DISPOSITIF D'INERTAGE POUR LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE DES
METAUX
L'invention concerne la coulée continue des métaux tels que l'acier. Plus précisément, elle concerne les dispositifs assurant la protection du métal liquide présent dans la lingotière contre les possibles réactions chimiques avec l'air ambiant.
Les installations de coulée continue de l'acier comportent une lingotière sans fond, dont les parois sont énergiquement refroidies intérieurement par une circulation d'eau, et sont réalisées en un métal bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre ou ses lo alliages. L'acier liquide est introduit en continu dans la lingotière, en provenance d'un récipient appelé « répartiteur » qui la surplombe, et il y amorce sa solidification en formant une croûte solide contre les parois internes de la lingotière. Le produit (appelé brame, bloom ou billette selon sa forme et ses dimensions) est continûment extrait de la lingotière et achève sa solidification à coeur hors de la lingotière, grâce à un refroidissement externe par aspersion d'eau.
L'acier liquide qui pénètre dans la lingotière doit être protégé de l'air ambiant, afin d'éviter une augmentation de sa teneur en azote et la formation d'inclusions oxydées en son sein. A cet effet, le jet de métal liquide s'écoulant du répartiteur est le plus souvent protégé par un tube en matériau réfractaire dont l'extrémité inférieure plonge dans le bain .
métallique présent dans la lingotière. D'autre part, habituellement, la surface libre de l'acier liquide présent dans la lingotière est recouverte par une poudre à
base d'oxydes, appelée « poudre de couverture ». Ses fonctions sont multiples. Outre la protection de l'acier contre l'air ambiant, elle arrête le rayonnement de la surface, et ainsi diminue les pertes thermiques du métal. Et en s'infiltrant entre la croûte solidifiée et la lingotière, elle assure une lubrification de l'interface lingotière-produit qui permet que l'extraction du produit s'effectue sans risque de déchirement de la croûte solidifiée. Cette extraction est également facilitée par des oscillations verticales, et aussi éventuellement des vibrations ultrasonores imprimées à la lingotière.
Il y a cependant des cas où l'utilisation d'une poudre de couverture n'est pas possible, à savoir lorsque le produit coulé est de petit format et que l'utilisation d'un tube de protection risquerait de provoquer la formation de « ponts » de métal solidifié entre le tube et la lingotière. Il faut alors couler avec un jet de métal exposé à
l'atmosphère ambiante, dont l'impact sur une surface revêtue de poudre de couverture provoquerait un entraînement de poudre au sein du métal, donc une grave pollution du produit.
La présence de poudre de couverture doit donc être exclue, et la lubrification de l'interface lingotière-produit est alors assurée par une amenée de lubrifiant liquide sur la surface du métal, voire aussi à travers la paroi de la lingotière, à différents points de l'interface paroi-croûte solidifiée. La combustion de l'huile réduit la teneur en oxygène de l'atmosphère ambiante, mais elle ne peut assurer qu'imparfaitement la protection du métal contre les réoxydations. INERTAGE DEVICE FOR CONTINUOUS CASTING LINGOTIERE
METALS
The invention relates to the continuous casting of metals such as steel. More specifically, it concerns the devices ensuring the protection of the metal liquid present in the mold against possible chemical reactions with air ambient.
Continuous steel casting installations include an ingot mold without bottom, the walls of which are energetically cooled internally by a traffic of water, and are made of a metal that conducts heat well, such as copper or its lo alloys. The liquid steel is continuously introduced into the ingot mold, from a container called "dispatcher" which overhangs it, and it begins its solidification by forming a solid crust against the internal walls of the mold. The product (called a slab, bloom or billet according to its shape and dimensions) is continuously extracted from the ingot mold and completes its solidification at heart out of the mold, thanks to a external cooling by spraying water.
