Procédé pour la coulée continue de barres, verges et fils. Les méthodes de coulée continue des mé taux se divisent en deux classes principales les procédés dans lesquels les surfaces mou lantes accompagnent le métal dans son trajet durant. la solidification et les procédés où le métal en cours de solidification glisse dans un moule stationnaire.
Les tôles ou les bandes qui sont relativement minces par rapport à leur largeur se coulent mieux dans des rou leaux cylindriques en rotation appartenant au premier groupe, tandis que les billettes, les barres ou les verges de section approximati vement carrée ou ronde sont plus faciles à produire dans des moules tubulaires du se cond groupe desquels le produit solidifié est extrait graduellement par la pesanteur ou par toute autre force extérieure.
Un caractère commun des deux groupes ci-dessus mentionnés, et qui se retrouve dans toutes les méthodes connues de coulée conti nue, consiste dans la solidification progressive de l'extérieur vers le centre du produit: Une pellicule solide est d'abord formée au contact des parois froides des rouleaux ou des moules, et l'on doit alors prendre grand soin d'éviter sa rupture jusqu'à ce qu'elle ait acquis une épaisseur suffisante pour résister à la pres sion hydrostatique du métal intérieur encore liquide. A ce moment, le produit peut. émer ger sans danger de la machine à. couler et être refroidi par des jets d'eau ou autrement.
La fragilité de la pellicule de métal soli difiée dès sa formation est une des principales difficultés de la coulée continue. En fait, la plupart des perfectionnements appor tés aux divers procédés ont cherché à renfor cer rapidement cette pellicule. Un refroidisse ment accéléré n'est pas très utile, parce qu'il favorise la contraction du produit et sa sépa ration du moule, créant par endroits un espace vide entre moule et pellicule. La pellicule cesse alors de se refroidir. Au contraire, elle se réchauffe rapidement par l'apport. de cha leur du métal liquide intérieur. Fréquemment, elle se fond ou se rompt, laissant le métal fondu couler librement dans l'espace entre moule et pellicule, avec formation de défauts superficiels tels que pailles et doublures.
On a cherché à éviter la r efusion de la pellicule, par l'emploi de divers matériaux clans la cons truction des moules, par l'introduction de lu brifiants tels que le graphite ou certaines huiles, destinés à remplir l'espace et à faciliter le refroidissement de la pellicule malgré son décollage, par la vibration des moules, etc. Ces méthodes ont eu quelques succès avec les métaux relativement fusibles, tels que l'alu minium, le laiton et le bronze, mais la coulée continue des aciers est demeurée essentielle ment impraticable.
A cause de l'extrême difficulté du pro blème de la pellicule, le procédé de la pré sente invention, lequel peut s'appliquer aussi à des matières fusibles autres que des métaux, opère sur un principe tout à fait différent; au lieu de former une pellicule et de protéger sa croissance, il s'oppose délibérément à une telle formation et détruit immédiatement toute trace de pellicule qui aurait tendance à apparaître.
Selon ce procédé, on maintient un bain de matière fondue, disposé entre des pa rois de refroidissement, en état permanent d'agitation par la chute dans ce bain d'un jet libre de ladite matière, de faon à mélanger la matière dès le début de son refroidissement et jusqu'à ce qu'elle ait été amenée à un état pâteux, et en ce que l'on oblige ladite matière à descendre pendant qu'on réduit substan tiellement sa section horizontale dans au moins deux directions transversales et à se refroidir progressivement jusqu'à ce qu'elle émerge d'une faon continue à l'état solide sous forme d'un produit de section constante.
Ainsi, au lieu de refroidir la matière en ré gime statique, en laissant la solidification pro gresser couche par couche vers le centre du produit, dans le procédé selon l'invention, on mélange la matière dès le début de son refroi dissement et jusqu'à l'amener au moins à un état pâteux. La matière passe ensuite en con dition forgeable. Ceci pourrait s'appeler un refroidissement dynamique . On men tionne souvent pour les métaius, comme con dition essentielle d'une bonne coulée continue, la nécessité d'alimenter le métal liquide par un versage exempt de toute turbulence.
