.Suivant les Conventions Internationales, la priorité des demandes de brevet luxembourgeois déposées les 16.04.1986 - 29.10.1986 et 1.12.1986 respectivement sous les N[deg.] 86.395, 86.640 et 86.693, est revendiquée.
CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES -
CENTRUM VOOR RESEARCH IN DE METALLURGIE,
Association sans but lucratif -
Vereniging zonder winstoogmerk,
à BRUXELLES, (Belgique).
Dispositif et procédé pour la coulée d'un métal en phase pâteuse.
La présente invention concerne un dispositif pour la coulée d'un métal, en particulier de l'acier, en phase pâteuse dans une lingotière de coulée continue, ainsi qu'un procédé de coulée continue faisant application de ce dispositif.
Dans la description qui suit, il sera fait particulièrement référence à l'acier. Il ne s'agit évidemment que d'un exemple destiné à illustrer l'invention, car celle-ci est également applicable à tout métal liquide répondant aux conditions énoncées dans la présente demande de
<EMI ID=1.1>
La coulée continue de l'acier consiste essentiellement à alimenter en acier, en continu, une lingotière de forme appropriée destinée à former un lingot appelé brame, bloom ou billette, selon les dimensions qu'il présente. L'acier commence à se solidifier au contact des parois refroidies de la lingotière, et il est extrait par le bas de celle-ci sous la forme d'un lingot dont la peau est solidifiée sur une certaine épaisseur et dont le coeur encore liquide se solidifie ultérieurement de façon progressive.
L'acier qui est ainsi coulé en continu provient d'un récipient tel qu'une poche de coulée ou, le plus souvent, un panier répartiteur, qui est muni, à sa partie inférieure, d'un dispositif de coulée généralement appelé "busette de coulée". Habituellement, ce dispositif se compose essentiellement d'une brique réfractaire dans laquelle est ménagé le trou de coulée et qui est équipée d'un système approprié de réglage ou d'interruption du jet de coulée.
La coulée continue décrite ci-dessus est connue et mise en oeuvre depuis longtemps.
On connaît également les défauts spécifiques auxquels elle peut donner lieu, tels que divers types de ségrégation, qui sont fortement influencés par la température de coulée de l'acier.
Habituellement, la température de l'acier dans la poche de coulée ou dans le panier répartiteur est assez nettement supérieure à sa température de début de solidification, c'est-à-dire à sa température de liquidus. Cette différence de température, appelée surchauffe, est
<EMI ID=2.1>
35[deg.]C.
Cette surchauffe de l'acier en poche ou en panier répartiteur est soumise à deux conditions contradictoires qui sont également bien connues des spécialistes. D'une part, il est souhaitable d'opérer avec une surchauffe aussi faible que possible, pour diminuer les risques <EMI ID=3.1> d'hétérogénéités liées aux ségrégations lors de la solidification.
D'autre part, une diminution trop importante de la surchauffe entraîne une augmentation de la quantité d'acier perdu sous la-forme de fond de poche ou de panier répartiteur, ainsi qu'une diminution de la vitesse de décantation des inclusions.
On connaît par ailleurs les avantages que présente la coulée de l'acier en phase pâteuse. Cette technique permet d'obtenir des structures fines et homogènes qui réduisent nettement les ségrégations, et en particulier la ségrégation axiale dans les produits coulés. Elle permet également d'augmenter-la vitesse de coulée en réduisant les risques de percées.
Par l'expression "coulée en phase pâteuse" il faut comprendre, au sens de la présente invention, que l'acier contenu dans la poche ou le panier de coulée se trouve à sa température usuelle de surchauffe, et qu'il est refroidi pendant son passage de cette poche ou de ce panier de coulée à la lingotière. Ce refroidissement est tel qu'à son entrée dans la lingotière, l'acier se trouve à une température comprise dans son intervalle de solidification, c'est-à-dire entre ses températures de liquidus et de solidus. Il en résulte que l'acier contient à ce moment une certaine fraction solide constituée de particules solidifiées entraînées par le reste de l'acier, qui est liquide, et que l'acier se trouve alors globalement en phase pâteuse.
L'objectif de la présente invention est de proposer un dispositif particulier permettant de créer des conditions qui conduisent à l'apparition d'une phase pâteuse dans le métal, en particulier dans l'acier, au cours de son trajet entre la poche ou le panier de coulée d'une part et la lingotière de coulée continue d'autre part.
Le dispositif pour la coulée d'un métal en phase pâteuse, qui fait l'objet de la présente invention, qui comprend un récipient de coulée muni d'une busette et une lingotière de coulée continue, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comporte en outre, entre la
<EMI ID=4.1> sortie de ladite busette et l'entrée de ladite lingotière, un canal refroidi, incliné sur l'horizontale, dont l'extrémité amont, par rapport au sens d'écoulement du métal, est raccordée à la sortie de ladite busette et dont l'extrémité aval est pourvue de moyens d'introduction du métal liquide dans ladite lingotière.
Selon l'invention, l'extrémité du canal disposée à la sortie de la busette comprend une portion incurvée qui se raccorde sensiblement tangentiellement à ladite busette.
Selon une réalisation particulière du dispositif de l'invention, lesdits moyens d'introduction consistent en un déversoir disposé à l'extrémité de sortie dudit canal et situé au-dessus de ladite lingotière.
Selon une autre réalisation particulière du dispositif de l'invention, lesdits moyens d'introduction comprennent un conduit substantiellement vertical dont l'extrémité supérieure est raccordée par un coude à l'extrémité aval dudit canal et dont l'extrémité inférieure se termine par un ajutage débouchant dans ladite lingotière de coulée continue.
Toujours selon l'invention, le diamètre de la section de sortie de l'ajutage est inférieur au diamètre de la busette. Cette disposition permet de créer,à la sortie de cet ajutage, une perte de charge qui entraîne le remplissage du conduit vertical par de l'acier liquide.