Liquid steel entering the mold must be protected from air ambient, in order to avoid an increase in its nitrogen content and the formation of oxidized inclusions within it. For this purpose, the jet of liquid metal flowing from the distributor is most often protected by a tube of refractory material, the lower end of which dips in the bath .
metallic present in the mold. On the other hand, usually the free surface of the liquid steel present in the mold is covered with a powder oxide base, called "cover powder". Its functions are multiple. Besides the protection of steel against ambient air, it stops the radiation from the surface, and thus decreases the metal heat losses. And by infiltrating between the solidified crust and the mold, it provides lubrication of the mold-product interface which allows the extraction of product is produced without risk of tearing of the solidified crust. This extraction is also facilitated by vertical oscillations, and also possibly vibrations ultrasonic printed in the mold.
There are however cases where the use of a covering powder is not possible, i.e. when the cast product is small and the use of a tube could cause metal “bridges” to form solidified between the tube and ingot mold. It must then be poured with a metal jet exposed to the atmosphere ambient, whose impact on a surface coated with covering powder would cause a entrainment of powder within the metal, therefore serious pollution of the product.
The presence covering powder must therefore be excluded, and the lubrication of the ingot mold interface-product is then ensured by supplying liquid lubricant to the surface metal or even also through the wall of the mold, at different points of the interface crust wall solidified. Burning the oil reduces the oxygen content of the ambient atmosphere, but it can only imperfectly protect the metal against reoxidation.
- 2 Il faut alors compléter cette action par un inertage gazeux de l'environnement de la surface du métal. Cet inertage est classiquement réalisé par une insufflation d'argon (ou d'azote pour la coulée de nuances qui tolèrent des teneurs importantes en cet élément) autour du jet et sur la surface libre du métal liquide. Pour réaliser un meilleur confinement de cette atmosphère protectrice, on relie souvent le fond du répartiteur et le bord supérieur de la lingotière par un soufflet en réfractaire fibreux qui, par sa souplesse, autorise les déplacements verticaux de la lingotière oscillante. L'amplitude de ces déplacements peut atteindre quelques dizaines de mm. L'expérience montre cependant que ces méthodes de protection ne sont pas totalement satisfaisantes et n'empêchent parfois pas suffisamment le 1o métal de se réoxyder. On ne mesure que très rarement une teneur en oxygène au voisinage de la surface inférieure à 3%, ce qui est encore trop élevé. Cette oxydation excessive du métal se traduit par la formation d'inclusions oxydées dont certaines décantent à la surface du métal et doivent être périodiquement enlevées manuellement par les opérateurs. Mais si on utilise un soufflet isolant l'environnement de la lingotière de l'atmosphère extérieure, cet enlèvement n'est pas possible. Quant aux inclusions qui ne décantent pas, elles demeurent au sein du métal et détériorent sa qualité.
Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'inertage de l'environnement de la surface du bain de métal liquide en lingotière plus efficace que les dispositifs existants.
2o A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'inertage de l'espace environnant la surface libre du métal liquide coulé dans une lingotière de coulée continue des métaux située sous un répartiteur, à partir duquel s'écoule un jet de coulée de métal liquide alimentant la lingotière, caractérisé en ce qu'il comporte une membrane annulaire gonflable réalisée en un matériau souple perméable aux gaz et dont l'épaisseur, à l'état gonflé, est supérieure à la distance maximale séparant le rebord supérieur de la lingotière et le fond du répartiteur pendant la coulée, une armature tubulaire logée à
l'intérieur de ladite membrane et pourvue d'au moins une tubulure d'amenée d'un gaz d'inertage dans son intérieur et d'orifices de sortie par lesquels ledit gaz s'échappe à
l'intérieur de ladite membrane, des moyens de fixation de la membrane sur le fond du répartiteur ou sur le 3o rebord supérieur de la lingotière dans une position telle qu'elle entoure le jet de coulée, et des moyens d'insufflation dudit gaz d'inertage dans ladite tubulure permettant d'assurer le gonflage de la membrane et de la maintenir à l'état comprimé en contact étanche et simultané avec le fond du répartiteur et le rebord supérieur de la lingotière.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à interposer entre le fond du répartiteur et le bord supérieur de la lingotière un joint annulaire que l'on gonfle par un gaz sous pression. Il est réalisé en une matière résistant à la chaleur et suffisamment perméable aux gaz (de préférence sous l'effet de sa porosité naturelle) pour que du gaz fuyant du joint vienne remplir l'espace délimité par le joint, le fond du répartiteur et le rebord supérieur de la lingotière, et dans lequel se trouvent le jet de coulée et la surface libre du métal liquide - 2 This action must then be supplemented by gaseous inerting of the environment from the surface metal. This inerting is conventionally carried out by insufflation of argon (or nitrogen for casting grades which tolerate high levels of this element) around the jet and on the free surface of the liquid metal. To achieve better containment of this protective atmosphere, we often connect the bottom of the distributor and the edge superior of the ingot mold by a fibrous refractory bellows which, by its flexibility, authorizes vertical movements of the oscillating ingot mold. The amplitude of these trips can reach a few tens of mm. However, experience shows that these methods of protection are not completely satisfactory and sometimes do not prevent enough the 1o metal to reoxidize. Oxygen content is very rarely measured in the neighbourhood of the surface less than 3%, which is still too high. This oxidation excessive metal results in the formation of oxidized inclusions, some of which decant on the surface metal and must be periodically removed manually by the operators. But if we use a bellows isolating the environment of the mold the outside atmosphere, this removal is not possible. As for inclusions which do not settle, they remain within the metal and deteriorate its quality.
