Procédé et dispositif pour couler, avec un débit réglable, un métal fondu Le présent brevet a pour objet un procédé pour cou ler, avec un débit réglable, à travers un orifice, un métal fondu et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce pro cédé.
Le procédé actuellement utilisé pour couler, avec un débit réglable, à travers un orifice, un métal fondu con siste à laisser simplement écouler le métal fondu dans l'orifice et à régler le débit d'écoulement au moyen d'un dispositif d'obturation mécanique de l'orifice. Ce procédé présente l'avantage de sa simplicité mais il ne donne tou tefois par entière satisfaction du fait que les dispositifs employés pour sa mise en oeuvre présentent de nom breux inconvénients.
De tels dispositifs, par exemple les dispositifs qui sont employés dans les installations industrielles de coulée continue de l'acier pour faire couler l'acier des récipients intermédiaires dans les lingotières, comportent des buret tes de coulée en matériaux réfractaires, notamment en céramique à base de silicate de zirconium ou à base d'oxyde de zirconium, qui peuvent être obturées au moyen de bouchons constitués par le même matériau que la burette et manoeuvrés par des moyens mécani ques.<B>De</B> tels dispositifs présentent l'inconvénient de se corroder très rapidement, sous l'action du métal fondu, au cours de la coulée, et de devoir être échangés, prati quement après chaque coulée.
Cette corrosion progres sive et rapide complique, en outre, la régulation du débit d'écoulement de l'acier et elle provoque aussi la contami nation des lingots par des substances indésirables. Enfin, dans le cas où, pour une raison ou une autre, l'écoule ment doit être interrompu en cours de coulée, sa reprise est très difficile, tout au moins dans le cas où la poche ou le récipient intermédiaire contenant le métal n'est pas muni de moyens de chauffage, car elle nécessite généralement de refondre la partie du métal qui se trouve engagée dans l'orifice de coulée et qui se solidi- fie si l'interruption de l'écoulement est d'une certaine durée.
Le but de l'invention est d'éviter ces inconvénients. A cet effet, ce procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on refroidit les parois de l'orifice de façon à obtenir la solidification du métal à partir de la périphérie et que l'on chauffe la masse du métal traver sant l'orifice, de manière à obtenir le débit désiré.
Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé par le fait qu'il comporte un récipient muni d'au moins un orifice de coulée, des moyens de refroidissement des parois de cet orifice et des moyens de chauffage de la masse du métal traversant l'orifice, au moins un de ces moyens de refroidissement et de chauffage étant réglable.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 représente, vue en coupe, l'ensemble du dis positif dans son application comme panier de coulée. La fig. 2 représente, en coupe et à plus grande échelle, la partie du panier de coulée où se trouve l'ori fice de coulée, conformément à une première forme d'exécution du dispositif.
La fig. 3 est une vue en coupe, selon le plan de coupe représenté par la ligne III-III de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue en coupe, selon le même plan de coupe, que celui de la fig. 3, du. détail du dispositif représenté à la fig. 2, conformément à une variante.
La fig. 5 est une vue en coupe comparable à celle de la fig. 2, d'une seconde forme d'exécution du dispositif. Le panier de coulée représenté à la fig. 1 comporte une paroi 1 en un matériau réfractaire. Dans le fond du panier de coulée est ménagé l'orifice de coulée 2, repré senté à plus grande échelle à la fig. 2. L'orifice<B>repré-</B> senté aux fig. 1 et 2 a une section circulaire, sa partie supérieure est évasée en forme de tronc de cône.
Bien entendu, l'orifice de coulée peut avoir une section de toute autre forme. Les parois de cet orifice sont consti tuées, dans la partie circulaire représentée aux fig. 1 et 2, par une chemise de refroidissement 3 en un métal bon conducteur calorifique, par exemple le cuivre, dans lequel circule un fluide de refroidissement par exemple de l'eau. Cette chemise de refroidissement est entourée par un dispositif permettant de chauffer la masse du métal se trouvant engagée dans l'orifice de coulée sans que pour autant la partie au contact des parois de l'ori fice de coulée ne cessé d'être refroidie.
