CA1246318A - Lingotiere vibrante de coulee continue des metaux - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une lingotière vibrante de coulée continue des métaux, notamment de l'acier, comprenant au moins un transducteur ultrasonore monté sur le bord d'une extrémité de l'élément tubulaire interne de la lingotière, dans le prolongement de cet élément, et orienté pour transmettre audit élément les vibrations ultrasonores qu'il génère selon une direct tion longitudinale, parallèle, ou sensiblement parallèle, à l'axe de coulée dans la lingotière. L'invention, en réduisant les frottements entre le métal coulé et la paroi intérieure de la lingotière, favorise la lubrification et améliore la qualité de surface des produits coulés tout en réduisant les risques de percées. Application aux installations de coulée continue verticale, inclinée, courbe et horizontale.

Description

LINGOTIERE VIBRANTE DE COULEE CONTINUE DES METAI~X

La présente invention a trait à la mise en vibration par ul.trasons de l'él.ément tubulaire interne d'une lingotit`?re de coulée continue.
On rappel.l.e que l'él.ément tubul.aire interne est une pièce en cuivre, ou alliage de cuivre, usi.née d'un bl.oc ou constituée de quatre plaques assemblées définissant un passage pour le produit couJ.é et, qui est énergiquement refroidie, généralernent par circula-tion d'eau, afin de provoquer une solidification péri~
phérique du métal coulé.
L'un des problèmes majeurs rencontrés dans J.a coulée con-tinue des métaux, notamment de l'acler, que ceJ.le-ci soit du type vertical, courbe ou hori-zontal, est ce].ui de l'accrochage, sur ].a surface internt? de l'élémen-t tubulaire, de la croute solidifiée résultant du refroidissemt?nt périphérique de la barre coulée. Du fait de ces accrochages, il peut se pro-duire, lors de ].a progression de la barre dans la lingotitre, des déchirements de la croute solidifiée qui sont à l'origine de percées et de défauts de sur-face sur les produits obtenus.
D'après la littérature (BE-A-886 924 de NSC, FR-A-2471 821 de NKK et JP-A-86432/79), il es-t connu de réduire les frottements, et donc de favoriser la lubrification entre le métal coulé et la paroi interne de la lingotière, en appliquant à celle-ci, au moyen de transducteurs fixés latéralement sur l'élément tubu-laire interne, des vibrations ultrasonores selon une direction perpendicu]aire à la surface de l'élément, i.e. perpendiculaire à l'axe de coulée. On parviendrait de cette façon à limiter les risques de percées et à améliorer la qualité de surface des produi-ts couJés.
Cependant, on est en droit de penser que cette technique connue présente certains inconvénients majeurs : sous l'effet de telles vibrations, la paroi )'~

~2~i3~.~

de l'é~ément tubu].aire subit des déformations vers l'intérieur de la ].ingotiere, déformations dont l'amplitude n'att:eint un maximum qu'au voisinage de l'endroit où le transduc-teur ultrasonore est applique con-tre ladite paroi. Il n'en resulte qu'une reduction globale limitee des forces de frottement, generalement de l'ordre de 50 %, sauf à mul.tiplier le nombre de transducteurs, comme le propose d'ailleurs le documen-t FR-A-2471 821 precite.
Par ail]eurs, la masse importante d'acier liquide presente dans la lingotière tend par son inex-tie à s'opposer aux vibrations transmises à la paroi.
Il. est necessaire, pour pallier cet effet, de surépaissir cette dernière et, partant, de faire appel à des lingotières lourdes et onéreuses et au surpl.us complexes en raison du mode de refroidissement par canaux internes indispensables pour ce type de lingo-tières.
On connait également, par le document GB-A-2108 873 (BSC) une technique de mise en oscilla-tion longitudinale d'une lingotière de coulée continue venant reposer à cet effet sur des oscillateurs fixés au bâti de la machine de coulée. Dans cette technique, c'est donc l'ensemble de la lingotière qui est mis en oscillation et non pas uniquement l'élément tubu-laire interne, de sorte qu'on ne peut raisonnablement envisager de mettre en oscillation à fréquence ultra-sonore une telle masse de plusieurs tonnes, voire de plus de dix tonnes dans le cas de la coulée de produits à large section tels que les brames.
La présente invention a pour but de proposer une solution à une mise en vibration ultrasonore d'une lingotière de coulée continue qui pallie les inconvé-nients des solutions connues.
A cet effet, I'invention a pour objet une lingotière vibrante de coulée continue des metaux, du type comprenant au moins un transducteur ultrasonore L63~L~