Corrélativement, ce conduit vertical présente une longueur suffisante pour constituer une colonne d'acier liquide appliquant à la sortie de l'ajutage une pression ferrostatique capable d'assurer à l'ajutage un débit égal au débit de la busette.
En outre, les caractéristiques géométriques desdits moyens d'introduction de l'acier liquide dans la lingotière sont telles que l'acier liquide ne remplit pas entièrement l'espace intérieur dudit canal.
<EMI ID=5.1> Egalement selon l'invention, l'angle d'inclinaison du canal par rapport à l'horizontale est compris entre 5[deg.] et 80[deg.], sa section de sortie étant située à un niveau inférieur à celui de sa section d'entrée.
Cet angle d'inclinaison doit être d'au moins 5[deg.], afin d'éviter que l'acier liquide se fige dans le canal; il ne dépasse cependant pas
80[deg.], de façon à permettre le refroidissement désiré de l'acier.
Au sens de la présente demande, il faut comprendre que le canal incliné sur l'horizontale est de préférence rectiligne et que la lingotière est horizontalement écartée de la busette d'une distance correspondant à la longueur de ce canal. Il ne sortirait cependant pas du cadre de l'invention de donner à ce canal toute autre configuration, par exemple une forme annulaire, permettant de rapprocher la lingotière de la busette et éventuellement de ramener la lingotière sous la busette, en alignement suivant un axe vertical commun. Une telle configuration présenterait l'avantage supplémentaire de réduire l'encombrement transversal du dispositif.
Egalement selon l'invention, le dispositif de coulée comprend des moyens pour introduire un gaz de protection à l'intérieur dudit canal.
En particulier, ces moyens consistent en au moins une ouverture pratiquée au voisinage de l'extrémité aval dudit canal; cette ouverture est raccordée, par des moyens connus en soi, à une source de gaz de protection tel que l'argon.
Le gaz de protection introduit par ladite ouverture assure un balayage de la partie de l'espace intérieur du canal qui n'est pas occupée par l'acier liquide. L'acier liquide se trouve ainsi protégé de tout contact avec l'air ambiant pendant qu'il parcourt le canal et il ne court dès lors pratiquement aucun risque d'oxydation.
Cette disposition offre en plus, selon l'invention, un moyen de réglage du débit d'acier liquide dans le canal, en agissant simplement sur la pression du gaz de protection dans ce canal.
<EMI ID=6.1> Selon une première variante de l'invention, ledit canal est constitué par un conduit tubulaire présentant une section intérieure supérieure à la section de sortie de ladite busette. La section intérieure dudit canal est avantageusement au moins double de la section de sortie de la busette. Cette différence de section permet de réduire les risques de colmatage du canal par du :métal solidifié.
Ce conduit tubulaire peut être un tube d'acier énergiquement refroidi à l'eau. Il doit alors être remplacé fréquemment pour éviter les risques d'explosion en cas de percée du tube et de contact entre l'acier liquide et l'eau de refroidissement. Ce conduit tubulaire peut également être constitué d'un autre matériau, résistant à l'érosion par l'acier liquide, tel qu'un matériau fritté; dans ce cas, le conduit tubulaire est plus coûteux qu'un tube d'acier, mais son remplacement sera moins fréquent.
Selon une deuxième variante de l'invention, ledit canal présente une section ouverte et il est pourvu intérieurement d'un garnissage en matériau réfractaire.
Selon une intéressante mise en oeuvre de cette variante, le canal est pourvu d'une voûte étanche aux gaz équipée de moyens d'introduction et d'évacuation d'un agent gazeux, tel qu'un gaz protecteur.
Cette voûte est destinée à empêcher tout contact de l'acier liquide avec l'air ambiant, et à délimiter, au-dessus de l'acier liquide, un espace dans lequel peut circuler un gaz protecteur tel que l'argon.
Egalement selon l'invention, cette voûte est pourvue extérieurement, sur au moins une partie de sa longueur, de moyens de refroidissement par air, en particulier d'ailettes de refroidissement.
Ces ailettes et, de façon plus générale, ces moyens de refroidissement par air sont avantageusement entourés d'une enveloppe dans laquelle on fait circuler, en particulier entre les ailettes, un courant d'air à débit réglable permettant de faire varier l'intensité dudit refroidissement.
La section transversale du canal peut présenter une forme quelconque sans sortir du cadre de la présente invention.
En particulier, il s'est avéré intéressantque le canal soit constitué de deux parois, de préférence planes, se coupant suivant une arête longitudinale.
Dans cette modalité de l'invention, les parois du canal peuvent avantageusement former un angle compris entre 45[deg.] et 135[deg.], et de préférence voisin de 90[deg.]. Au cas où lesdites parois ne seraient pas planes, cet angle serait celui que formeraient les plans tangents aux parois le long de ladite arête longitudinale.
Le canal est habituellement disposé de telle façon que son plan bissecteur soit vertical; il peut toutefois subir une rotation autour d'un axe parallèle à l'arête longitudinale précitée de façon à faire varier la surface d'acier liquide sujette au refroidissement par rayonnement.
Selon une réalisation particulière de cette variante, ledit canal comporte une paroi longitudinale supplémentaire, sensiblement verticale, disposée à l'intérieur du canal où elle se raccorde au fond et où elle peut être déplacée transversalement de façon à faire varier la section de passage dudit canal.
Grâce à cette paroi mobile, il est possible soit de faire varier la surface d'acier liquide sujette au refroidissement par rayonnement soit de couler l'acier avec des débits différents tout en conservant une même hauteur d'acier liquide dans le canal.
Selon une autre réalisation particulièrement intéressante de cette variante, au moins une région du fond dudit canal est constituée d'un matériau présentant une conductibilité calorifique élevée, ladite région du fond du canal est soumise à un refroidissement intense et le garnissage réfractaire du fond du canal est interrompu dans au moins une partie de ladite région.