Dans la forme d'exécution du dispositif de coulée représentée à la fig. 2, le chauffage est effectué par induction, au moyen d'un tuyau 4 en un métal bon con ducteur, par exemple en cuivre, refroidi intérieurement par un courant d'eau froide, enroulé en plusieurs spires, concentriquement, autour de la chemise de refroidisse ment sans toucher celle-ci et relié aux bornes d'un géné rateur de courant à haute ou moyenne fréquence.
Comme on le voit aux fig. 3 et 4, la chemise de refroidissement 3 ne forme pas un anneau continu mais comporte une coupure dans toute sa longueur de ma nière à ne pas absorber une quantité notable d'énergie du dispositif de chauffage par induction. La chemise de refroidissement pourrait avantageusement être divisée en plusieurs sections isolées donc comporter plusieurs cou pures dans le sens de la génératrice ce qui diminuerait d'autant l'absorption d'énergie électrique.
Selon la variante représentée à la fig. -l, la chemise de refroidissement 3 forme des rainures sur sa paroi inté rieure qui accroissent la surface en contact avec le métal à l'intérieur de l'orifice. La paroi intérieure de la chemise de refroidissement sera avantageusement ru- gtïeuse etjou revëtué d'une couche favorisant l'adhé rence de la croûte de métal solidifiée ce qui permet, àussi bien de diminuer les risques de décollement de cette croûte que d'améliorer les échanges thermiques entre le métal à couler et la chemise de refroidissement.
' Dans la forme d'exécution du dispositif de coulée représentée à la fig. 5, le chauffage est effectué par effet Joule au moyen de deux anneaux conducteurs 6 se trou vant l'un à l'entrée et l'autre à la sortie de l'orifice de côulée,
'ces deux anneaux étant chacun relié à l'une des bornës d'une source de courant électrique continu ou alternatif et isolés de la chemise de refroidissement de sorte que le passage du courant entre les anneaux *ne se fait que par l'intermédiaire de la colonne de métal qui se trouve engagée dans l'orifice de coulée et qui est ainsi chauffée par effet Joule.
L'a capacité du rriôyen de refroidissement doit être telle-.que, pour une puissance de chauffage inférieure à une çértaine' limite, donc également en l'absence de chauffage;
tout le métal engagé dans l'orifice de coulée soit refroidi en dessous de sa température de solidifica. f'ron. La capacité du Moyen de chauffage doit être telle que, pour une puissance donnée, supérieure à la limite rïiëtitionnéé ci-dessus, au .moins une partie du métal soit mâintënûe à l'état fondu, dans la partie axiale de l'ori fice, en formant un conduit d'écoulement, la partie du métal au contact de la paroi de l'orifice étant solidifiée de manière à former une croûte 5 d'une certaine épais seur.
Le métal peut donc s'écouler sans qu'il en résulte une corrosion des parois de l'orifice de coulée. Quant à la valeur -maximale de la puissance de chauffage, elle peut être choisie de manière à correspondre atr diàm8- tie-maximutri que l'on désire conférer au conduit d'écou- leniént: dans le cas où l'on désire éliminer le risque de fondre accidentellement la paroi de l'orifice, donc la che mise de refroidissement. Toutefois, on peut aussi dispo ser d'une puissance de chauffage plus élevée afin d'aug menter la vitesse d'ouverture de l'orifice.
II convient, dans ce dernier cas, de disposer de moyens de contrôle du diamètre d'ouverture et de moyens pour diminuer rapidement la puissance de chauffage au moment où l'ouverture désirée est obtenue.
Le fonctionnement du dispositif décrit est le même dans les deux formes d'exécution représentées sur les fig. 2 et 5 : la partie de métal se trouvant au contact des parois de l'orifice, c'est-à-dire de la chemise de refroidis sement, est refroidie. On règle la capacité de refroidisse ment de manière que la partie du métal au contact de la paroi soit solidifiée et forme une croûte 5 d'une cer taine épaisseur entre la paroi et la partie centrale du métal 7 qui reste à l'état fondu.