Dans le procédé de l'invention, au contraire, il a été démontré expérimentalement qu'une agita tion constante du métal liquide est nécessaire et que le procédé échoue lorsque cette agitation cesse accidentellement. Heureusement, il est bien plus facile de maintenir une turbulence que de l'empêcher dans le cas qui nous occupe.
Avant de décrire le nouveau procédé en dé tail, on peut encore faire une autre distinc tion importante entre les méthodes usuelles de coulée continue et celle de la présente invention.
Dans les méthodes du second groupe, avec moules tubulaires stationnaires ou vibrants, la section transversale du produit demeure inva riable en dimension ou en forme durant toute la solidification. Ceci est d'accord, évidem- ment, avec la formation d'une pellicule qui doit demeurer intacte jusqu'à la fin. Dans les méthodes du premier groupe, qui emploient des rouleaux cylindriques pour former les tôles et les bandes, on cherche à obtenir la formation de deux pellicules, une sur chaque rouleau, et l'on cherche aussi à éviter leur rupture. Mais ces deux pellicules, par suite du mouvement relatif des cylindres se rap prochent l'une de l'autre jusqu'à atteindre une distance égale à l'épaisseur du produit fini.
Ceci s'obtient en chassant le métal liquide entre elles, vers le bain de métal fondu flot tant sur les rouleaux. En d'autres termes, les deux pellicules descendent avec les rouleaux et se joignent au centre du laminoir, soute nant un coin de métal liquide stationnaire entre elles. Cette méthode de coulée dépend essentiellement de la formation de deux pel licules qui ne peuvent être ni allongées, ni ré trécies, ni déformées dans aucune direction de leur propre surface, ainsi qu'il est démon tré par le fait que les cylindres changent une surface originellement cylindrique en une sur face plane pour chaque pellicule, par simple développement géométrique.
C'est aussi dé montré par la grande difficulté rencontrée dans cette méthode aux rebords des rouleaux qui limitent la largeur du produit. Les bords sont un point. critique dans cette méthode, parce que les pellicules transversales qui se forment à ces endroits doivent se replier ou se briser dans la descente, avec le danger ton jours présent du coulage. De nombreux moyens ont été essayés sans trop de succès pour assurer le contrôle de la solidification des bords de la tôle ou du feuillard.
Dans le procédé de l'invention, la section transversale du produit est, substantiellement réduite en dimension au moins depuis l'état pâteux jusqu'à l'état solide, dans au moins deux directions transversales croisées.
De plus, la section transversale est réduite dans une condition pâteuse homogène, tan dis que le métal devient de plus en plus vis queux et forgeable en descendant dans le la minoir, jusqu'à, ce qu'il émerge finalement sous celui-ci avec assez de consistance pour conserver sa forme finale.
Les préliminaires ci-dessus étaient indis pensables pour montrer clairement le principe fonctionnel employé dans le procédé de l'in vention. Les applications décrites sont limi tées aux formes de section transversale relati vement réduites, ayant une épaisseur compa rable à la largeur. Des barres, verges ou fils de section carrée, polygonale ou ronde de moins de 12 mm de dimension transversale sont typiques, avec une préférence pour du fil de J/.j de pouce (6,35 mm) de diamètre au maximum, qui n'est pas obtenable par coulée continue de l'acier selon les procédés connus.
Le procédé de l'invention peut être exécuté, par exemple, comme suit : Du métal liquide est versé sous la forme d'un jet continu ayant une hauteur libre minimum lui assurant une vitesse de chute suffisante. Ce jet frappe le centre d'un petit bain de même métal fondu, lequel est supporté par les rouleaux sphéri ques d'un laminoir clos ou complet, préférable- ment du modèle décrit dans le brevet suisse N 259520. Le débit de ce jet. est ajusté cons tamment pour compenser la. sortie du produit solidifié par le bas du laminoir, maintenant ainsi le bain liquide à un niveau constant.
Ou bien le jet est simplement ajusté par le choix approprié d'un orifice de coulée dans le four ou la poche contenant la réserve de métal liquide, tandis que l'ajustement du débit se fait par variation de la vitesse de rotation des rouleaux du laminoir.
Ledit laminoir complet comprime le pro duit concentriquement et au moins dans deux directions transversales croisées. Cet appareil comporte des surfaces moulantes sphériques et toroïdales qui s'enveloppent l'une l'autre étroitement et contribuent toutes au forgeage du produit à partir de l'état pâteux jusqu'à la forme définitive à l'état solide.