�
Selon l'invention, ladite région est avantageusement située à proximité de l'extrémité amont dudit canal.
Egalement selon l'invention, ladite région est constituée par une plaque d'un matériau présentant une conductibilité calorifique élevée, en particulier de cuivre, ladite plaque étant pourvue de moyens de refroidissement à l'eau.
L'interruption du garnissage réfractaire dans ladite région laisse normalement celle-ci sans protection. Il peut néanmoins s'avérer avantageux d'y déposer une fine pellicule d'un matériau réfractaire en
<EMI ID=7.1>
vre en ne réduisant que très faiblement l'efficacité et l'intensité du refroidissement.
Dans le cadre de cette réalisation particulière, la partie de ladite région dans laquelle le garnissage réfractaire est interrompu forme une zone s'étendant de préférence sur toute la largeur du fond du canal.
Il ne sortirait cependant pas du cadre de la présente invention de limiter l'étendue transversale de cette zone à une fraction de la largeur du fond du canal, ou de fractionner cette zone en une pluralité de zones partielles réparties selon la largeur du fond du canal et séparées par des passerelles en matériau réfractaire.
Enfin, le dispositif de l'invention peut comporter des moyens de réglage de l'inclinaison du canal, permettant de tenir compte de facteurs tels que la composition et la température du métal à couler pour assurer l'obtention de la phase pâteuse désirée.
L'objet de l'invention sera mieux compris en se référant à la description ci-dessous de réalisations particulières illustrées par les dessins annexés, dans lesquels la
<EMI ID=8.1> figure 1 représente, en coupe, un dispositif conforme à l'invention comprenant un conduit tubulaire refroidi à l'eau; la figure 2 montre une vue générale d'un canal à section ouverte, conforme à une variante de la présente invention; la figure 3 représente une coupe transversale d'un canal, suivant la figure 2, pourvu d'une voûte de refroidissement par air; la figure 4 illustre une section d'un canal conforme à la variante de la figure 2; la figure 5 illustre une autre section d'un canal conforme à la variante de la figure 2; la figure 6 montre une vue schématique en élévation, en coupe longitudinale, d'un canal conforme à la variante de la figure 2, dans lequel le garnissage réfractaire du fond est interrompu;
et la figure 7 présente divers modes de réalisation de la région refroidie du canal de la figure 6, chaque fois à l'aide d'une vue en plan de cette région et d'une coupe transversale à travers celle-ci, suivant les lignes A-A, B-B et C-C respectivement.
Dans toutes les figures, les éléments identiques sont désignés par les mêmes repères numériques. Les sens de circulation des matières sont indiqués par des flèches. Enfin, les éléments qui ne sont pas essentiels pour la compréhension de l'invention n'ont pas été représentés, afin de ne pas surcharger les dessins.
Dans la figure 1, la poche de coulée 1 contenant l'acier liquide 2 est
<EMI ID=9.1>
sette de type connu, en matériau réfractaire, qui ne fait pas partie de la présente invention. La busette 3 débouche dans un coude 4 ménagé dans une brique réfractaire 5, la busette s'adaptant hermétiquement à l'entrée de ce coude 4. A la sortie du coude 4, la brique réfractaire 5 est raccordée à l'extrémité amont d'un canal 6, légèrement incliné sur l'horizontale, équipé d'un circuit de refroidissement 7. Le canal 6 peut être réalisé en acier; il doit alors être remplacé après chaque <EMI ID=10.1> coulée; il peut également être réalisé en un matériau fritté à base de
(Zr02) et il est alors utilisable pour plusieurs opérations de coulée.
Ce canal 6 présente une section intérieure plus grande que celle de la busette 3, afin de réduire les risques de colmatage du canal 6 par de l'acier solidifié. L'agent de refroidissement, par exemple l'eau ou un brouillard d'eau, pénètre dans ce circuit de préférence à l'extrémité aval du canal 6 et en sort à l'extrémité amont. A l'extrémité aval du canal 6 est adopté un conduit vertical 8, en matériau réfractaire, qui se raccorde au canal 6 par l'intermédiaire d'un coude 9. L'extrémité inférieure du conduit 8 comporte un ajutage 10 dont le diamètre inté-
<EMI ID=11.1>
tical 8 débouche dans la lingotière de coulée continue 11. Les raccordements du canal 6 d'une part avec la brique réfractaire 5 et d'autre part avec le conduit vertical 8 sont, de façon connue en soi, étanches au gaz et à l'acier liquide. Au voisinage de l'extrémité aval du canal 6, il est prévu une ouverture 12 qui, par des moyens connus en soi et non représentés, met l'espace intérieur du canal 6 en communication avec une source d'argon (non représentée).
Ce dispositif fonctionne de la façon suivante : l'acier liquide 2 s'écoule de la poche de coulée 1 à travers la busette 3 puis, successivement, à travers la brique réfractaire 5, le canal 6 et le conduit 8 pour parvenir dans la lingotière 11. Pour faciliter l'écoulement de l'acier liquide, le canal 6 présente une légère inclinaison, par exemple de l'ordre de 5[deg.]. Dans l'exemple illustré, le canal 6 a une longueur L = 800 mm et un diamètre intérieur D = 60 mm, tandis que la bu-
<EMI ID=12.1>
associé à une longueur donnée du conduit vertical 8, permettra d'assurer à l'ajutage un débit d'acier égal au débit de la busette tout en maintenant en permanence dans le canal 6 une couche d'acier ayant une épaisseur d constante, par exemple d = 30 mm. Inversément, si l'on se
<EMI ID=13.1>
quise pour remplir les conditions de débit précitées. On règlera ensuite l'intensité du refroidissement assuré par le circuit 7 pour que l'acier liquide subisse dans ce canal 6 la chute de température <EMI ID=14.1>
désirée à partir de la température, avec surchauffe, qu'il présente à la sortie de la busette 3.