The object of the invention is to propose a device for inerting the environment of the surface of the liquid metal bath in a mold more efficient than devices existing.
2o To this end, the invention relates to a space inerting device surrounding the free surface of the liquid metal poured into an ingot mold continuous casting of metals located under a distributor, from which flows a jet of metal casting liquid feeding the ingot mold, characterized in that it comprises a annular membrane inflatable made of a flexible material permeable to gases and of which thickness, as is inflated, is greater than the maximum distance between the upper edge of the ingot mold and the bottom of the distributor during casting, a tubular frame housed at inside of said membrane and provided with at least one tube for supplying an inerting gas into his interior and outlet ports through which said gas escapes inside of said membrane, means for fixing the membrane to the bottom of the distributor or on the 3o upper edge of the mold in a position as it surrounds the casting jet, and means for blowing said inerting gas into said tube allowing to ensure the inflation of the membrane and keeping it in the compressed state in contact waterproof and simultaneous with the bottom of the distributor and the upper edge of the mold.
As will be understood, the invention consists in interposing between the bottom of the distributor and the upper edge of the mold an annular seal which is swells with gas under pressure. It is made of a material resistant to heat and sufficiently permeable gas (preferably due to its natural porosity) so that gas fleeing from the joint fill the space defined by the seal, the bottom of the distributor and the upper edge of the mold, and in which are the pouring jet and the free surface liquid metal
3 coulé dans la lingotière. Ce joint est fixé au fond du répartiteur ou au rebord supérieur de la lingotière, et doit, une fois gonflé, présenter une épaisseur telle qu'elle suffise à combler l'espace séparant le répartiteur et la lingotière lorsque cet espace présente sa largeur maximale (c'est à dire lorsque la lingotière, au cours de son cycle d'oscillation, est dans sa position la plus basse).
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence à la figure unique annexée, qui montre vu de face et en coupe transversale un dispositif selon l'invention, installé sur une machine de coulée continue des métaux.
La figure unique montre schématiquement la partie supérieure d'une installation 1o de coulée continue de billettes d'acier. De manière classique, elle comporte un répartiteur 1 renfermant de l'acier liquide 2, et dont seul le fond 3 est représenté. Le fond 3 comporte une busette calibrée 4 par laquelle s'écoule l'acier liquide 2 pour former un jet de coulée S.
Celui-ci pénètre dans l'espace intérieur d'une lingotière sans fond 6 dont les parois 7, 8, 9 sont énergiquement refroidies intérieurement par de l'eau circulant dans des canaux non représentés. L'acier liquide 2 présent dans la lingotière 6 se solidifie progressivement contre les parois 7, 8, 9 pour former la croûte extérieure 10 d'un produit coulé 11 qui est extrait de la lingotière 6 par des moyens connus non représentés. A sa sortie de la lingotière 6, le produit 11 est arrosé avec de l'eau par des buses 12, 13, 14, 15 pour accélérer son refroidissement. Une couche d'huile de lubrification 16 recouvre la surface 17 de l'acier 2o liquide 2 présent dans la lingotière 6. Celle-ci est animée d'un mouvement d'oscillation verticale selon la flèche 18, grâce à des moyens connus non représentés.