En augmentant l'intensité du chauffage, ce que l'on peut obtenir en augmentant la puissance délivrée par le générateur de courant à haute fréquence ou l'intensité du courant passant dans la zone de métal envoyée dans l'orifice de coulée, on augmente le diamètre de la zone fondue et, par conséquent, le débit d'écoulement du métal.
Il est également possible d'opérer en maintenant constante l'intensité de chauffage et en faisant varier le refroidissement. Toutefois, étant donné que le chauffage est plus facile à régler que le refroidissement, on laissera de préférence le refroidissement constant et on fera varier le chauffage.
On peut effectuer, de cette dernière manière, un ré glage très rapide du début d'écoulement du métal à trà- vers l'orifice.
Par exemple, dans le cas où le métal en fusion à cou ler est l'acier et la chemise de refroidissement de l'ori fice de coulée est en cuivre, cet orifice ayant un diamè tre de 30 mm et une longueur refroidie de 10 mm, avec une capacité de refroidissement de 3,4 kW, ce qui cor respond à une évacuation de chaleur de 80 cal/cm s à travers la paroi de la chemise de refroidissement, on obtient en 0,6 sec, environ, une diminution de 3 à 2 cm' de la section fondue, cette diminution de section permet tant donc une réduction d'un tiers environ du débit d'écoulement du métal.
Dans les mêmes conditions, il faut 2,2 sec pour ré duire le débit de 75 % lorsque le diamètre de la partie fondue du métal passe de 2 à 1 cm.
Le dispositif et le procédé décrits peuvent être utili sés et mis en aeuvre pour couler d'autres métaux fondus que l'acier et ils peuvent être même adaptés à la coulée d'une substance fondue non conductrice en remplaçant les moyens de chauffages décrits plus haut par un dispo sitif de chauffage dit par effet capacitif , système bien connu en .soi. ..
Ainsi, le dispositif décrit. permet d'éviter le contact du métal fondu avec les parois de l'orifice de coulée et, par conséquent, de supprimer la corrosion de ces parois.
Le dispositif. de coulée décrit peut donc être utilisé pour un nombre pratiquement illimité d'opérations de coulée sans nécessiter de réparation ou d'échange: De ce fait, ce dispositif présente l'avantage de permettre de dis poser plusieurs orifices de coulée sur un seul et même récipient ce qui est particulièrement avantageux, par exemple dans le cas où l'on désire obtenir, par le pro= cédé de coulée continue, un lingot de grande section. Il est évident que la multiplication du nombre d'orifices dé coulée nécessite que le réglage de l'ouverture de chacun d'eux puisse se faire de façon absolument sûre.
Le dispositif de coulée présente aussi l'avantage de permettre l'obtention d'un jet de métal plein , c'est- à-dire de forme géométrique régulière et constante dans !e temps, correspondant à la forme de la section de l'ori fice de coulée ce qui est difficilement réalisable avec les dispositifs connus dans lesquels la présence d'une barre ou d'un obturateur au-dessus de l'orifice de coulée em pêche, surtout au voisinage de la position de fermeture de l'orifice, le remplissage complet de cet orifice par le liquide au cours de la coulée.
L'obtention d'un jet de métal plein est un gros avan tage notamment en ce qui concerne la sécurité des opé rateurs se trouvant au voisinage de la lingotière, dans le cas de la coulée continue de l'acier, car elle diminue les risques de projection de gouttes de métal en fusion.
Method and device for pouring, with an adjustable flow rate, a molten metal The present patent relates to a process for pouring, with an adjustable flow rate, through an orifice, a molten metal and a device for the implementation of this process. ceded.
The present process for pouring molten metal through an orifice at an adjustable rate is to simply allow the molten metal to flow into the orifice and to regulate the flow rate by means of a shutter device. orifice mechanics. This method has the advantage of its simplicity, but it does not however give complete satisfaction because the devices used for its implementation have numerous drawbacks.