L'intensité du refroidissement peut être modifiée en faisant varier le débit et/ou la température de l'agent de refroidissement, généralement l'eau, qui parcourt le circuit 7.
La stabilisation du niveau d'acier dans le conduit tubulaire peut être assurée grâce au réglage de la pression d'argon. On peut ainsi régler l'importance de la surface d'échange thermique, quelles que soient les pertes de charge dans le circuit.
La figure 2 montre une vue générale d'une installation de coulée continue comprenant un canal à section ouverte. Cette installation se compose d'une poche de coulée 1 équipée d'une busette de coulée 3, d'un dispositif de coulée désigné globalement par 13 et d'une lingotière de coulée continue 11. La poche de coulée 1, la busette 3 et la lingotière 11 sont classiques;el�es ne font pas partie de l'invention et ne seront pas décrites davantage ici. Le dispositif de coulée 13, montré en coupe suivant la ligne I-I de-la figure 3 se compose d'un canal 6, incliné d'un angle d'environ 18[deg.] par rapport à l'horizontale, d'une portion incurvée 4 raccordant la busette 3 à l'entrée du canal 6 et d'une busette immergée 14 débouchant dans la lingotière 11. Le canal incliné 6 est pourvu d'une voûte 15, étanche aux gaz, qui s'étend sur toute sa longueur.
La voûte 15 porte des ailettes de refroidissement 16 qui sont à leur tour entourées d'une enveloppe 17. La voûte 15 est dotée d'une entrée et d'une sortie de gaz protecteur, par exemple d'argon, repérées respectivement 18 et 19, et l'enveloppe 17 présente des orifices 20, respectivement 21, d'entrée, respectivement de sortie de l'air de refroidissement. Les orifices 18 et 19, respectivement 20 et 21, sont reliés à une source d'argon, respectivement d'air, non représentée. La portion 4 est incurvée de façon à se raccorder tangentiellement d'une part à la busette 3 et d'autre part au canal 6. Cette portion incurvée 4 se compose d'une carcasse métallique garnie intérieurement de matériau réfractaire.
Sa courbure est déterminée de manière à éviter des rebonds intempestifs de l'acier dans le canal, lorsqu'il sort de la busette, de façon que le garnissage subisse une érosion minimum sous l'effet de l'écoulement de l'acier liquide.
La busette 14 est constituée, de façon connue en soi, d'une portion de tube en matériau réfractaire destiné à plonger dans l'acier liquide présent dans la lingotière 11.
Dans la figure 3'est représentée une section transversale, suivant la ligne II-II de la figure 2, du dispositif de coulée, montrant la constitution du canal 6 et de la voûte 15.
Le canal 6 se compose d'un chenal métallique en U, comprenant un fond
22 et des parois latérales 22' et garni de matériau réfractaire 23. La voûte 15 est fixée de façon étanche aux gaz au chenal métallique 22; elle porte des ailettes de refroidissement 16 entourées d'une enveloppe 17 fermée.
La figure 4 montre une variante du dispositif de l'invention, dans lequel la section transversale du canal 6 est constituée de deux parois 24, 25 se coupant sous un angle d'environ 90[deg.]. Ce canal peut subir une rotation autour de son arête longitudinale représentée par le point 0, ce qui entraîne une variation de la largeur et par conséquent de l'aire de la surface supérieure de l'acier lquide (figure 4, a et b).
Une autre variante de l'invention est illustrée dans la figure 5. Ici, une paroi longitudinale verticale 26 peut prendre plusieurs positions par déplacement transversal à l'intérieur du canal 6. Cette paroi mobile permet de faire varier, selon les conditions de la coulée, la hauteur h d'acier dans le canal et/ou l'aire de la surface supérieure de l'acier liquide.
Le mode de fonctionnement de ce dispositif se comprend aisément à partir de la description qui vient d'en être faite.
A titre d'exemple, on indiquera qu'avec un dispositif particulièrement simple du type représenté dans les figures 2 et 3, on a pu éliminer une surchauffe de 25[deg.]C lors de la coulée d'acier sous un débit de 5 kg/s, avec un canal présentant une longueur L = 3 m et une largeur 1 = 0,075 m.
Le dispositif de l'invention permet dès lors de couler l'acier avec une surchauffe faible ou nulle sans encourir des pertes de métal inacceptables par solidification dans la poche ou dans le panier répartiteur.
La figure 6 illustre schématiquement une variante particulièrement intéressante du dispositif de l'invention,monté entre une poche de coulée 1 contenant du métal surchauffé et une lingotière de coulée continue
11. Ce dispositif comprend un canal, désigné globalement par le repère numérique 13, qui se compose d'un fond métallique 22 et de parois latérales 22' également métalliques. Le métal utilisé à cet effet est de préférence l'acier. Le fond et les parois du canal sont garnis d'un garnissage réfractaire 23, 23'. Pour ne pas surcharger le dessin, on n'a pas représenté certains éléments déjà décrits, comme la voûte de refroidissement 15 et l'enceinte de protection 18 (voir figure 2 ).
Dans le fond 22 du canal est insérée une plaque 27 d'un matériau présentant une conductibilité calorifique élevée, en particulier de cuivre, qui est soumise à un refroidissement intense. Ce refroidissement est de préférence assuré par un circuit de circulation d'eau, symbolisé par les flèches d'entrée 28 et de sortie 29 de l'eau.
Le garnissage réfractaire 23, 23' est interrompu sur une partie de la surface supérieure de la plaque 27, qui est ainsi exposée directement au contact avec le métal liquide. Comme le montre la figure 7, cette partie découverte de la plaque 27 peut être (a) une zone s'étendant sur toute la largeur du canal, (b) une zone s'étendant sur une
<EMI ID=15.1>
tielles réparties suivant la largeur du canal et séparées par des passerelles en matériau réfractaire.
<EMI ID=16.1>
Le mode de fonctionnement de ce dispositif se comprend aisément en se reportant à la figure 6.
