, et celle de la présente invention.
Dans les méthodes du second groupe, avec moules tubulaires stationnaires ou vibrants, la section transver- sale du produit demeure invariable en dimension ou en forme durant toute la solidification. Ceci est d'accord, évidem- ment, avec la formation d'une pellicule qui doit demeurer intacte jusqu'à la fin. Dans les méthodes du premier groupe, qui emploient des rouleaux cylindriques pour former les tôles et les bandes, on cherche à obtenir la formation de deux pellicules, une sur chaque rouleau, et l'on cherche aussi à éviter leur rupture. Mais ces deux pellicules, par suite du mouvement relatif des cylindres, se rapprochent l'une de l'autre jusqu'à atteindre une distance égale à l'épaisseur du produit fini. Ceci s'obtient en chassant le métal liquide entr'elles, vers le bain de métal fondu flottant sur les rouleaux.
En d'autres termes, les deux pellicules descendent avec les rouleaux et se joignent au centre du laminoir, soutenant un coin de métal liquide sta- tionnaire entre elles. Cette méthode de coulée dépend es- sentiellement de la formation de deux pellicules qui ne peuvent être ni allongées, ni rétrécies, ni déformées dans aucune direction de leur propre surface, ainsi qu'il est démontré par le fait que les cylindres changent une sur- face originellement cylindrique en une surface plane pour chaque pellicule, par simple développement géométrique.
C'est aussi démontré par la grande difficulté rencontrée dans cette méthode aux rebords des rouleaux qui limitent la largeur du produit. Les bords sont un point critique dans cette méthode, parce que les pellicules transversales qui se forment à ces endroits doivent se replier ou se briser dans la descente, avec le danger toujours présent du
<Desc/Clms Page number 5>
coulage. De nombreux moyens ont été essayés sans trop de succès pour assurer le contrôle de la solidification des bords de la tôle ou du feuillard.
Dans le procédé de l'invention@ la sectmon transversale du produit est substantiellement réduite en au moins dimension depuis l'état liquide jusqu'à l'état solide, dans/ deux directions transversales croisées, par une transforma- tion non-développable des surfaces de contact des moules.
De plus, cette réduction n'est pas obtenue en chassant du métal liquide hors d'une coquille se contractant : la sec- tion transversale est réduite dans une condition pâteuse homogène, tandis que le métal devient de plus en plus visqueux et forgeable en descendant dans le laminoir, jusqu'à ce qu'il émerge finalement sous celui-ci avec assez de consistance pour conserver sa forme finale.
Les préliminaires ci-dessus étaient indispensables pour montrer clairement le principe fonctionnel employé dans le procédé de l'invention. Les applications sont à présent limitées aux formes de section transversale rela- tivement réduites, ayant une épaisseur comparable à la largeur. Des barres, verges ou fils de section carrée, polygonale ou ronde de moins de 12 mm de dimension trans- versale sont typiques, avec une préférence pour du fil de 1/4 de pouce (6.35 mm) de diamètre au maximum, qui n'est pas obtenable par coulée continue de l'acier selon les procédés connus.
Dans le procédé de l'invention, le métal liquide est versé sous la forme d'un jet continu ayant une hauteur libre minimum lui assurant une vitesse de chute suffisante.
Ce jet frappe le centre d'un petit bain de même métal fondu, lequel est supporté par les rouleaux spériques d'un laminoir clos ou complet préférablement du modèle
<Desc/Clms Page number 6>
décrit dans la demande de brevet Américain No 583,887.
Le débit de ce jet est ajusté constamment pour compenser la sortie du produit solidifié par le bas du laminoir, maintenant ainsi le bain liquide à un niveau constant.
Ou bien le jet est simplement ajusté par le choix approprié d'un orifice de coulée dans le four ou la poche contenant la réserve de métal liquide, tandis que l'ajustement du débit se fait par variation de la vitesse de rotation des rouleaux du laminoir.
La caractéristique essentielle du laminoir com- plet est qu'il comprime le produit concentriquement et au moins dans deux directions transversales croisées. L'appa- reil comporte des surfaces moulantes sphériques et toroï- dales qui s'enveloppent l'une l'autre étroitement et con- tribuent toutes au forgeage du produit à partir de l'état liquide jusqu'à la forme définitive à l'état solide.