L'amplitude de ces oscillations peut être de l'ordre de quelques mm à quelques cm, et leur fréquence de l'ordre de quelques Hz. De l'huile peut aussi, de manière connue, être amenée en divers points de l'interface paroi 7, 8, 9-croûte 10 par des orifices (non représentés) ménagés dans les parois 7, 8, 9.
L'installation de coulée continue est munie d'un dispositif d'inertage évitant que le jet de coulée 5 et la surface 17 de l'acier liquide 2 présent dans la lingotière 6 ne soient exposés à une atmosphère réactive telle que l'air ambiant. Selon l'invention, ce dispositif comporte - une membrane gonflable 19 de forme annulaire, réalisée en un matériau réfractaire souple poreux, pouvant résister à des températures de l'ordre de 800 à 900°C
environ ;
- une armature métallique tubulaire 20, logée à l'intérieur de la membrane 19 ; elle est pourvue de tuyaux 21, 22 d'amenée d'un gaz d'inertage neutre tel que de l'argon ou de l'azote dans son intérieur et d'orifices 23, 24 de quelques mm de diamètre par lesquels ce gaz neutre s'échappe à l'intérieur de la membrane 19 pour assurer son gonflage, puis l'inertage de l'espace environnant le jet de coulée 5 et la surface 17 de l'acier liquide 2 présent dans la lingotière 6 ; 3 poured into the mold. This seal is fixed to the bottom of the distributor or to the upper edge of the ingot mold, and must, once inflated, have a thickness such that it enough to fill the space separating the distributor and the ingot mold when this space presents its width maximum (i.e. when the mold, during its cycle of oscillation, is in its lowest position).
The invention will be better understood on reading the description which follows, given in reference to the attached single figure, which shows seen from the front and in section cross one device according to the invention, installed on a continuous casting machine for metals.
The single figure shows schematically the upper part of a installation 1o of continuous casting of steel billets. Conventionally, it has a distributor 1 containing liquid steel 2, and of which only the bottom 3 is shown. The background 3 features a calibrated nozzle 4 through which the liquid steel 2 flows to form a casting jet S.
This enters the interior space of a bottomless ingot mold 6 whose walls 7, 8, 9 are energetically cooled internally by water circulating in channels no represented. The liquid steel 2 present in the mold 6 solidifies gradually against the walls 7, 8, 9 to form the outer crust 10 of a product sunk 11 which is extract from the mold 6 by known means not shown. At its output of the mold 6, product 11 is sprayed with water through nozzles 12, 13, 14, 15 to speed up her cooling. A layer of lubricating oil 16 covers the surface 17 steel 2o liquid 2 present in the ingot mold 6. This is animated by a movement oscillation vertical according to arrow 18, by known means not shown.
The amplitude of these oscillations can be of the order of a few mm to a few cm, and their frequency of in the order of a few Hz. Oil can also, in known manner, be supplied in various wall interface points 7, 8, 9-crust 10 by holes (not represented) arranged in the walls 7, 8, 9.
The continuous casting installation is provided with an inerting device avoiding than the casting jet 5 and the surface 17 of the liquid steel 2 present in the ingot mold 6 exposed to a reactive atmosphere such as ambient air. According to the invention, these measures behaves - An inflatable membrane 19 of annular shape, made of a material flexible porous refractory, capable of withstanding temperatures of the order of 800 to 900 ° C
about ;
- a tubular metal frame 20, housed inside the membrane 19 ; she is provided with pipes 21, 22 for supplying a neutral inerting gas such as argon or nitrogen in its interior and orifices 23, 24 of a few mm in diameter by which what neutral gas escapes inside the membrane 19 to ensure its inflation then the inerting of the space surrounding the casting jet 5 and the surface 17 of liquid steel 2 present in the mold 6;
4 - une plaque annulaire 25 à laquelle sont fixées les parties supérieures de la membrane 19 et de l'armature 20, et qui est elle-même fixée au fond 3 du répartiteur l, de manière à ce que la membrane 19 entoure le jet de coulée 5.