Le métal surchauffé, en particulier l'acier, provenant de la poche de coulée 1, parvient dans la portion amont du canal 13 où il s'écoule sur le garnissage réfractaire 23' sans subir de refroidissement sensible. Il arrive alors sur la partie non revêtue de la plaque de cuivre 27, où il subit un refroidissement intense pendant un temps limité par suite des dimensions relativement faibles de la surface de contact. Les essais montrent que, sur une telle surface de contact très localisée, l'acier perd instantanément sa surchauffe, ce qui entraîne l'apparition de particules solidifiées au sein du courant d'acier liquide. Celui-ci emporte les particules solidifiées, qui ne peuvent donc pas se déposer sur la plaque 27.
Au cours de son écoulement sur le garnissage réfractaire 23, l'acier continue à être refroidi et devient de plus en plus riche en particules solidifiées. Il acquiert ainsi l'état pâteux recherché à l'entrée dans la lingotière
11.
Ce dispositif particulier permet de remplacer l'écoulement unidirectionnel classique de la chaleur, c'est-à-dire l'écoulement suivant l'épaisseur de la plaque de cuivre, par un écoulement bi - ou même tridirectionnel nettement plus efficace.
Lorsque la totalité de la surface supérieure de la plaque refroidie est mise en contact avec un métal liquide, la chaleur ne peut s'écouler que suivant l'épaisseur de la plaque. Par contre, lorsqu'une partie seulement de cette surface est exposée au métal liquide et que le reste de la surface est protégé, notamment par un garnissage réfractaire, l'écoulement de la chaleur dans la plaque se fait à la fois suivant l'épaisseur et parallèlement au plan de la surface. Il en résulte une augmentation de la section de passage offerte au flux de chaleur, et par conséquent une amélioration de l'efficacité du refroidissement.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux réalisations qui viennent d'être décrites et illustrées.
En particulier, il ne sortirait pas du cadre de la présente invention de choisir les dimensions du dispositif de manière telle que l'on utilise en régime une pression d'argon inférieure à la pression atmosphérique, ce qui pourrait permettre un dégazage de l'acier liquide si nécessaire.
On voit que le dispositif de l'invention offre une plus grande souplesse de conduite que les busettes classiques, car il permet une régulation du débit d'acier et une régulation du refroidissement totalement indépendantes.
1
En outre, la sécurité du système est accrue de deux façons. D'une part, la quantité d'acier qui risque d'être mise en présence d'eau en cas de défaillance du système est fortement réduite, car une telle défaillance ne peut se produire que dans le canal 6. Par ailleurs, il est possible de supprimer totalement l'emploi d'eau et de passer à un refroidissement par air, en adaptant de façon appropriée la longueur. et
<EMI ID=17.1> Revendications.
1. Dispositif pour la coulée d'un métal en phase pâteuse, qui comprend un récipient de coulée (1) muni d'une busette (3) et une lingotière de coulée continue (11), caractérisé en ce qu'il comporte, entre la sortie de ladite busette et l'entrée de ladite lingotière, un canal (6) refroidi, incliné sur l'horizontale, dont l'extrémité amont, par rapport au sens d'écoulement du métal, est raccordée à la sortie de la dite busette et dont l'extrémité aval est pourvue de moyens (8) d'introduction du métal liquide dans ladite lingotière.
.Following the International Conventions, the priority of the Luxembourg patent applications filed on 16.04.1986 - 29.10.1986 and 1.12.1986 respectively under N [deg.] 86.395, 86.640 and 86.693, is claimed.
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Device and method for casting a metal in the pasty phase.
The present invention relates to a device for the casting of a metal, in particular steel, in the pasty phase in a continuous casting ingot mold, as well as to a continuous casting process applying this device.
In the description which follows, particular reference will be made to steel. This is obviously only an example intended to illustrate the invention, because it is also applicable to any liquid metal meeting the conditions set out in the present application for
<EMI ID = 1.1>
The continuous casting of steel essentially consists in supplying steel, continuously, an ingot mold of suitable shape intended to form an ingot called slab, bloom or billet, according to the dimensions which it presents. The steel begins to solidify on contact with the cooled walls of the ingot mold, and it is extracted from the bottom of the latter in the form of an ingot the skin of which is solidified to a certain thickness and the core of which is still liquid. solidifies later gradually.
The steel which is thus continuously cast comes from a container such as a ladle or, more often, a distribution basket, which is provided, at its lower part, with a casting device generally called a "nozzle". of casting ". Usually, this device essentially consists of a refractory brick in which the tap hole is formed and which is equipped with an appropriate system for adjusting or interrupting the pouring jet.
The continuous casting described above has been known and implemented for a long time.
Also known are the specific defects to which it can give rise, such as various types of segregation, which are strongly influenced by the casting temperature of the steel.
Usually, the temperature of the steel in the ladle or in the distribution basket is quite clearly higher than its temperature at the start of solidification, that is to say its liquidus temperature. This difference in temperature, called overheating, is
<EMI ID = 2.1>
35 [deg.] C.
This overheating of the steel in a pocket or in a distribution basket is subject to two contradictory conditions which are also well known to specialists. On the one hand, it is desirable to operate with as little overheating as possible, in order to reduce the risks <EMI ID = 3.1> of heterogeneities linked to segregation during solidification.
On the other hand, too large a reduction in overheating leads to an increase in the quantity of steel lost in the form of a pocket bottom or a distributing basket, as well as a reduction in the settling speed of the inclusions.
We also know the advantages of casting steel in the pasty phase. This technique makes it possible to obtain fine and homogeneous structures which clearly reduce the segregations, and in particular the axial segregation in the cast products. It also increases the speed of casting by reducing the risk of breakthroughs.