Physiquement parlant, les rouleaux enferment entre eux un volume limité latéralement de toutes parts, dé section décroissante du haut vers le bas et laissant un passage inférieur étroit de la forme et de la dimension du produit désiré. Les surfaces limitant ce volume forment donc un entonnoir, mais les parois de ce dernier sont toutes mobi- les vers le bas une vitesse uniforme, sans guides fixes ou coins de remplissage quelconques.
Les Figures 1 à 4 des dessins annexés au présent mémoire, montrent une disposition typique d'un tel lami- noir, dans laquelle quatre rouleaux identiques sont utili- sés pour la production d'un fil rond.
La Figure 1 est une section horizontale suivant le plan désigné par la ligne 1-1 de la figure 20
La figure 2 est une verticale suivant le plan désigné par la ligne II-II de la figure 1.
<Desc/Clms Page number 7>
Les figures 3 et 4 sont, à plus grande échelle, des coupes semblables à celle de la figure 2.
Dans cet exemple, qui n'est nullement limitatif, le diamètre des rouleaux est de 220 mm et celui du fil de 5 mm. Chaque rouleau possède une surface spérique convexe 2 conjuguée à la surface sphérique concave 3 du rouleau adjacent. A la jonction des surfaces sphériques convexe et concave de chaque rouleau se trouve une gorge annulaire 4 de forme appropriée à la section transversale du produit ( A peu près un quart de cercle pour un fil rond). La vitesse moyenne de rotation des rouleaux est dé 39 tours par minute, et la production est d'environ 30 cm de fil d'acier par seconde ou 18 mètres par minute. Elle est d'ailleurs réglable dans de larges limites. Le métal est alimenté à partir d'un creuset, four ou poche de coulée 5 convenablement chauffé, par exemple au moyen d'une bobine à haute fréquence 6.
La coulée par le fond à travers une tuyère 7 est préférée à la coulée par le bec parce que le jet peut être ajusté rapidement par un léger mouvement du bouchon réfractaire 8, tandis que l'ajustement du versage par le bec implique des grands effets d'inertie et trop de pertes de chaleur par radiation.
Le métal dans le récipient 5 doit être complètement fondu, mais pas trop surchauffé. on empêchera l'oxydation du métal liquide, soit par un laitier, soit par une atmosphère neutre ou réductrice. Un petit jet de gaz de ville convient pour les aciers au carbone, tandis que l'azote est préfé- rable pour les aciers inoxydables au nickel-chrome. Si on se sert de laitier et si la poche 5 est remplie périodique- ment ou continuellement, il faut éliminer l'excès de lai- tier par un trou de coulée supérieur 10.
La figure 3 montre l'action favorable de la turbu-
<Desc/Clms Page number 8>
le%ce ou du remous dans le procédé. Le mouvement indiqué par les flèches 11 est clairement visible en pratique : si on observe le bain entre les rouleaux, du métal pâteux semble émerger continuellement des rouleaux 1 et se concen- trer sous le jet 12 en un tourbillon permanent. Ceci montre un mouvement ascensionnel du métal contre les rouleaux, malgré leur mouvement de descente. A un niveau inférieur dans le laminoir, cependant, le métal qui a acquis assez de consistance pour réagir à la pression des rouleaux doit évidemment accompagner ceux-ci vers le bas pour finalement sortir sous forme d'un fil sous l'appareil. Ce renverse- ment de direction est montré par les flèches 13.
On a essayé d'alimenter les rouleaux par un tube de guidage 14 en réfractaire chauffé, comme indiqué à la figure 4. On cherchait ainsi à éviter le bain ouvert au-dessus des rou- leaux et la nécessité d'ajuster le débit du jet ou la vi- tesse de la machine. Mais aucun fil ne put être obtenu de cette manière. Par suite du manque d'agitation, une mince pellicule stationnaire 15 se formait sur les rouleaux, laissant le métal liquide couler librement par l'orifice central du laminoir. Après quelques instants, la pellicule avait crû suffisamment pour boucher cet orifice et tout écoulement s'arrêtait. Ceci prouve bien la nécessité de l'agitation du bain pour obtenir un refroidissement homo- gène par convection bien plus que par conduction.