Des moyens classiques non représentés d'insufflation d'un gaz neutre alimentent les tuyaux 21, 22 dans des conditions de débit et de pression telles que l'on obtient un gonflage de la membrane 19 qui lui procure une forme s'approchant de celle d'un tore. Les dimensions de la membrane sont calculées pour qu'une fois gonflée, elle puisse combler à
l'état comprimé, à la manière d'un joint torique, l'espace séparant le fond 3 du répartiteur 1 et le rebord supérieur 26 de la lingotière 6, même lorsque la lingotière 6 et le répartiteur 1 se trouvent à leur distance maximale lors du cycle d'oscillation de la lingotière 6. Sous l'effet de la pression interne régnant dans la membrane 19, celle-ci est en permanence en contact souple et étanche avec le rebord supérieur 26 de la lingotière 6, qui est lui-même mis en mouvement par les oscillations de la lingotière 6.
Du fait du caractère poreux de la membrane 19, une fraction du gaz qui la gonfle s'échappe dans l'espace intérieur 27 délimité par la membrane 19, le répartiteur 1 et la lingotière 6, et contribue à rendre son atmosphère inerte vis-à-vis du jet de coulée 5 et de la surface 17 de l'acier liquide 2 présent dans la lingotière. Surtout si on assure également une bonne étanchéité du contact entre la plaque 25 et le fond 3 du répartiteur 1, on peut ainsi obtenir une teneur en oxygène de l'ordre de 0,5% dans l'espace 27, ce qui est suffisamment bas pour y supprimer les réoxydations significatives du métal liquide 2. On n'observe, en effet, plus de formation d'oxydes à la surface du bain 17, et il n'est plus nécessaire de procéder à un nettoyage périodique de cette surface 17.
A titre d'exemple, on peut utiliser une membrane 19 en feutre réfractaire à
base de graphite, présentant une porosité de l'ordre de 70% et une épaisseur de 8 mm.
Initialement, le feutre se présente sous la forme d'une bande du commerce que l'on enroule pour former un tube que l'on ferme selon une génératrice par couture ou collage, puis que l'on referme sur lui-même pour former un anneau. Pour assurer le gonflage de la membrane 19, on injecte 150 NI/mn d'azote sous une pression de 1 bar. Cette injection gazeuse permet également de refroidir suffisamment la membrane 19 pour éviter sa détérioration 3o thermique.
Optionnellement, on peut revêtir la rüembrane 19, sur sa portion tournée vers l'extérieur de l'espace 27, par un matériau étanche au gaz, de manière à ce que tout le gaz sortant de la membrane 19 soit effectivement introduit dans l'espace 27.
En variante, on peut aussi donner à la plaque 25 une épaisseur relativement importante et lui intégrer une fenêtre transparente, par laquelle on peut avoir un accès visuel à la surface 17 du métal liquide 2 en lingotière, de manière à rendre possible l'utilisation d'un dispositif de régulation du niveau de cette surface 17 d'un type comportant une caméra ou tout autre dispositif nécessitant un accès optique à
la surface 17.
Une autre variante consisterait à fixer la plaque 25 non plus sur le fond 3 du répartiteur 1, mais sur le rebord supérieur 26 de la lingotière 6.
Bien entendu, la plaque 25 n'est qu'un exemple de moyen de fixation de la membrane 19, et tout autre type de moyen de fixation pouvant jouer la même fonction est 4 an annular plate 25 to which the upper parts of the membrane 19 and the frame 20, and which is itself fixed to the bottom 3 of the dispatcher l, of so that the membrane 19 surrounds the pouring jet 5.
Conventional means not shown of insufflation of a neutral gas feed pipes 21, 22 under flow and pressure conditions such that one get a inflation of the membrane 19 which gives it a shape approaching that of a torus. The dimensions of the membrane are calculated so that once inflated, it can fill in the compressed state, like an O-ring, the space separating the bottom 3 of dispatcher 1 and the upper edge 26 of the mold 6, even when the mold 6 and dispatcher 1 are at their maximum distance during the oscillation cycle of the 6. Under mold the effect of the internal pressure prevailing in the membrane 19, this is in permanently in flexible and sealed contact with the upper edge 26 of the mold 6, which is himself set in motion by the oscillations of the mold 6.