By the expression "casting in the pasty phase" it is to be understood, within the meaning of the present invention, that the steel contained in the ladle or the tundish is at its usual temperature of overheating, and that it is cooled during its passage from this pocket or from this tundish to the mold. This cooling is such that upon entering the mold, the steel is at a temperature within its solidification interval, that is to say between its liquidus and solidus temperatures. It follows that the steel contains at this time a certain solid fraction consisting of solidified particles entrained by the rest of the steel, which is liquid, and that the steel is then generally in the pasty phase.
The objective of the present invention is to propose a particular device making it possible to create conditions which lead to the appearance of a pasty phase in the metal, in particular in the steel, during its path between the pocket or the tundish on the one hand and the casting mold continues on the other.
The device for the casting of a metal in the pasty phase, which is the subject of the present invention, which comprises a casting container provided with a nozzle and a continuous casting ingot mold, is essentially characterized in that it comprises furthermore between the
<EMI ID = 4.1> outlet of said nozzle and inlet of said ingot mold, a cooled channel, inclined on the horizontal, the upstream end of which, relative to the direction of flow of the metal, is connected to the outlet of said nozzle and the downstream end of which is provided with means for introducing the liquid metal into said ingot mold.
According to the invention, the end of the channel disposed at the outlet of the nozzle comprises a curved portion which is connected substantially tangentially to said nozzle.
According to a particular embodiment of the device of the invention, said introduction means consist of a weir disposed at the outlet end of said channel and located above said ingot mold.
According to another particular embodiment of the device of the invention, said introduction means comprise a substantially vertical duct whose upper end is connected by a bend to the downstream end of said channel and whose lower end ends in a nozzle opening into said mold for continuous casting.
Still according to the invention, the diameter of the outlet section of the nozzle is less than the diameter of the nozzle. This arrangement makes it possible to create, at the outlet of this nozzle, a pressure drop which causes the vertical duct to be filled with liquid steel.
Correlatively, this vertical duct has a length sufficient to constitute a column of liquid steel applying at the outlet of the nozzle a ferrostatic pressure capable of ensuring at the nozzle a flow rate equal to the flow rate of the nozzle.
In addition, the geometric characteristics of said means for introducing the liquid steel into the ingot mold are such that the liquid steel does not entirely fill the interior space of the said channel.
<EMI ID = 5.1> Also according to the invention, the angle of inclination of the channel with respect to the horizontal is between 5 [deg.] And 80 [deg.], Its outlet section being located at a level lower than that of its input section.
This angle of inclination must be at least 5 [deg.], In order to prevent the liquid steel from freezing in the channel; however, it does not exceed
80 [deg.], So as to allow the desired cooling of the steel.
Within the meaning of the present application, it should be understood that the channel inclined to the horizontal is preferably rectilinear and that the mold is horizontally spaced from the nozzle by a distance corresponding to the length of this channel. It would not, however, depart from the scope of the invention to give this channel any other configuration, for example an annular shape, allowing the ingot mold to be brought closer to the nozzle and possibly to bring the ingot mold under the nozzle, in alignment along a vertical axis. common. Such a configuration would have the additional advantage of reducing the transverse size of the device.
Also according to the invention, the casting device comprises means for introducing a protective gas inside said channel.
In particular, these means consist of at least one opening made in the vicinity of the downstream end of said channel; this opening is connected, by means known per se, to a source of protective gas such as argon.
The shielding gas introduced through said opening sweeps the part of the interior of the channel which is not occupied by the liquid steel. Liquid steel is thus protected from contact with ambient air as it travels through the channel and there is therefore practically no risk of oxidation.
This arrangement also offers, according to the invention, a means of adjusting the flow of liquid steel in the channel, by simply acting on the pressure of the shielding gas in this channel.
<EMI ID = 6.1> According to a first variant of the invention, said channel consists of a tubular conduit having an inner section greater than the outlet section of said nozzle. The inner section of said channel is advantageously at least double the outlet section of the nozzle. This difference in section makes it possible to reduce the risks of clogging of the channel by: solidified metal.
This tubular conduit can be a steel tube energetically cooled with water. It must then be replaced frequently to avoid the risk of explosion in the event of the tube breaking through and contact between the liquid steel and the cooling water. This tubular conduit can also be made of another material, resistant to erosion by liquid steel, such as a sintered material; in this case, the tubular conduit is more expensive than a steel tube, but its replacement will be less frequent.
According to a second variant of the invention, said channel has an open section and it is provided internally with a lining of refractory material.
According to an advantageous implementation of this variant, the channel is provided with a gas-tight vault equipped with means for introducing and discharging a gaseous agent, such as a protective gas.
This vault is intended to prevent any contact of the liquid steel with the ambient air, and to delimit, above the liquid steel, a space in which a protective gas such as argon can circulate.
Also according to the invention, this vault is provided externally, over at least part of its length, with air cooling means, in particular cooling fins.
These fins and, more generally, these air cooling means are advantageously surrounded by an envelope in which is circulated, in particular between the fins, an air current with adjustable flow rate making it possible to vary the intensity of said cooling.
The cross section of the channel can have any shape without departing from the scope of the present invention.
In particular, it has been found to be advantageous for the channel to consist of two walls, preferably planar, intersecting along a longitudinal edge.
In this embodiment of the invention, the walls of the channel can advantageously form an angle between 45 [deg.] And 135 [deg.], And preferably close to 90 [deg.]. In the case where said walls are not planar, this angle would be that which the planes tangent to the walls would form along said longitudinal edge.
The channel is usually arranged so that its bisector plane is vertical; it can however be rotated about an axis parallel to the aforementioned longitudinal edge so as to vary the surface of liquid steel subject to cooling by radiation.
According to a particular embodiment of this variant, said channel has an additional longitudinal wall, substantially vertical, disposed inside the channel where it is connected to the bottom and where it can be moved transversely so as to vary the passage section of said channel. .
Thanks to this movable wall, it is possible either to vary the surface of liquid steel subject to radiation cooling or to cast the steel with different flow rates while retaining the same height of liquid steel in the channel.