Le contact effectif entre les rouleaux et le métal chaud est de durée extrêmement courte, comparée à celle des autres méthodes de coulée continue. Dans le cas de la figure 1 par exemple, ce contact ne dure que 1/6 de seconde environ à chaque tour des rouleaux et pour un point quelconque de leur surface active. Comme les rouleaux sont refroidis extérieurement par bain d'eau ou autrement,
<Desc/Clms Page number 9>
les oontaots successifs aveo le métal fondu n'ont pas d'effet thermique cumulatif, et ils restent pratiquement froids même avec l'acier fondu. Après mouillage, chaque portion des rouleaux est séchée par un violent courant d'air avant de reprendre le contact.du bain de métal li- quide, afin d'éviter des explosions par vaporisation instantanée.
Le procédé de l'invention remédie ainsi à la désintégration des rouleaux constatée dans d'autres métho- des de coulée continue où les contacts sont de bien plus longue durée et les cycles thermiques bien plus sévères.
L'opération de coulée continue peut être manuel- le ou automatique, soit selon la méthode du jet variable et de la vitesse-de rotation constante, soit avec un jet constant ou variant continûment à mesure que la poche de coulée se vide, et une vitesse de rotation variable. On peut encore, par l'une comme par l'autre de ces deux 'méthodes, maintenir un bain bas, moyen ou haut, selon le degré de surchauffe du métal. Si par/exemple le fil sort trop froid (couleur'trop sombre), l'opérateur peut, soit diminuer la hauteur du bain, soit accélérer la machine en augmentant le débit du jet. D'une manière comme de l'autre, il réduira ainsi la surface ou le temps de contact, et par suite le refroidissement dans le laminoir.
Ces ajuste- ments ont le mérite d'avoir un effet instantané, tandis que toute variation de la température du jet serait néces- sairement trop lente. Ils peuvent d'ailleurs être contrôlés automatiquement par des dispositifs pyrométriques ou pho- toélectriques connus.
L'emploi d'un laminoir du type décrit est indiqué à titre d'exemple seulement et n'est pas limitatif, d'au- tres appareils pouvant être utilisés dans le même but.
<Desc / Clms Page number 1>
"Process for the continuous casting of bars, yards and wires".
Methods of continuous metal casting fall into two main classes: processes in which molding surfaces accompany the metal in its path during solidification, and processes in which the solidifying metal slides into a stationary mold. Sheets or strips which are relatively thin in relation to their width flow best in rotating cylindrical rollers belonging to the first group, while billets, bars or
<Desc / Clms Page number 2>
yards of approximately square or round cross-section are easier to produce in tubular molds of the second group, from which the solidified product is gradually removed by gravity or some other external force.
A common characteristic of the two groups mentioned above, and which is found in all known methods of continuous casting, consists in the progressive solidification from the outside towards the center of the product a solid film is first formed on contact. cold walls of rolls or molds, and great care must then be taken to avoid breaking it until it has acquired sufficient thickness to withstand the hydrostatic pressure of the still liquid inner metal. At this time, the product can safely emerge from the casting machine and be cooled by water jets or otherwise.
The fragility of the solidified metal film, from its formation, is one of the main difficulties of continuous casting. In fact, most of the improvements in the various processes have sought to strengthen this film rapidly. Accelerated cooling is not very useful, because it promotes the contraction of the product and its separation from the mold, creating in places an empty space between the mold and the film. The film then stops cooling. On the contrary, it heats up quickly by the input of heat from the interior liquid metal. Frequently, it melts or breaks, allowing the molten metal to flow freely into the space between the mold and the film, with the formation of surface defects such as straws and liners.
We tried to avoid reflow of the film, by the use of various materials in the
<Desc / Clms Page number 3>
construction of the molds, by the introduction * of lubricants such as graphite or certain oils, intended to fill the space and to facilitate the cooling of the film despite / its detachment, by the vibration of the molds, etc. These methods have had some success with relatively fusible metals, such as aluminum, brass and bronze, but the continuous casting of steels remains essentially impractical.
