CA2258109C - Lingotiere de coulee continue pour la coulee continue en charge verticale des metaux - Google Patents

Abstract

La lingotière selon l'invention comprend un élément métallique tubulaire (4), en cuivre ou alliage de cuivre, refroidi par circulation d'eau contre sa paroi extérieure et destiné à assurer la solidification périphérique du métal coulé au contact de sa paroi intérieure, et une rehausse non refroidie (9) en matériau réfractaire thermo-isolant, destiné à contenir du métal coulé à l'état liquide et surmontant l'élément métallique refroidi (4) et définissant avec lui un passage calibrant continu pour le métal coulé. Un anneau métallique refroidi (16) par circulation interne horizontale est rapporté entre la rehausse (9) et l'élément tubulaire (4) et aligné avec la paroi intérieure de ce dernier. L'invention permet d'éviter des déformations de l'extrémité supérieure de la partie métallique refroidie de la lingotière.

Description

Lingotière de Coulée Continue pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux.
La prsente invention concerne la Coule Continue des mtaux, notamment de l'acier. Elle a trait plus spcifiquement la technique dite de s "Coule Continue en Charge Verticale".

Les premiers crits semblent avoir t publis sur cette technique dj vers la fin des annes soixante, dont le document FR-A-2 000 365 est un bon exemple. On sait depuis lors qu'elle se distingue de la Coule Continue Verticale Classique, aujourd'hui trs largement rpandue dans le io monde, essentiellement par le fait que l'lment "actif" de la lingotire, savoir l'lment tubulaire mtallique nergiquement refroidi dans lequel doit s'initier et crotre la solidification recherche du mtal coul, est surmont par une rehausse thermo-isolante devant contenir l'tat liquide le mtal en fusion dlivr par un rpartiteur situ au-dessus.

i5 Cet lment "actif" est classiquement un tube, fait d'une seule pice (coule de billettes et de "blooms") ou de plaques assembles (coule de brames ou gros "blooms"). II est en cuivre, ou en alliage de cuivre, nergiquement refroidi par une intense circulation d'eau contre sa paroi extrieure afin de pouvoir extraire un flux de chaleur suffisant pour assurer 20 la solidification du mtal en fusion mis au contact de sa paroi intrieure.

Ces deux lments contigus dfinissent un passage continu calibrant pour le mtal coul qui y entre en fusion par le haut et y sort par le bas sous forme d'une crote solide venant de la solidification priphrique du mtal coul au contact de la paroi froide du corps de lingotire et 25 enfermant un coeur encore liquide. La solidification se poursuit alors jusqu' son terme dans la partie intrieure de la machine de coule l'aide de rampes d'arrosage.

L'avantage primordial recherch par la Coule Continue en Charge Verticale rside dans le fait que l'on parvient ainsi loigner la surface libre 3o du mtal coul en lingotire (le "mnisque"), laquelle se situe alors au sein de la rehausse rfractaire, de l'endroit o nat ncessairement la solidification du mtal coul ds le premier contact avec la paroi froide du . corps de lingotire, c'est--dire au niveau de l'arte de l'extrmit suprieure de l'lment en cuivre.

3s On vise ainsi couler en continu des demi-produits de meilleure qualit mtallurgique et avec des vitesses d'extraction leves, voire plus leves qu'en Coule Continue Classique, car le processus de solidification s'initie alors dans un environnement calme au plan de l'hydrodynamique,