app].ique contre ].'e.l.ement tubul.aire interne de la ].ingotière au contact du metal cou].e, caracterisee en ce que ce transducteur es-t monte sur ].e bord d'une extremite dudit élément tubu].aire dans le prolongement de celui-ci, et orien-té pour transmettre audit élément tubu].aire les vibrations u].trasonores qu'il génere selon une direction longitudinale paral.].èle, ou sensiblement parallele, à l'axe de cou].ée dans l.a lingotière.
On comprend que, conformémen-t à J.'invention, la direction de transmission des vibrations à la paroi de la lingotière est telle que la masse de produit liquide coulé présente dans la ].ingotière n'a pas d'effet d'amortissement sur ].es vibrations transmises.
Il n'est donc nullement nécessaire, comme dans le pro-cédé antérieurement connu rappelé ci-dessus, de sur-épaissir la paroi pour conserver les conditions de résonance dans cette paroi. La lingotière peut donc sans inconvénient être réalisée de manière classique, c'est-à-dire présentex une paroi de faible épaisseur refroidie au moyen d'un fluide de refroidissement circulant dans un espace annulaire entourant la face externe de ].adite paroi. En d'autres termes, le pro-cédé selon l'invention peut être appliqué aux lingo-tières existantes sans que celles-ci ne nécessitent une adaptation particulière.
En outre, conformément à l'invention qui assure une vibration longitudinale de la paroi, le rendement vibratoire peut être optimal, ce qui consti-tue un autre avantage par rapport aux procedes connus dans lesquels les vibrations sont transmises perpendi-cu].airement à l'axe de coulée.
Il est à noter par ailleurs que les vibra-tions ultrasonores mises en oeuvre selon l'invention seront avantageusement des ultrasons de puisance dont la frequence est de préférence supérieure ou égale à 16 k~z et par exemple comprise entre l.6 et 60 kHz, D, pour eviter une nuisance sonore trop :importan-te.
Le generateur de vibra-tions ultrasonores peut être de differents types. Il peut par exemp]e e-tre constitue par un transduc-teur magnetos-trictif.
On prefere neamoins les transducteurs piezoe].ectriques dont les rendements de conversion électrique-mécanique peuvent atteindre 95 %.
Dans le cas de l utilisation d un transduc-teur piézoélectrique unique comprenant, de maniere connue en soi, des plaquettes en matériau piézoélec-trique (tel qu une céramique piézoélectrique), main-tenue entre une masse métallique émettrice et une masse métallique d équilibre, l une de ces masses est avantageusement formée par la lingotière elle-meme, llune des plaquettes venant en appui sur le bord d une extrémité de la lingotière. Cette disposition parti-culière présente en effet l avantage de supprimer les problèmes inhérents au couplage entre le transducteur et la pièce à laquelle on désire transmettre des vibra-tions, couplage qui doit nécessairement être très rigide quand ces vibrations sont de forte intensité, comme c est le cas des ultrasons de puissance.
Suivant un mode de réalisation de la lingo-tière a transducteur unique selon l invention, les plaquettes en matériau piézoélectrique présentent sensiblement la même forme que la section droite de la lingotière. Une lingotière particulièrement rigide et compacte peut ainsi être obtenue quand lesdites plaquettes présentent les memes dimensions que ladite section et quand la masse métallique émettrice présente également une section transversale possédant la forme et les dimensions de la section de la lingotière.
Par ailleurs, pour réaliser les conditions optimales de résonance de la lingotière, dont la paroi constitue l une des masses métalliques du transducteur piezoelectrique, on choisit les dimensions des masses metalliques de facon que la distance D, séparant ~L2~63~