Physiquement parlant, les rouleaux enfer ment entre eux un volume limité latéralement de toutes parts, de section décroissante du haut vers le bas et laissant un passage infé rieur étroit de la forme et de la dimension du produit. désiré. Les surfaces limitant ce vo- lame forment donc un entonnoir, mais les pa rois de ce dernier sont toutes mobiles vers le bas à une vitesse uniforme, sans guides fixes ou coins de remplissage quelconques.
Les fi-. 1 à 4 des dessins annexés au pré sent mémoire montrent une disposition typi que d'un tel laminoir, dans laquelle quatre rouleaux identiques sont utilisés pour la pro duction d'un fil rond.
La fig. 1 est une section horizontale sui vant le plan désigné par la ligne II-II de la fig. 2.
La fig. 2 est une coupe verticale suivant le plan désigné par la ligne I-I de la fig. 1. Les fig. 3 et 4 sont, à plus grande échelle, des coupes semblables à celle de la fig. 2. Dans cet exemple, qui n'est nullement limi tatif, le diamètre des rouleaux est de 220 mm et celui du fil de 5 mm. Chaque rouleau pos sède une surface sphérique convexe 2 conju guée à la surface sphérique' concave 3 du rouleau adjacent..
A la jonction des surfaces sphériques convexe et concave de chaque rou leau se trouve une gorge annulaire 4 de forme appropriée à la section transversale du pro duit (à peu près -Lui quart de cercle pour un fil rond). La vitesse moyenne de rotation des rouleaux est de 39 tours par minute, et la production est d'environ 30 cm de fil d'acier par seconde ou 18 ni par minute. Elle est d'ailleurs réglable dans de larges limites. Le métal est alimenté à partir d'un creuset, four ou poche de coulée 5 convenablement chauffé, par exemple au moyen d'une bobine à haute fréquence 6.
La coulée par le fond à travers une tuyère 7 est préférée à la coulée par le bec parce que le jet peut être ajusté rapide ment par un léger mouvement du bouchon réfractaire 8, tandis que l'ajustement du ver- sage par le bec implique des grands effets d'inertie et trop de pertes de chaleur par ra diation. Le métal dans le récipient 5 doit être complètement fondu, mais pas trop sur chauffé. On empêchera l'oxydation du métal liquide soit par un laitier, soit par une atmo sphère neutre ou réductrice. Un petit jet de gaz de ville convient pour les aciers au car bone, tandis que l'azote est préférable pour les aciers inoxydables au nickel-chrome.
Si on se sert de laitier et si la poche 5 est remplie pé riodiquement ou continuellement, il faut éli- miner l'excès de laitier par tut trou de cou lée supérieur 10.
La fig. 3 montre l'action favorable de la turbulence ou du remous dans le procédé. Le mouvement indiqué par les flèches 11 est clai rement visible en pratique: si on observe le bain entre les rouleaux, du métal pâteux sem ble émerger continuellement des rouleaux 1 et se concentrer sous le jet 12 en un tourbillon permanent. Ceci montre un mouvement ascen sionnel du métal contre les rouleaux, malgré leur mouvement de descente.
A un niveau inférieur dans le laminoir, cependant, le mé tal qui a acquis assez de consistance pour réa gir à la pression des rouleaux doit évidem ment accompagner ceux-ci vers le bas pour finalement sortir sous forme d'un fil sous l'appareil. Ce renversement de direction est montré par les flèches 13. On a essayé d'ali menter les rouleaux par un tube de guidage 14 en réfractaire chauffé, comme indiqué à la fig. 4. On cherchait ainsi à éviter le bain ou vert au-dessus des rouleaux et la nécessité d'ajuster le débit du jet ou la vitesse de la machine. Mais aucun fil ne put être obtenu de cette manière.
Par suite du manque d'agi tation,, une mince pellicule stationnaire 15 se for mait sur les rouleaux, laissant le métal liquide couler librement par l'orifice central du la minoir. Après quelques instants, la pellicule avait crû suffisamment pour boucher cet ori fice et tout écoulement s'arrêtait. Ceci prouve bien la nécessité de l'agitation du bain pour obtenir un refroidissement homogène par con vection bien plus que par conduction.