2 toutes les turbulences, notamment celles causées par l'arrivée du métal en fusion, restant confinées dans le volume tampon offert par la rehausse réfractaire.
Par ailleurs, on ne connaît pas d'inconvénients significatifs à cette technique par rapport à la Coulée Continue Classique, dont elle peut être vue comme une évolution, donc n'impliquant aucun saut technologique majeur. On peut sans difficultés particulières aménager une machine de Coulée Continue Classique en une machine de Coulée Continue en Charge, puisque notamment le répartiteur, bien que placé à faible distance au-to dessus, reste non rigidement lié à fa lingotière. Pourtant, alors que les premières publications sur la Coulée Continue en Charge de l'acier sont contemporaines de la naissance industrielle de la Coulée Continue Verticale, et que cette dernière a reçu l'extraordinaire développement que l'on connaît (plus de 80% de la production d'acier mondiale est réalisée i5 aujourd'hui par Coulée Continue), la Coulée Continue en Charge Verticale demeure toujours à ce jour à la recherche d'une concrétisation industrielle.
Les essais menés par les demandeurs ont permis de mettre à jour un problème majeur qui peut expliquer cette absence de sanction industrielle l'instabilité dans le temps de la géométrie à l'interface "élément en cuivre 2o refroidi-rehausse réfractaire". Cette géométrie, en effet, se dégrade par déformation de l'extrémité supérieure de l'élément refroidi.
En Coulée Continue Verticale Classique, les déformations sont provoquées par des remontées intempestives de métal liquide pouvant aller jusqu'à des débordements hors de la lingotière. Elles sont rarement 25 conséquentes à l'égard de la poursuite de l'opération de coulée. En Coulée Continue en Charge, au contraire, en raison du report du ménisque en amont de l'élément refroidi, la situation est en permanence analogue à celle du type "débordement". Les déformations de l'extrémité supérieure de l'élément en cuivre, là précisément où s'initie la solidification recherchée du 3o métal coulé, deviennent alors rédhibitoires (infiltrations du métal en fusion sous la rehausse, défaut d'alignement avec la rehausse, etc... ).
L'invention a précisément pour but d'éviter les déformations thermo-mécaniques de l'extrémité supérieure de l'élément refroidi en cuivre au cours de la coulée.
35 A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, de l'acier en particulier, comprenant un élément métallique tubulaire (en cuivre ou alliage de cuivre) refroidi, notamment par circulation d'eau contre sa paroi extérieure, et

3 PCT/FR97/00547 destin assurer la solidification priphrique du mtal coul au contact d~

sa paroi intrieure, et une rehausse non refroidie en matriau rfractaire thermo-isolant surmontant l'lment mtallique refroidi, destine contenir du mtal en fusion, et dfinissant avec lui un passage calibrant continu pour le mtal coul, lingotire caractrise en ce qu'un anneau mtallique, refroidi par circulation annulaire de fluide de refroidissement, est rapport entre l'lment mtallique tubulaire et la rehausse thermo-isolante, et dont la paroi intrieure est pleine et aligne avec ledit lment tubulaire mtallique sans discontinuit entre eux de manire respecter le caractre io continu du passage offert par la lingotire au mtal coul.

De prfrence, cet anneau est fait du mme mtal que l'lment tubulaire refroidi, c'est--dire en cuivre ou alliage de cuivre.

De prfrence encore, cet anneau est mont amovible de manire pouvoir tre aisment remplac.

Conformment une variante de ralisation avantageuse, l'anneau comporte un circuit de refroidissement interne constitu par une chambre de circulation annulaire d'un fluide de refroidissement qui longe la paroi intrieure de l'anneau sur le pourtour de ta lingotire, et de prfrence au voisinage immdiat de cette paroi.

2o Comme on l'aura sans doute dj compris, l'invention consiste donc dans ses caractristiques essentielles insrer entre le tube de lingotire et la rehausse rfractaire, un corps froid, l'anneau, lequel constitue en fait un prolongement de l'lment tubulaire principal dont il est fait de la mme matire, mais ayant son propre circuit de refroidissement, et dont la relative faible hauteur (par rapport celle du tube) permet une efficacit de refroidissement bien suprieure ce que pourrat faire au mieux le systme de refroidissement du tube, au niveau de ses extrmits, notamment de l'arte de son extrmit suprieure tourne en regard de la rehausse.
Pour fixer les ides, le tube d'une lingotire de coule continue fait 3o habituellement 0.7 1.0 mtre de long, alors que l'anneau selon l'invention prsente, par exemple, 4 10 centimtres de haut.

Au point de vue du processus de coule, cela revient translater le plan de dmarrage de la solidification au niveau de l'arte suprieure de l'anneau. Autrement dit, pour assurer la fonction de dmarrage de la solidification, on substitue l'lment tubulaire refroidi de la lingotire un anneau autonome, de prfrence dmontable, galement refroidi, mais dont l'effet de refroidisssement ses extrmits est naturellement plus efficace en raison de sa faible hauteur, comparativement celle de