l'ex-tremite libre de la masse emettrice de ]'extremite libre de la masse d'equi].ibre, soit telle que l'on ait D = k ~2 où k est un nombre entier et~ la longueur d'onde des vibra-tions ultrasonores générées par le transduc-teur.
On notera enfin que pour atteindre une fiabi-lite optimale de la lingotière se].on l'inven-tion, comprenant un transducteur à deux p].aquettes super-posées en materiau piezoelectrique, on cherchera à
faire colncider de p].an de ]oint des deux plaque-ttes avec un plan nodal des ondes u].-trasonores générées.
Ceci revient en pratique à choisir ].es dimensions de la masse méta].].ique émettrice pour que la distance D', séparant l'extrémité libre de cette masse du plan de joint des deux plaquettes, soit tel].e que l'on ait D' = A4 + n2A où n' est égal à zéro ou à un nombre entier et ~représente la longueur d'onde des vibrations ultrasonores générées par le -transducteur.
Un mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel :
- la figure I est une representation schéma-tique en perspective, vu du dessus d'un élément tubu-laire interne d'une lingotière de coulée continue d'acier de type vertical selon l'invention ;
- la figure 2 est une coupe médiane longi-tudinale simplifiée à plus grande éche].le de la lingo-tière selon la figure 1 en.fonctionnement ;
- la figure 3 est une vue agrandie et plus détaillée de l'extrémité supérieure de la lingotière selon la figure 2.
La lingotière de coulée continue représentée sur les figures est classiquement constituee par un élément tubulaire 14 en cuivre ou a].liage de cuivre definissant un passage pour le produit coulé 19 et entouré à distance par une chemise 5. La chemise 5 et l'élément 14 définissent entre eux un espace de `i ~

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circulation d'un fluide de refroidissement (générale-ment de l'eau), et re:lié à l'extérieur par deux con~
duites 6 et 7 respectivement d'arrivée et de sortie de l'eau. Le role de cette circulation d'eau est d'extraire, au travers de la paroi de l'élément 14, un flux de chaleur du métal coulé 19 suffisant pour provoquer la formation d'une croute solidifiée péri-phérique 18 maintenant le coeur encore liquide à la sortie de la lingotière lorsqu'on extrait le produit dans l.e s~ns indiqué par :La flèche portée par l'axe de coulée A. L'alimentation de la lingotière en métal liquide à son extrémité opposée à celle de l'extraction du produit n'a pas été représen-tée pour ne pas sur-charger inutilement les figures.
Dans J'exemple considéré, l'élément tubulaire 14 est formé de quatre plaques assemblées 1 à 4 défi-nissant les quatre parois latérales internes d'une lingotière pour la coulée de produits de section droite rectangulaire.
Un transducteur 8 de vibrations ultrasonoxes est monté sur le bord 20 de l'extrémité supérieure de l'éJ.ément tubulaire 14. Il s'agit ici d'un trans-ducteur piézoéJ.ectrique de principe parfaitement connu en soi. Il comprend, dans le mode de réalisation represente, une plaquette supérieure 9 et une plaquette inférieure 1.0, toutes deux en matériau piézoélectrique, par exemple en céramique piézoélectrique telle que du titanozirconate de plomb. Ces deux plaquettes sont serrées face contre face avec interposition d'une feuille conductrice 11, entre une première masse metallique superieure 12, dite "masse émettrice", et une seconde masse métallique inférieure, constituée dans le cas present, par l'elément tubulaire interne 1.4 lui-même. Comme cela est clairement montré par les figures, les plaquettes 9, 10 et la masse métallique 12 s'étendent sur .tout le pourtour du bord supérieur 20 de l'élément 14. Ces plaquet-tes 9, 10 , /