Le contact effectif entre les rouleaux et le métal chaud est de durée extrêmement courte, comparée à celle des autres méthodes de coulée continue. Dans le cas de la fig. 1, par .exemple, ce contact ne dure que '/e de seconde environ à chaque tour des rouleaux et pour tin point quelconque de leur surface active. Comme les rouleaux sont refroidis extérieurement par bain d'eau ou autrement, les contacts successifs avec le métal fondu n'ont pas d'effet thermique cumulatif, et ils restent pratiquement froids même avec l'acier fondu.
Après mouillage, chaque portion des rouleaux est séchée par un violent eotuant d'air avant de reprendre le contact du bain de métal liquide, afin d'éviter des explosions par vaporisation instantanée. On remédie ainsi à la désintégration des rouleaux constatée dans d'autres méthodes de coulée continue où les contacts sont de bien phis longue durée et les cycles thermiques bien phis sévères.
L'opération de coulée continue peut être manuelle ou automatique soit. selon la mé thode du jet variable et de la vitesse de rota tion constante, soit avec un jet. constant ou variant continûment à mesure que la poche de coulée se vide, et une vitesse de rotation variable. On peut encore, par l'une comme par l'autre de ces deux méthodes, maintenir un bain bas, moyen ou haut, selon le degré de surchauffe du métal. Si, par exemple, le fil sort trop froid (couleur trop sombre), l'opé rateur peut soit diminuer la hauteur du bain, soit accélérer la machine en augmentant le débit du jet. D'une manière comme de l'autre, il réduira ainsi la surface ou le temps de con tact, et, par suite, le refroidissement dans le laminoir.
Ces ajustements ont le mérite d'avoir un effet instantané, tandis que toute variation de la. température du jet serait né cessairement trop lente. Ils peuvent d'ailleurs être contrôlés automatiquement par des dis positifs pyrométriques ou photoélectriques connus.
L'emploi d'un laminoir du type décrit est indiqué, à titre d'exemple seulement, et n'est pas limitatif, d'autres appareils pouvant être -utilisés dans le même but.
Process for the continuous casting of bars, yards and wires. Continuous metal casting methods can be divided into two main classes, the processes in which the soft surfaces accompany the metal in its course. solidification and processes where the solidifying metal slides into a stationary mold.
Sheets or strips which are relatively thin in relation to their width flow best into rotating cylindrical rollers belonging to the first group, while billets, bars or rods of approximately square or round cross-section are easier to cut. produce in tubular molds from the second group from which the solidified product is gradually extracted by gravity or by any other external force.
A common characteristic of the two groups mentioned above, and which is found in all the known methods of continuous casting, consists in the progressive solidification from the outside towards the center of the product: A solid film is first formed on contact cold walls of rolls or molds, and great care must then be taken to avoid breaking it until it has acquired sufficient thickness to withstand the hydrostatic pressure of the still liquid inner metal. At this time, the product can. emerge safely from the machine. sink and be cooled by jets of water or otherwise.
The fragility of the solidified metal film from its formation is one of the main difficulties of continuous casting. In fact, most of the improvements made to the various processes have sought to strengthen this film rapidly. Accelerated cooling is not very useful, because it promotes the contraction of the product and its separation from the mold, creating in places an empty space between the mold and the film. The film then stops cooling. On the contrary, it warms up quickly by the intake. heat of the internal liquid metal. Frequently, it melts or breaks, allowing the molten metal to flow freely into the space between the mold and the film, with the formation of surface defects such as straws and liners.
Attempts have been made to avoid the reflow of the film, by the use of various materials in the construction of the molds, by the introduction of lubricants such as graphite or certain oils, intended to fill the space and to facilitate cooling of the film despite its detachment, by vibration of the molds, etc. These methods have had some success with relatively fusible metals, such as aluminum, brass and bronze, but the continuous casting of steels has remained essentially impractical.
Because of the extreme difficulty of the film problem, the process of the present invention, which can also be applied to meltable materials other than metals, operates on an entirely different principle; instead of forming a film and protecting its growth, it deliberately opposes such formation and immediately destroys any traces of film which tend to appear.