4 l'élément tubulaire principal de la lingotière et donc de ia possibilité d'y installer une lame d'eau de refroidissement circulant horizontalement et non plus verticalement.
Dans ce dernier, en effet, les contraintes technologiques du circuit s de refroidissement (chemise à eau reliant deux chambres à ses extrémités), liées à la nécessité d'assurer en priorité un refroidissement intense sur toute sa hauteur utile pour y extraire le flux de chaleur global considérable qu'impose la progression de la solidification périphérique du métal coulé qui le parcourt tout du long, atteignent en contrepartie leur limite pour io empêcher une déformation des extrémités du tube si la température à ces endroits s'élève au niveau de celle de l'acier en fusion.
L'invention surmonte cet obstacle au moyen d'un corps rapporté, également intensément refroidi, mais de faible hauteur de sorte à pouvoir y installer une circulation horizontale du fluide de refroidissement et assurer 15 ainsi à la fois un refroidissement efficace de sa propre arête supérieure au contact de ia rehausse réfractaire pour empêcher sa déformation à cet endroit au contact du métal en fusion, et de l'extrémité supérieure du tube de la lingotière avec lequel il est en contact étroit par sa face inférieure.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages 2o ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit donnée à
titre d'exemple de réalisation en référence à la planche unique de dessins annexée sur laquelle - la figure 1 montre schématiquement, en coupe verticale, la partie supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale d'acier 2s selon la conception habituelle de l'art antérieur connu ;
- la figure 2 est une vue partielle agrandie de la partie haute d'une machine du _ type précité mais montrant dans le détail (a conception selon l'invention, selon un mode de réalisation le plus complet.
Sur les figures, les mêmes éléments sont désigné par des références so identiques.
En se rapportant sur la vue générale de la figure 1, on voit que la partie supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale d'acier est constituée, dans le sens d'extraction du métal à produire, c'est-à-dire du haut vers le bas sur la figure, d'un répartiteur 1 (ou "tundish") 3s contenant un bain de métal en fusion 2, qu'il distribue à une (ou plusieurs) lingotière 3 placée en-dessous au moyen d'un (ou plusieurs) orifice de sortie prolongé par une busette guide 20.

La lingotire comprend, comme on le voit, un lment tubulaire n cuivre 4 nergiquement refroidi par circulation d'eau le long de sa face extrieure. Classiquement, une chemise en acier 5 est prvue cet effet, autour et faible distance du tube 4, pour canaliser une lame d'eau s circulation verticale 21. La chemise 5 prsente ses extrmits des ouvertures 22 qui mettent la lame d'eau 21 en communication avec une chambre d'introduction 6 et avec une chambre d'vacuation 7, dlimites par un manteau 8 entourant distance la chemise 5.

L'lment tubulaire interne 4 est surmont d'une rehausse 9 en io matriau rfractaire non refroidi, dont la paroi intrieure est de prfrence aligne avec celle du corps 4 (et en tous cas, pas en retrait).

Au plan du processus de coule, le montage, "lment mtallique refroidi 4 surmont par la rehausse rfractaire isolante 9", dfinit un passage calibrant pour le mtal coul dont la partie suprieure 12 au sein is de la rehausse constitue une zone-tampon, de confinement des perturbations hydrodynamiques provoques par l'arrive du jet 11 de mtal en fusion dans la lingotire, et dont la partie infrieure 13, qui la prolonge, est une zone de solidification du mtal coul.

Cette solidification, comme on le voit, s'initie ds le premier contact 2o de l'acier coul avec la paroi intrieure du corps en cuivre refroidi 4, savoir sur l'arte suprieure 14 de celle-ci, et se poursuit vers /'aval en formant une crote solide 15 dont l'paisseur crot de la priphrie vers le centre. A la sortie de la lingotire, la crote 15, paisse d'un peu plus d'un centimtre, est suffisamment solide pour rsister la pression ferrostatique 25 du coeur encore liquide 24 et poursuit sa croissance centripte jusqu' solidification totale du demi-produit coul 10 sous l'effet des rampes d'aspersion d'eau, non reprsentes, situes dans la moiti basse de la machine. Une fois compltement solidifi, le demi-produit est coup en tronons de longueur voulue (billettes, "blooms" ou brames, selon le 3o format de la section coule) et ces tronons sont alors disponibles pour faonnages ultrieurs (laminage, etc.).