Because of the extreme difficulty of the film problem, the process of the present invention operates on an entirely different principle; instead of forming a film and protecting its growth, it deliberately opposes such formation and immediately destroys any trace of film which tends to appear. Instead of cooling the metal in a static regime, allowing the solidification to progress layer by layer towards the center of the product, the process described below intimately mixes the metal from the start of its cooling until it is brought to a pasty state, then in a forgeable condition, the center cooling to the same degree as the outside. This could be called "dynamic cooling".
As an essential condition for good continuous casting, the necessity of supplying the liquid metal by pouring free from any turbulence is often mentioned. In the process of the invention, on the contrary, it has been demonstrated experimentally that constant agitation of the liquid metal is necessary and that the process fails when this agitation accidentally ceases.
Fortunately, it is much easier to maintain turbulence than to prevent it in this case.
Before describing the new technique in detail, it is essential to make one more important distinction
<Desc / Clms Page number 4>
between the usual continuous casting methods, and that of the present invention.
In the methods of the second group, with stationary or vibrating tubular molds, the cross-section of the product remains invariable in size or shape throughout the solidification. This agrees, of course, with the formation of a film which must remain intact until the end. In the methods of the first group, which employ cylindrical rollers to form the sheets and bands, one seeks to obtain the formation of two films, one on each roll, and one also seeks to avoid their breaking. But these two films, as a result of the relative movement of the rolls, move closer to each other until they reach a distance equal to the thickness of the finished product. This is achieved by driving the liquid metal between them, towards the molten metal bath floating on the rollers.
In other words, the two films descend with the rolls and join in the center of the rolling mill, supporting a wedge of stationary liquid metal between them. This method of casting is essentially dependent on the formation of two films which cannot be elongated, shrunk, or deformed in any direction of their own surface, as is demonstrated by the fact that the rolls change over- originally cylindrical face in a flat surface for each film, by simple geometric development.
This is also demonstrated by the great difficulty encountered in this method at the edges of the rollers which limit the width of the product. The edges are a critical point in this method, because the transverse films that form in these places must bend or break in the descent, with the always present danger of the
<Desc / Clms Page number 5>
casting. Many means have been tried without too much success to ensure control of the solidification of the edges of the sheet or of the strip.
In the process of the invention the cross section of the product is substantially reduced in at least dimension from the liquid state to the solid state, in / two crossed transverse directions, by a non-developable transformation of the surfaces. contact of the molds.
Moreover, this reduction is not obtained by driving liquid metal out of a contracting shell: the cross-section is reduced in a homogeneous pasty condition, while the metal becomes more and more viscous and forgeable as it descends. in the rolling mill, until it finally emerges under it with enough consistency to retain its final shape.
The above preliminaries were essential to clearly show the functional principle employed in the process of the invention. Applications are now limited to relatively small cross-sectional shapes having thickness comparable to width. Bars, yards or wire of square, polygonal or round cross-section of less than 12 mm in cross-sectional dimension are typical, with a preference for wire of 1/4 inch (6.35 mm) or less in diameter, which is not is not obtainable by continuous casting of steel according to known methods.
In the method of the invention, the liquid metal is poured in the form of a continuous jet having a minimum free height ensuring it a sufficient falling speed.
This jet hits the center of a small bath of the same molten metal, which is supported by the spherical rollers of a closed or complete rolling mill, preferably of the model.
<Desc / Clms Page number 6>
described in U.S. Patent Application No. 583,887.
The flow rate of this jet is constantly adjusted to compensate for the exit of the solidified product from the bottom of the rolling mill, thus maintaining the liquid bath at a constant level.
Or the jet is simply adjusted by the appropriate choice of a pouring orifice in the furnace or the ladle containing the reserve of liquid metal, while the flow adjustment is made by varying the speed of rotation of the rolling mill rolls .
The essential characteristic of the complete rolling mill is that it compresses the product concentrically and at least in two crossed transverse directions. The apparatus has spherical and toroidal molding surfaces which envelop each other tightly and all aid in the forging of the product from the liquid state to the final shape. solid state.
Physically speaking, the rolls enclose between them a volume limited laterally on all sides, de section decreasing from top to bottom and leaving a narrow lower passage of the shape and size of the desired product. The surfaces limiting this volume therefore form a funnel, but the walls of the latter all move downwards at a uniform speed, without fixed guides or any filling wedges.
Figures 1 to 4 of the drawings appended hereto show a typical arrangement of such a laminate, in which four identical rolls are used for the production of round yarn.