According to another particularly interesting embodiment of this variant, at least one region of the bottom of said channel is made of a material having a high heat conductivity, said region of the bottom of the channel is subjected to intense cooling and the refractory lining of the bottom of the channel is interrupted in at least part of said region.
�
According to the invention, said region is advantageously located near the upstream end of said channel.
Also according to the invention, said region consists of a plate of a material having a high heat conductivity, in particular of copper, said plate being provided with water cooling means.
The interruption of the refractory lining in said region normally leaves it without protection. However, it may be advantageous to deposit a thin film of refractory material therein.
<EMI ID = 7.1>
vre by reducing only very slightly the efficiency and intensity of cooling.
In the context of this particular embodiment, the part of said region in which the refractory lining is interrupted forms a zone preferably extending over the entire width of the bottom of the channel.
It would not, however, depart from the scope of the present invention to limit the transverse extent of this zone to a fraction of the width of the bottom of the channel, or to split this zone into a plurality of partial zones distributed along the width of the bottom of the channel. and separated by walkways of refractory material.
Finally, the device of the invention may include means for adjusting the inclination of the channel, making it possible to take account of factors such as the composition and the temperature of the metal to be cast in order to obtain the desired pasty phase.
The object of the invention will be better understood by referring to the description below of particular embodiments illustrated by the accompanying drawings, in which the
<EMI ID = 8.1> Figure 1 shows, in section, a device according to the invention comprising a tubular conduit cooled with water; Figure 2 shows a general view of an open section channel, according to a variant of the present invention; FIG. 3 represents a cross section of a channel, according to FIG. 2, provided with an air cooling vault; Figure 4 illustrates a section of a channel according to the variant of Figure 2; Figure 5 illustrates another section of a channel according to the variant of Figure 2; Figure 6 shows a schematic elevational view, in longitudinal section, of a channel according to the variant of Figure 2, in which the refractory lining of the bottom is interrupted;
and FIG. 7 shows various embodiments of the cooled region of the channel of FIG. 6, each time using a plan view of this region and of a cross section through it, along the lines AA, BB and CC respectively.
In all the figures, identical elements are designated by the same reference numerals. The directions of flow of materials are indicated by arrows. Finally, elements which are not essential for understanding the invention have not been shown, so as not to overload the drawings.
In FIG. 1, the ladle 1 containing the liquid steel 2 is
<EMI ID = 9.1>
sette of known type, made of refractory material, which is not part of the present invention. The nozzle 3 opens into an elbow 4 formed in a refractory brick 5, the nozzle fitting tightly to the inlet of this elbow 4. At the outlet of the elbow 4, the refractory brick 5 is connected to the upstream end of a channel 6, slightly inclined on the horizontal, equipped with a cooling circuit 7. The channel 6 can be made of steel; it must then be replaced after each <EMI ID = 10.1> pouring; it can also be made of a sintered material based on
(Zr02) and it can then be used for several casting operations.
This channel 6 has a larger internal section than that of the nozzle 3, in order to reduce the risks of clogging of the channel 6 with solidified steel. The cooling agent, for example water or a water mist, preferably enters this circuit at the downstream end of the channel 6 and leaves it at the upstream end. At the downstream end of the channel 6 is adopted a vertical conduit 8, made of refractory material, which is connected to the channel 6 by means of an elbow 9. The lower end of the conduit 8 comprises a nozzle 10 whose internal diameter -
<EMI ID = 11.1>
tical 8 opens into the continuous casting mold 11. The connections of the channel 6 on the one hand with the refractory brick 5 and on the other hand with the vertical duct 8 are, in a manner known per se, gas-tight and liquid steel. In the vicinity of the downstream end of the channel 6, an opening 12 is provided which, by means known per se and not shown, places the interior space of the channel 6 in communication with a source of argon (not shown).
This device works in the following way: the liquid steel 2 flows from the ladle 1 through the nozzle 3 then, successively, through the refractory brick 5, the channel 6 and the conduit 8 to reach the ingot mold 11. To facilitate the flow of liquid steel, the channel 6 has a slight inclination, for example of the order of 5 [deg.]. In the example illustrated, the channel 6 has a length L = 800 mm and an internal diameter D = 60 mm, while the bu-
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associated with a given length of the vertical duct 8, will ensure the nozzle a steel flow equal to the flow of the nozzle while permanently maintaining in the channel 6 a steel layer having a constant thickness d, by example d = 30 mm. Conversely, if we
<EMI ID = 13.1>
quise to fulfill the aforementioned debit conditions. The intensity of the cooling provided by circuit 7 will then be adjusted so that the liquid steel undergoes in this channel 6 the temperature drop <EMI ID = 14.1>
desired from the temperature, with overheating, which it presents at the outlet of the nozzle 3.
The intensity of the cooling can be modified by varying the flow rate and / or the temperature of the cooling agent, generally the water, which flows through the circuit 7.
Stabilization of the steel level in the tubular conduit can be ensured by adjusting the argon pressure. It is thus possible to adjust the size of the heat exchange surface, whatever the pressure drops in the circuit.
Figure 2 shows a general view of a continuous casting installation comprising an open section channel. This installation consists of a ladle 1 fitted with a pouring nozzle 3, a pouring device generally designated by 13 and a continuous casting mold 11. The ladle 1, the nozzle 3 and the ingot mold 11 are conventional; they are not part of the invention and will not be described further here. The casting device 13, shown in section along line II of FIG. 3, consists of a channel 6, inclined at an angle of about 18 [deg.] Relative to the horizontal, of a portion curved 4 connecting the nozzle 3 to the inlet of the channel 6 and a submerged nozzle 14 opening into the ingot mold 11. The inclined channel 6 is provided with a vault 15, gas tight, which extends over its entire length .