En se reportant prsent sur la figure 2, on voit que, conformment l'invention, l'lment tubulaire 4 est surmont par un anneau 16, qui le prolonge, galement en alliage de cuivre et galement refroidi, mais au 3s moyen de son propre systme de refroidissement. Ce dernier, dans l'exemple dcrit, est constitu par une chambre 17 longeant la paroi intrieure pleine 18 de l'anneau faible distance. Cette chambre, ici de forme circulaire, comporte ses entre/sortie voisines l'une de l'autre de part et d'autre d'une cloison qui obture la chambre. On réalise ainsi un circuit de refroidissement en forme d'anneau horizontal et dans lequel s'établit une circulation annulaire, donc horizontale de fluide de refroidissement (de l'eau par exemple) entourant le produit coulé.
Sur la figure, seules ont été représentées les tubulures d'entrée 19 et de sortie 19' de l'eau de refroidissement reliant la chambre circulaire 17 à
l'extérieur.
L'anneau refroidi 16 est surfacé à sa base de manière à bien épouser la surface supérieure de l'élément 4 sur laquelle il repose, et éviter ainsi io tout risque d'infiltration de métal en fusion.
L'ensemble métallique refroidi, formé par l'anneau 16 et l'élément tubulaire 4 constitue la partie "active" proprement dite de la lingotière. A
l'égard du métal coulé, ces deux éléments juxtaposés sans discontinuité
entre eux, n'en font qu'un, car c'est là que s'initie la solidification du métal i5 coulé et sa croissance à mesure que le produit coulé 15 progresse vers le bas à l'intérieur de cet ensemble. Le plan de démarrage de cette solidification est, non plus le plan passant par l'arête supérieure 14 de l'élément 4, mais celui passant par l'arête supérieure 23 de l'anneau 16.
Cet ensemble 16-4 est surmonté par la rehausse thermo-isolante 9 2o vue précédemment.
Conformément à une réalisation préférée de l'invention, cette rehausse 9 est elle aussi formée par deux éléments distincts superposés:
- un manchon supérieur 25 en matériau réfractaire choisi pour ses qualités thermo-isolantes, car il s'agit d'éviter toute solidification parasite 25 prématurée du métal coulé dans la zone de turbulence 12. On optera pour un réfractaire fibreux, par exemple le matériau commercialisé sous la dénomination A 120K par la firme française KAPYROK.
- et un élément inférieur, la bague 26, en matériau réfractaire choisi pour sa bonne tenue mécanique, car il s'agit de résister au mieux, au voisinage 3o du cristallisoir 4-16, à l'érosion mécanique de la pointe supérieure de la croûte solide 15 sur l'arête 23 alors que l'ensemble est soumis au mouvement d'oscillation vertical habituel nécessaire à la réussite de la coulé ainsi qu'aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine fonctionnant par cycles thermiques imposés par le caractère 35 nécessairement séquentiel du procédé de coulée. Un matériau tel que du SiAION (Sialon) de préférence dopé au Nitrure de Bore, pourra parfaitement convenir.

De prfrence, un circuit d'injection de gaz inerte perdu (de l'argon par exemple) est prvu entre la rehausse 9 et l'ensemble mtallique 16-4.

Ce circuit comprend une fente annulaire 28 mnage l'interface rehausse 9 - ensemble mtallique 16-4 et dbouchant une extrmit s selon le pourtour intrieur de la lingotire et relie son autre extrmit une chambre de distribution 29 alimente en argon par une tubulure calibre 30, elle-mme relie une source d'argon sous pression non reprsente.

L'intrt d'une rehausse en deux parties superposes rside. dans le io fait de pouvoir amliorer la tenue mcanique de la partie basse soumise l'rosion provoque par les mouvements de "va et vient" de la pointe de solidification du mtal coul voisine imprims par les oscillations verticales de la lingotire.

En contrepartie, cette bague infrieure rsistante 26 est i5 invitablement moins isolante de la chaleur que la partie haute.
II y a donc formation possible, au contact de sa paroi intrieure aligne 27 avec celle de l'anneau refroidi 16, d'un voile de solidification parasite prmature du mtal coul. Ce voile est un facteur d'htrognit important l'gard du processus de solidification contrle dans l'ensemble mtallique refroidi 16-20 4. C'est pour cette raison que, conformment une mise en oeuvre avantageuse de l'invention et dj connue par ailleurs (FR-A-93 03871 ), un rideau d'argon est insuffl la base de la rehausse 9 dans le but de briser le voile de solidification parasite n sur la bague 26 et permettre un dmarrage rgulier et franc de la solidification du mtal coul au contact de 25 l'anneau refroidi 16.