Such devices, for example the devices which are used in industrial installations for the continuous casting of steel for casting the steel from the intermediate containers into the ingot molds, comprise casting burets made of refractory materials, in particular of ceramic based. of zirconium silicate or based on zirconium oxide, which can be sealed by means of stoppers made of the same material as the burette and operated by mechanical means. <B> De </B> such devices present the drawback of corroding very quickly, under the action of molten metal, during casting, and of having to be exchanged, practically after each casting.
This progressive and rapid corrosion further complicates the regulation of the flow rate of the steel and it also causes the ingots to be contaminated by undesirable substances. Finally, in the case where, for one reason or another, the flow must be interrupted during the casting, its resumption is very difficult, at least in the case where the ladle or the intermediate container containing the metal is not is not provided with heating means, because it generally requires remelting the part of the metal which is engaged in the pouring orifice and which solidifies if the interruption of the flow is of a certain duration.
The aim of the invention is to avoid these drawbacks. To this end, this method according to the invention is characterized in that the walls of the orifice are cooled so as to obtain solidification of the metal from the periphery and that the mass of the metal is heated through sant the orifice, so as to obtain the desired flow rate.
The device for carrying out this process is characterized in that it comprises a receptacle provided with at least one pouring orifice, means for cooling the walls of this orifice and means for heating the mass of the metal. passing through the orifice, at least one of these cooling and heating means being adjustable.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the device for implementing the method according to the invention.
Fig. 1 shows a sectional view of the entire positive device in its application as a tundish. Fig. 2 shows, in section and on a larger scale, the part of the pouring basket where the pouring hole is located, in accordance with a first embodiment of the device.
Fig. 3 is a sectional view, along the sectional plane shown by line III-III of FIG. 2.
Fig. 4 is a sectional view, along the same sectional plane as that of FIG. 3, from. detail of the device shown in FIG. 2, according to a variant.
Fig. 5 is a sectional view comparable to that of FIG. 2, of a second embodiment of the device. The pouring basket shown in FIG. 1 comprises a wall 1 made of a refractory material. In the bottom of the pouring basket is formed the pouring orifice 2, shown on a larger scale in FIG. 2. The hole <B> shown </B> shown in figs. 1 and 2 has a circular section, its upper part is flared in the shape of a truncated cone.
Of course, the pouring orifice can have a section of any other shape. The walls of this orifice are formed in the circular part shown in FIGS. 1 and 2, by a cooling jacket 3 made of a metal that is a good heat conductor, for example copper, in which a cooling fluid, for example water, circulates. This cooling jacket is surrounded by a device making it possible to heat the mass of the metal which is engaged in the pouring orifice without, however, the part in contact with the walls of the pouring orifice constantly being cooled.
In the embodiment of the casting device shown in FIG. 2, the heating is carried out by induction, by means of a pipe 4 made of a good conductive metal, for example copper, cooled internally by a current of cold water, wound in several turns, concentrically, around the jacket. cooling without touching it and connected to the terminals of a high or medium frequency current generator.
As seen in Figs. 3 and 4, the cooling jacket 3 does not form a continuous ring but has a cut in its entire length so as not to absorb a significant amount of energy from the induction heating device. The cooling jacket could advantageously be divided into several insulated sections, therefore comprising several pure necks in the direction of the generator, which would correspondingly reduce the absorption of electrical energy.
According to the variant shown in FIG. -l, the cooling jacket 3 forms grooves on its inner wall which increase the surface in contact with the metal inside the orifice. The inner wall of the cooling jacket will advantageously be ragged and be coated with a layer promoting the adhesion of the solidified metal crust which makes it possible both to reduce the risks of this crust detaching and to improve the thermal exchanges between the metal to be cast and the cooling jacket.