The vault 15 carries cooling fins 16 which are in turn surrounded by an envelope 17. The vault 15 has an inlet and an outlet for protective gas, for example argon, identified respectively 18 and 19 , and the casing 17 has orifices 20, respectively 21, for the inlet and outlet of the cooling air, respectively. The orifices 18 and 19, respectively 20 and 21, are connected to a source of argon, respectively of air, not shown. The portion 4 is curved so as to be connected tangentially on the one hand to the nozzle 3 and on the other hand to the channel 6. This curved portion 4 consists of a metal carcass internally lined with refractory material.
Its curvature is determined so as to avoid untimely rebounds of the steel in the channel, when it leaves the nozzle, so that the lining undergoes minimum erosion under the effect of the flow of liquid steel.
The nozzle 14 consists, in a manner known per se, of a portion of tube of refractory material intended to immerse in the liquid steel present in the ingot mold 11.
In FIG. 3 is shown a cross section, along line II-II of FIG. 2, of the casting device, showing the constitution of the channel 6 and of the arch 15.
Channel 6 consists of a metal U-shaped channel, including a bottom
22 and side walls 22 'and lined with refractory material 23. The roof 15 is fixed in a gas-tight manner to the metal channel 22; it carries cooling fins 16 surrounded by a closed envelope 17.
Figure 4 shows a variant of the device of the invention, in which the cross section of the channel 6 consists of two walls 24, 25 intersecting at an angle of about 90 [deg.]. This channel can undergo a rotation around its longitudinal edge represented by the point 0, which causes a variation of the width and consequently of the area of the upper surface of the liquid steel (Figure 4, a and b).
Another variant of the invention is illustrated in FIG. 5. Here, a vertical longitudinal wall 26 can take several positions by transverse displacement inside the channel 6. This movable wall makes it possible to vary, according to the conditions of the casting. , the height h of steel in the channel and / or the surface area of the upper surface of the liquid steel.
The mode of operation of this device is easily understood from the description which has just been made.
By way of example, it will be indicated that with a particularly simple device of the type represented in FIGS. 2 and 3, it was possible to eliminate an overheating of 25 [deg.] C during the casting of steel under a flow rate of 5 kg / s, with a channel having a length L = 3 m and a width 1 = 0.075 m.
The device of the invention therefore makes it possible to flow the steel with little or no overheating without incurring unacceptable losses of metal by solidification in the pocket or in the distribution basket.
FIG. 6 schematically illustrates a particularly interesting variant of the device of the invention, mounted between a ladle 1 containing superheated metal and a continuous casting mold
11. This device comprises a channel, generally designated by the reference numeral 13, which consists of a metal bottom 22 and side walls 22 ′, also metallic. The metal used for this purpose is preferably steel. The bottom and the walls of the channel are lined with a refractory lining 23, 23 ′. In order not to overload the drawing, we have not shown certain elements already described, such as the cooling vault 15 and the protective enclosure 18 (see FIG. 2).
In the bottom 22 of the channel is inserted a plate 27 of a material having a high heat conductivity, in particular copper, which is subjected to intense cooling. This cooling is preferably provided by a water circulation circuit, symbolized by the arrows 28 for entering and leaving 29 water.
The refractory lining 23, 23 ′ is interrupted on a part of the upper surface of the plate 27, which is thus exposed directly to contact with the liquid metal. As shown in FIG. 7, this uncovered part of the plate 27 can be (a) an area extending over the entire width of the channel, (b) an area extending over a
<EMI ID = 15.1>
tials distributed along the width of the channel and separated by walkways of refractory material.
<EMI ID = 16.1>
The mode of operation of this device is easily understood by referring to FIG. 6.
The superheated metal, in particular steel, coming from the ladle 1, reaches the upstream portion of the channel 13 where it flows over the refractory lining 23 ′ without undergoing significant cooling. It then arrives on the uncoated part of the copper plate 27, where it undergoes intense cooling for a limited time due to the relatively small dimensions of the contact surface. The tests show that, on such a very localized contact surface, the steel instantly loses its overheating, which causes the appearance of solidified particles within the stream of liquid steel. This takes away the solidified particles, which therefore cannot be deposited on the plate 27.
During its flow over the refractory lining 23, the steel continues to be cooled and becomes increasingly rich in solidified particles. It thus acquires the pasty state sought upon entry into the mold
11.
This particular device makes it possible to replace the conventional unidirectional flow of heat, that is to say the flow along the thickness of the copper plate, by a bi- or even three-way flow which is clearly more efficient.
When the entire upper surface of the cooled plate is brought into contact with a liquid metal, the heat can only flow according to the thickness of the plate. On the other hand, when only a part of this surface is exposed to liquid metal and the rest of the surface is protected, in particular by a refractory lining, the flow of heat in the plate takes place at once according to the thickness and parallel to the plane of the surface. This results in an increase in the cross-section offered to the heat flow, and therefore an improvement in the cooling efficiency.
It goes without saying that the invention is not limited to the embodiments which have just been described and illustrated.
In particular, it would not be departing from the scope of the present invention to choose the dimensions of the device in such a way that an argon pressure below atmospheric pressure is used in operation, which could allow degassing of the steel. liquid if necessary.
It can be seen that the device of the invention offers greater driving flexibility than conventional nozzles, since it allows regulation of the steel flow rate and totally independent cooling regulation.
1
In addition, system security is increased in two ways. On the one hand, the quantity of steel which risks being brought into contact with water in the event of a system failure is greatly reduced, since such a failure can only occur in channel 6. Furthermore, it is it is possible to completely eliminate the use of water and to switch to air cooling, by adapting the length appropriately. and
<EMI ID = 17.1> Claims.
1. Device for the casting of a metal in the pasty phase, which comprises a casting container (1) provided with a nozzle (3) and a continuous casting mold (11), characterized in that it comprises, between the outlet of said nozzle and the inlet of said mold, a cooled channel (6) inclined to the horizontal, the upstream end of which, relative to the direction of flow of the metal, is connected to the outlet of said nozzle and the downstream end of which is provided with means (8) for introducing the liquid metal into said ingot mold.