CH630274A5 - Chemise de refroidissement pour lingotiere de coulee continue. - Google Patents

Description

La présente invention se rapporte à une chemise de refroidissement pour lingotière de coulée continue.

Une lingotière classique de coulée continue peut être considérée comme un moule refroidi en permanence, ouvert à ses deux extrémités et dans lequel du métal en fusion est introduit en continu par l'une de ses extrémités, et un lingot, en partie solidifié, est extrait, également en continu, par l'autre. Un tel moule comprend essentiellement un élément tubulaire interne, en contact avec le métal coulé, dont il détermine la section et une chemise extérieure définissant avec cet élément un passage annulaire par un fluide de refroidissement. L'élément tubulaire interne, généralement en cuivre ou en alliage de cuivre, assure un bon transfert thermique entre le métal coulé et le fluide de refroidissement alors que la chemise dite chemise de refroidissement, habituellement en acier, assure, souvent en association avec le caisson extérieur, la rigidité et la résistance mécanique de l'ensemble.

Dans le cas de la coulée de produits de section relativement faible, tels que les billettes, la tenue mécanique de l'élément en cuivre, même de faible épaisseur, est généralement suffisante sans qu'il soit nécessaire de prévoir des moyens d'ancrage élaborés pour fixer cet élément à la chemise de refroidissement. Souvent même, les moyens d'ancrage sont inexistants (brevets français N° 2248103 et N° 2315344).

Par contre, il en va tout différemment dans le cas de produits à section plus large, tels que les blooms ou les brames. Le problème de la tenue mécanique de l'élément en cuivre se pose alors de façon accrue, car l'augmentation de la largeur des parois conduit à la fois à

un affaiblissement de leur résistance à la flexion et à des déformations à chaud plus importantes.

Pour pallier de tels inconvénients, provoquant la mise au rebut de la lingotière à brève échéance, on a déjà pensé à renforcer l'élément en cuivre par des nervures longitudinales définissant entre elles des canaux pour le fluide de refroidissement (brevet français N° 2196866) ou à augmenter son épaisseur jusqu'à des valeurs n'affectant pas sensiblement l'efficacité du système de refroidissement, et à ancrer cet élément sur la chemise, elle-même épaissie pour conférer à l'ensemble un complément indispensable de rigidité. Pour ce faire, il est connu de percer et de tarauder des ouvertures borgnes dans l'élément en cuivre, et d'y visser des goujons en acier qui traversent des ouvertures correspondantes ménagées dans la chemise de refroidissement et sont munis à leur extrémité d'écrous de serrage qui portent sur la chemise.

De telles lingotières ne peuvent convenir dans tous les cas. C'est le cas, en l'occurrence, des lingotières équipées d'un inducteur électromagnétique pour la mise en mouvement du métal liquide, dont il semble qu'il soit fait un usage croissant dans le domaine technique considéré. Dans ce type de lingotière en effet, l'inducteur, de forme tubulaire, entoure la chemise. Aussi est-il nécessaire, afin de limiter au maximum l'affaiblissement du champ magnétique lors de la traversée de la chemise et surtout de l'élément en cuivre, de rapprocher tant que faire se peut l'inducteur du métal coulé. De ce fait, il est souhaitable en premier lieu de pouvoir réduire le plus possible l'épaisseur de ces deux éléments.

Il a déjà été proposé (brevet français N° 2310821), une lingotière répondant à de telles exigences. Dans ce type de lingotière, la chemise est associée à une enveloppe extérieure également en acier, l'ensemble constituant un caisson. Ce caisson comporte intérieurement des colonnes de maintien présentant un évidement axial pour le passage de tirants. Ces tirants sont vissés, à une extrémité, dans l'élément en cuivre et sont munis, à l'autre extrémité, d'écrous de serrage portant sous l'enveloppe.

Face à la complexité des problèmes évoqués, les lingotières de ce type constituent vraisemblablement l'une des meilleures solutions connues à l'heure actuelle. Toutefois, la présence de colonnes à l'intérieur du caisson, lequel contient l'inducteur, impose une adaptation particulière de ce dernier qui le lie à la lingotière et pénalise ainsi l'ensemble, tant sur le plan de la-technologie que sur celui de la souplesse d'utilisation (voir par exemple les brevets français No 2324395 et N° 2324397).

La présente invention a pour but de proposer une solution qui ne présente pas les inconvénients ou handicaps des solutions connues.

A cet effet, la chemise de refroidissement pour lingotière de coulée continue est caractérisée selon l'invention en ce qu'elle comprend une enveloppe ayant, sur sa face extérieure, un quadrillage de raidisseurs, ledit quadrillage présentant des perçages traversant l'enveloppe à l'endroit de l'intersection des raidisseurs.