Figure 1 is a horizontal section along the plane designated by line 1-1 in Figure 20
Figure 2 is a vertical along the plane designated by line II-II of Figure 1.
<Desc / Clms Page number 7>
Figures 3 and 4 are, on a larger scale, sections similar to that of Figure 2.
In this example, which is in no way limiting, the diameter of the rollers is 220 mm and that of the wire is 5 mm. Each roll has a convex spherical surface 2 mating with the concave spherical surface 3 of the adjacent roll. At the junction of the convex and concave spherical surfaces of each roll there is an annular groove 4 of suitable shape for the cross section of the product (approximately a quarter of a circle for a round wire). The average speed of rotation of the rollers is 39 revolutions per minute, and the production is about 30 cm of steel wire per second or 18 meters per minute. It is also adjustable within wide limits. The metal is fed from a suitably heated crucible, furnace or ladle 5, for example by means of a high frequency coil 6.
Bottom pouring through a nozzle 7 is preferred over spout pouring because the jet can be quickly adjusted by a slight movement of the refractory plug 8, while the adjustment of the spout pouring involves great drip effects. inertia and too much heat loss by radiation.
The metal in vessel 5 should be completely melted, but not too overheated. the oxidation of the liquid metal will be prevented, either by a slag, or by a neutral or reducing atmosphere. A small burst of town gas is suitable for carbon steels, while nitrogen is preferable for nickel-chromium stainless steels. If slag is used and the bag 5 is filled periodically or continuously, the excess slag should be removed through an upper tap hole 10.
Figure 3 shows the favorable action of the turbu-
<Desc / Clms Page number 8>
the% ce or swirl in the process. The movement indicated by the arrows 11 is clearly visible in practice: if one observes the bath between the rollers, pasty metal seems to emerge continuously from the rollers 1 and to concentrate under the jet 12 in a permanent vortex. This shows an upward movement of the metal against the rollers, despite their downward movement. At a lower level in the rolling mill, however, the metal which has acquired enough consistency to react to the pressure of the rollers must obviously accompany these downwards and finally come out as a wire under the apparatus. This reversal of direction is shown by arrows 13.
An attempt has been made to feed the rollers through a guide tube 14 of heated refractory, as shown in FIG. 4. It was thus sought to avoid the open bath above the rollers and the need to adjust the flow rate of the jet. or the speed of the machine. But no thread could be obtained in this way. As a result of the lack of agitation, a thin stationary film formed on the rollers, allowing the molten metal to flow freely through the central orifice of the rolling mill. After a few moments, the film had grown enough to block this hole and all flow stopped. This clearly proves the need for agitation of the bath to obtain homogeneous cooling by convection much more than by conduction.
The actual contact between the rolls and the hot metal is extremely short in duration, compared to that of other continuous casting methods. In the case of Figure 1 for example, this contact lasts only about 1/6 of a second at each revolution of the rollers and for any point of their active surface. As the rolls are cooled externally by water bath or otherwise,
<Desc / Clms Page number 9>
successive oontaots with molten metal have no cumulative thermal effect, and they remain practically cold even with molten steel. After wetting, each portion of the rolls is dried by a violent current of air before resuming contact with the liquid metal bath, in order to avoid explosions by instantaneous vaporization.
The process of the invention thus overcomes the disintegration of the rolls observed in other continuous casting methods where the contacts are of much longer duration and the thermal cycles much more severe.
The continuous casting operation may be manual or automatic, either using the variable jet and constant rotational speed method, or with a constant or continuously varying jet as the ladle empties, and a variable speed of rotation. It is also possible, by either of these two methods, to maintain a low, medium or high bath, depending on the degree of overheating of the metal. If for example the wire comes out too cold (too dark color), the operator can either reduce the height of the bath or accelerate the machine by increasing the flow of the jet. Either way, it will thus reduce the contact area or time, and hence the cooling in the rolling mill.
These adjustments have the advantage of having an instantaneous effect, while any variation in the temperature of the jet would necessarily be too slow. They can moreover be controlled automatically by known pyrometric or photoelectric devices.
The use of a rolling mill of the type described is indicated by way of example only and is not limiting, other apparatus which can be used for the same purpose.