'In the embodiment of the casting device shown in FIG. 5, the heating is carried out by the Joule effect by means of two conductive rings 6 being hole one at the inlet and the other at the outlet of the côule hole,
'these two rings being each connected to one of the terminals of a source of direct or alternating electric current and isolated from the cooling jacket so that the passage of current between the rings * is only done through the metal column which is engaged in the pouring orifice and which is thus heated by the Joule effect.
The capacity of the cooling rriôyen must be such-. That, for a heating power below a limit çértaine, therefore also in the absence of heating;
all the metal engaged in the pouring orifice is cooled below its solidifying temperature. f'ron. The capacity of the heating medium must be such that, for a given power, greater than the limit reiterated above, at least a part of the metal is molten, in the axial part of the orifice, by forming a flow duct, the part of the metal in contact with the wall of the orifice being solidified so as to form a crust 5 of a certain thickness.
The metal can therefore flow without causing corrosion of the walls of the pouring orifice. As for the -maximal value of the heating power, it can be chosen so as to correspond to the diàm8-maximutri that one wishes to confer on the flow duct: in the case where one wishes to eliminate the risk of accidentally melting the wall of the orifice, therefore the cooling plug. However, it is also possible to have a higher heating power in order to increase the speed of opening of the orifice.
In the latter case, it is advisable to have means for controlling the opening diameter and means for rapidly reducing the heating power when the desired opening is obtained.
The operation of the device described is the same in the two embodiments shown in FIGS. 2 and 5: the part of metal which is in contact with the walls of the orifice, that is to say of the cooling jacket, is cooled. The cooling capacity is adjusted so that the part of the metal in contact with the wall is solidified and forms a crust 5 of a certain thickness between the wall and the central part of the metal 7 which remains in the molten state.
By increasing the intensity of the heating, which can be obtained by increasing the power delivered by the high frequency current generator or the intensity of the current passing through the zone of metal sent into the pouring orifice, we increase the diameter of the molten zone and hence the metal flow rate.
It is also possible to operate by keeping the intensity of heating constant and by varying the cooling. However, since the heating is easier to control than the cooling, the cooling will preferably be left constant and the heating will be varied.
In this latter manner, a very rapid adjustment of the start of flow of the metal through the orifice can be effected.
For example, in the case where the molten metal to be cast is steel and the cooling jacket of the pouring hole is copper, this orifice having a diameter of 30 mm and a cooled length of 10 mm. , with a cooling capacity of 3.4 kW, which corresponds to a heat dissipation of 80 cal / cm s through the wall of the cooling jacket, a reduction of approx. 0.6 sec. 3 to 2 cm 'of the molten section, this reduction in section therefore allows a reduction of about a third of the flow rate of the metal.
Under the same conditions, it takes 2.2 sec to reduce the flow rate by 75% when the diameter of the molten part of the metal increases from 2 to 1 cm.
The device and the method described can be used and implemented for casting other molten metals than steel and they can even be adapted to the casting of a non-conductive molten substance by replacing the heating means described above. by a so-called capacitive effect heating device, a system well known in itself. ..
Thus, the device described. makes it possible to avoid contact of the molten metal with the walls of the pouring orifice and, consequently, to eliminate the corrosion of these walls.
The device. described casting can therefore be used for a virtually unlimited number of casting operations without requiring repair or exchange: As a result, this device has the advantage of making it possible to arrange several casting orifices on one and the same container which is particularly advantageous, for example in the case where it is desired to obtain, by the process of continuous casting, an ingot of large section. It is obvious that the multiplication of the number of casting orifices requires that the adjustment of the opening of each of them can be done in an absolutely safe manner.
The casting device also has the advantage of making it possible to obtain a solid metal jet, that is to say of regular geometric shape and constant over time, corresponding to the shape of the section of the casting orifice which is difficult to achieve with known devices in which the presence of a bar or a shutter above the casting orifice prevents it, especially in the vicinity of the closed position of the orifice , the complete filling of this orifice with the liquid during the casting.
Obtaining a solid metal jet is a big advantage, in particular with regard to the safety of the operators in the vicinity of the mold, in the case of the continuous casting of the steel, because it reduces the risks. splash of molten metal drops.