~2~63~3 ~ 7 présentent l.a forme et les dimensions de ce bord et la masse metal.lique l2 présente une sec-tion dont l.a forme et les dimensions correspondent à cell.es de l'élément 14 J.es faces latérales de ce-tte masse 12 étant ainsi dans le prolongement des faces latérales de l.'élémen-t 14.
Par ailleurs l'empil.age formé par l.a masse métallique supérieure 1.2 La plaquette supérieure 9 la feuille conduc-trice 1.1/ la plaquette inférieure et l'élément tubulaire 14 est main-tenu assemblé
au moyen de tiges de serrage l3 traversant de part en part la masse métall.ique 12 les plaquettes 9 10 et la feuille conductrice 1l et venant en prise par leur extrémité dans l'épaisseur de la paroi de l.'élé-ment 14.
L'ensemble ainsi décrit est complété par des bagues 15 isolant les tiges de serrage 13 des plaquettes 9 ].0 et de la feuille conductrice ll et par des contacts électriques 16 17 solidarisés respectivement à la feuille conductrice ll et à la masse métallique supérieure 12 et reliés à une source de courant alternatif (non représenté).
D'autre pàrt en vue de réaliser les condi-tions de résonance au sein de l'él.ément 14 les dimen-sions de la masse métallique supérieure 12 et de cet élément 14 sont choisies pour que la distance D sepa-rant l'extrémité supérieure de l.a masse métall.ique 12 de l'extrémité inférieure de l'élément 14 soit égale à un nombre entier de fois la demi-longueur d'onde des vibrations émises par le transducteur 8.
La hauteur de la masse métallique 12 est en outre choisie pour que la distance D' séparant l'extrémité supérieure de cette masse I2 du plan médian de la feuille ll soit égale à A4 (modulo ~2)' ~ étant la longueur d'onde des vibrations émises par le trans-ducteur 8.
Compte tenu de la position relative de la ~ .

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masse méta~.1ique supérieure 1.2 et de l'élém~nt tubu-laire interne 14 de la lingotiere, .1.es vibrations émises par l.e transducteur 8 sont transmises vertica-lement audit élémen-t, c'est-à-dire dans la direction de l'axe de coulée symbolisé en A sur la figure 2, ces vibrations se propageant ensuite ver-ticalement au sein de cette paroi qui vibre alors dans la direc-tion longitudinale de la lingo-tière. Ce-tte vibration produit une réduction des forces de frottement à l'in-terface de J.'élément en cuivre 14 e-t de J.a croûte solidifiée 18 entourant le coeur encore liquide l9 du métal coulé, ce qui a pour effet de diminuer de manière très sensible les risques d'accrochage ou de collage de ladite croûte à la surface interne de l'élément l4.
On observera que l'invention peut avanta-geusement se combiner avec la pratique habituelle de lubrifica-tion par huile ou par poudre de couverture, de même qu'avec la pratique habituelle de mise en oscillation mécanique longitudinale de l'ensemble de la lingotière.
Il est à noter que ].'invention s'applique, non seulement aux lingotières à plaques assemblées, telles que considérées dans ].'exemple précédent, et généralement utilisées pour la coulée de brames ou de gros blooms, mais également aux lingotières pourvues d'un élément tubulaire interne monolithique usiné, généralement retenu pour la coulée des billettes ou des blooms, ronds, carrés, rectangulaires ou autres.
; En outre, on prendra soin, pour des raisons évidentes de tenue en fatigue, d'assembler l'élément tubulaire interne au reste du corps de la lingotière en des points de fixation qui se situent dans des plans nodaux de l'onde ultrasonore.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, le transduc-teur comporte deux plaquettes céramique, mais la présente invention peut également être mise en oeuvre avec un empilage de plus de deux plaquettes céramique ,,~,, .