Due to the porous nature of the membrane 19, a fraction of the gas which inflated escapes into the interior space 27 delimited by the membrane 19, the dispatcher 1 and the ingot mold 6, and contributes to making its atmosphere inert with respect to the jet of casting 5 and the surface 17 of the liquid steel 2 present in the mold. Especially if we also provides good sealing of the contact between the plate 25 and the bottom 3 of the distributor 1, so we can obtain an oxygen content of the order of 0.5% in space 27, which is enough low to suppress significant reoxidation of the liquid metal 2. There do not observe effect, more formation of oxides on the surface of the bath 17, and it is no longer necessary to carry out periodic cleaning of this surface 17.
By way of example, a membrane 19 made of refractory felt can be used.
base of graphite, having a porosity of around 70% and a thickness of 8 mm.
Initially, the felt is in the form of a commercial strip which is rolled up to train a tube which is closed according to a generator by sewing or gluing, then that we close on itself to form a ring. To ensure the inflation of the membrane 19, we injects 150 NI / min of nitrogen at a pressure of 1 bar. This gas injection allows also to sufficiently cool the membrane 19 to avoid its deterioration 3o thermal.
Optionally, the rüembrane 19 can be coated on its portion facing the outside of the space 27, by a gas-tight material, so that that all the gas leaving the membrane 19 is effectively introduced into the space 27.
Alternatively, the plate 25 can also be given a relatively thick important and integrate a transparent window into it, through which you can have access visual on the surface 17 of the liquid metal 2 in an ingot mold, so as to render possible the use of a device for regulating the level of this surface 17 of a type comprising a camera or any other device requiring optical access to surface 17.
Another variant would be to fix the plate 25 either on the bottom 3 of the distributor 1, but on the upper edge 26 of the mold 6.
Of course, the plate 25 is only one example of a means of fixing the membrane 19, and any other type of fixing means which can play the same function is
5 utilisable.
Le dispositif selon l'invention, outre son efficacité pour la protection du métal liquide, a pour avantages la facilité de sa mise en place et de son utilisation. En particulier, il est très tolérant vis-à-vis des légères variations de positionnement en hauteur du répartiteur 1 (quelques mm) que l'on peut habituellement rencontrer.
io Le dispositif selon l'invention peut aussi être employé sur les installations de coulée qui comportent, au lieu d'une lingotière oscillante, une lingotière à
laquelle on imprime des mouvements de faible amplitude et de forte fréquence au moyen d'émetteurs ultrasonores, ainsi qu'aux lingotières sur lesquelles de tels mouvements se superposent aux oscillations classiques. Il est également applicable au cas des lingotières qui sont prolongées vers le haut par une réhausse en matériau réfractaire à l'intérieur de laquelle on maintient la surface de l'acier liquide.
Il va de soi que le dispositif selon l'invention est utilisable aussi dans le cas où le jet de coulée S est lui-même protégé par un tube en matériau réfractaire. Il est applicable à
la coulée de produits de tous formats. De même, il est applicable à la coulée continue 2o d'autres métaux que l'acier. 5 usable.
The device according to the invention, in addition to its effectiveness in protecting the metal liquid, has the advantages of its ease of installation and its use. In particular, it is very tolerant of slight variations in positioning in height of distributor 1 (a few mm) that can usually be encountered.
io The device according to the invention can also be used on facilities of casting which, instead of an oscillating ingot mold, has an which one prints low amplitude and high frequency movements using transmitters ultrasonic, as well as molds on which such movements are overlay classic oscillations. It is also applicable in the case of ingot molds which are extended upwards by an extension of refractory material inside which one maintains the surface of the liquid steel.
It goes without saying that the device according to the invention can also be used in the case the casting jet S is itself protected by a tube of refractory material. he is applicable to the casting of products of all formats. Likewise, it is applicable to casting keep on going 2o other metals than steel.