Si la chemise est de forme quadrangulaire, par exemple carrée ou rectangulaire, chaque face de l'enveloppe peut comporter au moins trois raidisseurs longitudinaux: un raidisseur central placé au milieu de la face, et deux raidisseurs latéraux de part et d'autre du raidisseur central et localisés au voisinage des coins.

Dans une forme de réalisation avantageuse, la chemise étant de forme quadrangulaire, les limites du volume défini par le quadrillage de raidisseurs détermine un cylindre circonscrit à la chemise.

L'invention a également pour objet une lingotière pour la coulée continue des métaux, notamment l'acier, comprenant un élément tubulaire interne et une chemise comme définie auparavant, concentrique audit élément tubulaire et définissant avec lui un passage annulaire pour un fluide de refroidissement, cette lingotière étant caractérisée en ce que ledit élément tubulaire est ancré à la chemise par des moyens de fixation traversant les perçages prévus dans le quadrillage des raidisseurs.

Selon une forme particulière de cette lingotière, un inducteur électromagnétique est disposé autour et au voisinage immédiat de la chemise.

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Il doit être noté que, si l'invention répond de façon spécifique aux problèmes posés par la coulée de grands formats, elle n'est pas pour autant d'application exclusive à ces derniers, mais peut bien entendu être employée quelles que soient la dimension ou la forme de la section droite des produits devant être coulés. Il demeure néanmoins qu'un domaine d'application préférentiel réside dans la coulée continue électromagnétique, car elle permet de concilier de façon satisfaisante les exigences apparemment contradictoires que sont, d'une part, la présence d'un inducteur dans la lingotière pour la mise en mouvement du métal liquide et, d'autre part, la durabilité et la fiabilité de la lingotière elle-même, en tant qu'échangeur de chaleur entre le métal et le liquide de refroidissement. D'un côté, elle permet d'utiliser en toute sécurité des éléments métalliques d'épaisseur relativement faible, c'est-à-dire analogues à ceux mis en œuvre dans des lingotières pour la coulée des petits formats; de l'autre, par l'architecture même de la structure de renfort, elle permet de contrarier au mieux la formation de courants induits au sein des raidisseurs et, par voie de conséquence, à réduire d'autant l'affaiblissement du champ magnétique.

Par ailleurs, l'invention présente une grande souplesse d'utilisation car elle permet, comme on le verra, d'adapter la forme des raidisseurs à la géométrie de l'inducteur. Cette disposition présente notamment l'avantage, à partir d'un corps de lingotière et d'un inducteur donnés, de pouvoir couler des formats différents par simple remplacement de l'unité fonctionnelle formée par la chemise, équipée de ses moyens de renforts et le tube en cuivre qui en est solidaire.

L'invention sera bien comprise et ses aspects et avantages ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit, donnée à titre d'exemple et en référence aux planches de dessins annexés sur lesquelles:

— la fig. 1 est une coupe longitudinale et en perspective partiellement arrachée d'une lingotière continue électromagnétique équipée d'une chemise conforme à l'invention,

— la fig. 2 est une coupe transversale, suivant le plan AA de la fig. 1, passant par les lieux d'intersection des raidisseurs, dans le cas de la coulée de produits rectangulaires,

— la fig. 3 est une coupe analogue à celle de la fig. 2, mais dans le cas de coulée de produits de section ronde,

— la fig. 4 est une vue en coupe analogue à celle de la fig. 2, mais ne passant pas par les lieux d'intersection des raidisseurs et montrant une forme de réalisation avantageuse de l'invention.

Sur toutes les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.

La lingotière de coulée continue représentée sur les figures comprend :

— un élément tubulaire interne 10, en cuivre ou alliage de cuivre, définissant un passage pour le produit coulé,

— une enveloppe en acier 2, et qui est décrite plus en détail par la suite; cette enveloppe entoure l'élément en cuivre 10 de manière à ménager entre eux un espace annulaire 11, d'épaisseur uniforme,

pour la circulation d'un liquide de refroidissement, généralement de l'eau,

— une ultérieure enveloppe en acier 12 définissant avec l'enveloppe 2 une cavité annulaire fermée à ses extrémités par un couvercle 14 et une plaque de fond 15 ; cette cavité est partagée en deux chambres superposées: une chambre inférieure 16 pour l'introduction de l'eau de refroidissement, par la conduite d'entrée 17, et une chambre supérieure 18 pour l'évacuation de l'eau de refroidissement, par la conduite de sortie 19.

A cet effet, le passage annulaire 11 communique à ses deux extrémités avec respectivement l'une et l'autre de ces chambres. La séparation des deux chambres 16 et 18 est assurée par un organe d'étanchéité constitué par deux disques concentriques 20 et 21, respectivement solidaires du pourtour de la chemise 2 et de l'enveloppe 12, et coopérant par leur bord avec interposition d'un joint en caoutchouc 22.