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g superposéPs, par exemple ~, 6, 8... (toujours en nombre pair) ; ceci permet, si on le souhaite, d'augmenter la puissance de :L'onde ul-trasonore.
La céramique constituant les plaquettes du transducteur n'est pas limitée au titanoæirconate de plomb, mais d'autres matériaux peuvent convenir à
l,'usage recherché, dans la mesure où ils présentent une bonne résistance mécanique leur assurant une tenue satisfaisante aux champs électriques é,l,evés. A -toutes fins utiles, on précisera encore que les céramiques du type titanozirconate de plomb sont disponibles dans le commerce, en France, auprès de ],'Importateur "Quartz et Silice S.~.", sous la référence P 762.
Par ail,leurs, l'invention s'accommode par-faitement avec un brassage du métal liquide en lingo-tière, par exemple à l'aide d'un champ magnétique tour-nant autour de l'axe de coulée, ou glissant parallè:l,e-ment ou perpendiculairement à cet axe.
Il est clair enfin que l'application de l'invention ne se limite pas aux lingotières verticales de coulée continue, mais s'étend également aux lingo-tières inclinées, courbes et même horizontales.
Dans le cas de la coulée continue horizon-tale, qui semble à présent en cours de développement industriel, la lingotière étant solidaire du récipient qui l'alimente en métal liquide, sa mise en oscillation mécanique, avec ou indépendamment du récipient, pose d'importantes difficultés non encore résolues à l'heure actuelle à la connaissance des inventeurs. On compren-dra que l'invention peut apporter une solution parti-culièrement satisfaisante et qu'une fa,con de mise en oeuvre dans ce cas peut consister simp]ement à monter le transducteur à l'extrémité libre opposée à celle connectée à l'orifice de sortie du réciplent.

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Claims (4)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privi-lège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Lingotière vibrante de coulée continue des métaux, du type comprenant au moins un transducteur ultrasonore appliqué contre l'élément tubulaire interne de la lingotière au contact du métal coulé, caracté-risée en ce que ce transducteur est monté sur le bord d'une extrémité dudit élément tubulaire interne dans le prolongement de celui-ci, et orienté pour trans-mettre audit élément tubulaire les vibrations ultra-sonores qu'il génère selon une direction longitudinale parallèle, ou sensiblement parallèle, à l'axe de coulée dans la lingotière.

2. Lingotière selon la revendication 1, caracté-risée en ce que le transducteur est un transducteur piézoélectrique comportant des plaquettes en matériau piézoélectrique maintenues entre une masse métallique émettrice et une masse métallique d'équilibre, caracté-risée en ce que l'une de ces masses est formée par l'élément tubulaire interne lui-même, l'une des plaquettes venant en appui par l'une de ses faces sur le bord dudit élément, les plaquettes présentant sensi-blement les mêmes dimensions que le bord de l'élément, et la masse métallique émettrice présentant une section transversale possédant la forme et les dimensions dudit bord.

3. Lingotière selon la revendication 2, caracté-risée en ce que la distance D, séparant l'extrémité
libre de la masse émettrice de l'extrémité libre de la masse d'équilibre, est telle que D = k ? où k est un nombre entier et ? la longueur d'onde des vibrations ultrasonores générées par le transducteur.

4. Lingotière selon la revendication 2, dont le transducteur comprend deux plaquettes en matériau piézoélectrique, caractérisée en ce que les dimensions de la masse métallique émettrice sont choisies pour que la distance D' séparant l'extrémité libre de cette masse du plan de joint des deux plaquettes soit telle que D' = où n'est égal à zéro ou un nombre entier et .lambda. représente la longueur d'onde des vibra-tions ultrasonores générées par le transducteur.