According to this process, a bath of molten material is maintained, disposed between cooling walls, in a permanent state of agitation by the fall in this bath of a free jet of said material, so as to mix the material from the start. cooling and until it has been brought to a pasty state, and in that said material is forced to descend while its horizontal section is substantially reduced in at least two transverse directions and cool gradually until it emerges continuously in a solid state as a product of constant section.
Thus, instead of cooling the material in static conditions, letting the solidification progress layer by layer towards the center of the product, in the process according to the invention, the material is mixed from the start of its cooling and until to bring it at least to a pasty state. The material then passes into a forgeable condition. This could be called dynamic cooling. The essential condition of good continuous casting is often mentioned for metaus, the necessity of supplying the liquid metal by pouring free from any turbulence.
In the process of the invention, on the contrary, it has been demonstrated experimentally that constant agitation of the liquid metal is necessary and that the process fails when this agitation accidentally ceases. Fortunately, it is much easier to maintain turbulence than to prevent it in this case.
Before describing the new process in detail, one can still make another important distinction between the usual continuous casting methods and that of the present invention.
In the methods of the second group, with stationary or vibrating tubular molds, the cross-section of the product remains invariable in size or shape throughout the solidification. This agrees, of course, with the formation of a film which must remain intact until the end. In the methods of the first group, which employ cylindrical rollers to form the sheets and bands, one seeks to obtain the formation of two films, one on each roll, and one also seeks to avoid their breaking. But these two films, as a result of the relative movement of the rolls move closer to one another until they reach a distance equal to the thickness of the finished product.
This is obtained by driving the liquid metal between them, towards the molten metal bath flowing so much on the rollers. In other words, the two films descend with the rollers and join in the center of the rolling mill, supporting a wedge of stationary liquid metal between them. This casting method essentially depends on the formation of two coils which cannot be elongated, shrunk, or deformed in any direction from their own surface, as demonstrated by the fact that the cylinders change a surface. originally cylindrical in a flat face for each film, by simple geometric development.
It is also shown by the great difficulty encountered in this method at the edges of the rollers which limit the width of the product. The edges are a point. critical in this method, because the transverse films that form in these places must bend or break in the descent, with the present day danger of the casting. Many means have been tried without too much success to ensure control of the solidification of the edges of the sheet or of the strip.
In the process of the invention, the cross-section of the product is, substantially reduced in size at least from the pasty state to the solid state, in at least two crossed transverse directions.
In addition, the cross-section is reduced in a homogeneous pasty condition, tan say that the metal becomes more and more screwy and forgeable as it descends into the minoir, until, until it finally emerges below it with enough consistency to retain its final shape.
The above preliminaries were essential to clearly show the functional principle employed in the process of the invention. The applications described are limited to the relatively small cross-sectional shapes having a width-comparable thickness. Bars, yards or wires of square, polygonal or round cross-section of less than 12 mm in cross-sectional dimension are typical, with a preference for wire of J / .j inch (6.35 mm) or less in diameter, which does not 'is not obtainable by continuous casting of the steel according to known methods.
The method of the invention can be carried out, for example, as follows: Liquid metal is poured in the form of a continuous jet having a minimum free height ensuring it a sufficient falling speed. This jet hits the center of a small bath of the same molten metal, which is supported by the spherical rollers of a closed or complete rolling mill, preferably of the model described in Swiss Patent No. 259520. The flow rate of this jet. is adjusted constantly to compensate for the. outlet of the solidified product through the bottom of the rolling mill, thus maintaining the liquid bath at a constant level.
Or the jet is simply adjusted by the appropriate choice of a pouring orifice in the furnace or the ladle containing the reserve of liquid metal, while the flow adjustment is made by varying the speed of rotation of the rolling mill rolls .
Said complete rolling mill compresses the product concentrically and at least in two crossed transverse directions. This apparatus has spherical and toroidal molding surfaces which wrap around each other tightly and all aid in forging the product from the pasty state to the final solid state.
Physically speaking, the rolls enclose between them a volume limited laterally on all sides, of section decreasing from top to bottom and leaving a narrow lower passage in the shape and size of the product. longed for. The surfaces limiting this void therefore form a funnel, but the walls of the latter are all movable downwards at a uniform speed, without fixed guides or any filling wedges.