On aura compris qu'un avantage dterminant de l'invention rside dans le fait que, la partie suprieure la plus sollicite de la lingotie tant ralise sous forme d'une pice rapporte (l'anneau 16), cette partie peut tre aisment remplace par une pice neuve en cas de besoin et dans des 3o conditions conomiques compatibles avec une mise en oeuvre industrielle de la Coule Continue en Charge, ce qui n'est pas le cas du remplacement de l'lment tubulaire interne 4.

Conformment une autre ralisation avantageuse, on rduit la tendance au collage de la crote 15 contre la paroi de la lingotire en 35 compltant la lubrification connue, ralise par injection d'un lubrifiant au travers de l'lment en cuivre 4 (voir par le FR-A-91 01551 ) par une mise en vibration l'aide d'un transducteur ultra-sons et appliqu sur l'extrémité libre du retour supérieur 32 de l'élément refroidi 4. Ce transducteur pourra être du type "piezoélectrique".
L'obliquité de la direction d'application des ultra-sons (Cf. fig.2) n'est pas obligatoire. Elle présente l'avantage néanmoins de conjuger un effet s vibratoire vertical avec un effet vibratoire horizontal, tous deux contribuant à réduire les frottements du produit coulé 10 dans la lingotière.
Pour plus de détails, on pourra se reporter au document FR-A-89 07839.
II va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais io s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où ses caractéristiques essentielles données dans les revendications jointes sont reproduites.
En particulier, l'invention s'applique aux produits longs, comme aux produits plats. Aussi, les termes utilisés ci-avant comme "anneau", 15 "annulaire" ou "bague", bien qu'ils évoquent une forme circulaire, doivent être compris dans une assertion plus générale englobant les lingotières dont l'élément tubulaire interne refroidi est constitué par des plaques assemblées (lingotière pour la coulée continue de brames ou de gros blooms par exemple).
2o De même l'invention s'applique à la coulée continue non seulement de l'acier, mais tout autre métal coulable en continu et notamment les métaux a plus bas point de fusion que l'acier que sont !'aluminium ou le cuivre.

Claims (8)

REVENDICATION

1. Lingotière de Coulée Continue pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, comprenant un élément métallique tubulaire refroidi (4) destiné à assurer la solidification périphérique du métal coulé (10) au contact de sa paroi intérieure, une rehausse non refroidie en matériau réfractaire thermo-isolant (9) surmontant l'élément métallique refroidi et destinée à contenir du métal coulé à l'état liquide et définissant avec ledit élément un passage calibrant continu pour le métal coulé, et, rapporté entre ledit élément métallique et ladite rehausse, un anneau métallique (16) refroidi par circulation interne annulaire de fluide de refroidissement, lingotière caractérisée en ce que ledit anneau (16) présente une paroi intérieure (26) plane et alignée avec l'élément tubulaire métallique (4) sans discontinuité entre eux de manière à respecter le caractère continu du passage offert par la lingotière au métal coulé (10).

2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau métallique refroidi (16) est réalisé dans le même métal que l'élément métallique tubulaire (4).

3. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau métallique refroidi (16) présente une hauteur comprise entre 4 et 10 centimètres environ.

4. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit anneau (16) est monté amovible sur l'élément métallique tubulaire (4).

5. Lingotière selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que l'anneau (16) comporte un circuit de refroidissement interne constitué
par une chambre de circulation horizontale du fluide de refroidissement (17) qui longe la paroi intérieure (18) de l'anneau sur le pourtour de la lingotière.

6. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la rehausse réfractaire (9) est constituée de deux éléments distincts superposés : un manchon supérieur (25) en matériau réfractaire ayant de bonnes propriétés d'isolation thermique, et une bague inférieure (26) en matériau réfractaire ayant une bonne tenue mécanique.

7. Lingotière selon la revendication 1 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit (28, 29, 30) d'injection de gaz inerte selon le pourtour intérieur de la lingotière entre la rehausse (9) et l'anneau (16).

8. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un transducteur ultra-sonore (31) appliqué sur l'extrémité du retour supérieur (32) de l'élément métallique tubulaire (4) et destiné à
imprimer des mouvements vibratoires à la lingotière.