The fi-. 1 to 4 of the drawings appended to this specification show a typical arrangement of such a rolling mill, in which four identical rolls are used for the production of a round wire.
Fig. 1 is a horizontal section along the plane designated by line II-II of FIG. 2.
Fig. 2 is a vertical section along the plane designated by the line I-I of FIG. 1. Figs. 3 and 4 are, on a larger scale, sections similar to that of FIG. 2. In this example, which is in no way limiting, the diameter of the rollers is 220 mm and that of the wire is 5 mm. Each roller has a convex spherical surface 2 conjugated with the concave spherical surface 3 of the adjacent roller.
At the junction of the convex and concave spherical surfaces of each roll there is an annular groove 4 of a shape appropriate to the cross section of the product (roughly a quarter of a circle for a round wire). The average speed of rotation of the rollers is 39 revolutions per minute, and the output is about 30 cm of steel wire per second or 18 m per minute. It is also adjustable within wide limits. The metal is fed from a suitably heated crucible, furnace or ladle 5, for example by means of a high frequency coil 6.
Bottom casting through a nozzle 7 is preferred over nozzle casting because the jet can be quickly adjusted by a slight movement of the refractory plug 8, while the nozzle pouring adjustment involves great effects of inertia and too much heat loss by radiation. The metal in vessel 5 should be completely melted, but not too overheated. The oxidation of the liquid metal will be prevented either by a slag or by a neutral or reducing atmosphere. A small jet of town gas is suitable for carbon steels, while nitrogen is preferable for nickel-chromium stainless steels.
If slag is used and the bag 5 is filled periodically or continuously, the excess slag should be removed through the upper neck hole 10.
Fig. 3 shows the favorable action of the turbulence or the eddy in the process. The movement indicated by arrows 11 is clearly visible in practice: if we observe the bath between the rollers, pasty metal seems to emerge continuously from the rollers 1 and concentrate under the jet 12 in a permanent vortex. This shows an upward movement of the metal against the rollers, despite their downward movement.
At a lower level in the rolling mill, however, the metal which has acquired enough consistency to react to the pressure of the rollers must obviously accompany them downwards to finally come out in the form of a wire under the apparatus. . This reversal of direction is shown by the arrows 13. An attempt has been made to feed the rollers by a guide tube 14 of heated refractory, as indicated in FIG. 4. The aim was thus to avoid the bath or green above the rollers and the need to adjust the flow rate of the jet or the speed of the machine. But no thread could be obtained in this way.
As a result of the lack of agitation, a thin stationary film 15 forms on the rollers, allowing the liquid metal to flow freely through the center hole of the nozzle. After a few moments, the film had grown enough to block this opening and all flow stopped. This clearly proves the need for agitation of the bath in order to obtain homogeneous cooling by convection much more than by conduction.
The actual contact between the rolls and the hot metal is extremely short in duration, compared to that of other continuous casting methods. In the case of fig. 1, for example, this contact lasts only about 1 / th of a second at each revolution of the rollers and for any point of their active surface. As the rolls are cooled externally by water bath or otherwise, successive contacts with molten metal have no cumulative thermal effect, and they remain nearly cold even with molten steel.
After wetting, each portion of the rolls is dried by a violent eotuant of air before resuming contact with the bath of liquid metal, in order to avoid explosions by instantaneous vaporization. This eliminates the disintegration of the rolls observed in other continuous casting methods where the contacts are very long lasting and the thermal cycles are very severe.
The continuous casting operation can be either manual or automatic. according to the variable jet method and constant rotational speed, or with a jet. constant or continuously varying as the ladle empties, and a variable speed of rotation. It is also possible, by either of these two methods, to maintain a low, medium or high bath, depending on the degree of overheating of the metal. If, for example, the wire comes out too cold (color too dark), the operator can either reduce the height of the bath or speed up the machine by increasing the flow of the jet. Either way, it will thus reduce the contact area or time, and hence the cooling in the rolling mill.
These adjustments have the merit of having an instant effect, while any variation in the. jet temperature would necessarily be too slow. They can moreover be controlled automatically by known pyrometric or photoelectric devices.
The use of a rolling mill of the type described is indicated, by way of example only, and is not limiting, other apparatus being able to be used for the same purpose.