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L'élément tubulaire interne 10 est maintenu à son extrémité supérieure par une collerette 23 prenant appui sur le couvercle 14. Le blocage est complété de la façon habituelle par des clavettes 24.

Comme on le voit, un inducteur électromagnétique schématisé en 25, de structure tubulaire, occupe la majeure partie de la chambre supérieure 18. Il s'agit d'un inducteur statique polyphasé, généralement triphasé, dont le rôle est, comme on le sait, de soumettre le métal coulé à un brassage, au moyen d'un champ magnétique mobile. Selon la conception de l'inducteur, les mouvements de brassage peuvent avoir lieu dans des plans passant par l'axe 26 de la lingotière (champ glissant verticalement) ou dans des plans perpendiculaires à l'axe (champ tournant). Dans le premier cas, l'inducteur est constitué d'un empilage de bobines horizontales reliées à une alimentation polyphasée de manière qu'il se crée dans l'entrefer une onde de flux magnétique qui se propage selon l'axe 26 (voir notamment brevets français N° 2248103 et N° 2352430). Le second type de brassage est réalisé au moyen d'un inducteur comprenant une ou plusieurs bobines à axe horizontal et à noyaux internes, distribués régulièrement autour du produit coulé. Lorsque l'inducteur est connecté de façon satisfaisante à une alimentation électrique polyphasée, il engendre à l'intérieur du produit coulé un champ magnétique orienté perpendiculairement à l'axe 26 et tournant autour dudit axe, entraînant dans son mouvement le métal liquide (voir en particulier brevet français N° 2315344). Les inducteurs précités, quel que soit leur type, ainsi que leur application à une lingotière de coulée continue, étant tous deux connus, ne font pas partie de l'objet de l'invention. Si on le souhaite, on pourra trouver de plus amples détails en se reportant par exemple aux trois documents précités.

L'invention concerne plus spécifiquement la présence, au sein de la lingotière, d'une enveloppe 2 équipée, sur la face extérieure, d'un quadrillage 3 de raidisseurs et de moyens d'ancrage permettant de fixer l'élément interne 10 à l'enveloppe.

Dans l'exemple décrit, ce quadrillage est composé de raidisseurs longitudinaux 4 et transversaux 5. Ces raidisseurs ont tous, qu'ils soient longitudinaux ou transversaux, pour fonction commune de suppléer aux faiblesses de la tenue mécanique de l'élément interne en cuivre. Celui-ci est en effet le siège de fortes sollicitations qui se manifestent avec d'autant plus d'ampleur que le format des produits coulés est grand: sollicitations d'origine mécanique d'abord, dues aux effets conjugués de la pression ferrostatique du métal liquide, d'un côté, et de la pression hydrostatique du liquide de refroidissement, de l'autre, sollicitations d'origine thermique ensuite (et surtout), dues à la déformation à chaud de l'élément en cuivre et aux forts gradients thermiques existant dans la paroi.

A l'égard des déformations à chaud, cependant, les raidisseurs produisent des effets différenciés selon leur orientation sur l'enveloppe.

Les raidisseurs longitudinaux 4 agissent contre les déformations longitudinales résultant de l'allongement de l'élément en cuivre par dilatation. On sait, en effet, que ces phénomènes d'allongement par dilatation sont gênants par leurs conséquences sur le profil de l'élément en cuivre: bombement, gondolement, modification de sa conicité, etc.

Comme il a déjà été dit, les lieux d'intersection des raidisseurs constituent des sites pour l'emplacement des moyens d'ancrage. C'est là, en effet, que l'on rencontre le maximum de matière, ce qui facilite le perçage. A cette fin, il est avantageux, ainsi que le montrent les figures, de réaliser le quadrillage de raidisseurs par assemblage de colonnes 6 (ou bossages) et de raidisseurs élémentaires 7 (ou goussets) reliant les bossages entre eux deux à deux et constitués par des plaquettes métalliques disposées sur chant.

Ces bossages sont percés axialement de manière à présenter un conduit interne 8 pour le passage des moyens de fixation. Des lamages 9 sont prévus à leurs extrémités, l'assemblage est réalisé par soudure, puis rapporté, également par soudure, sur la surface extérieure de l'enveloppe. Les conduits 8 constituent alors des guides facilitant le perçage de l'enveloppe.

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Les moyens d'ancrage sont constitués par des tirants 27 qui traversent la chemise par les ouvertures 32, percées à cet effet, et passent dans les conduits 8. Ils sont fixés à l'une de leurs extrémités par vissage dans l'élément interne 10, de préférence, selon une technique connue, avec interposition d'un insert en acier 13 (brevet français N° 2310821). Ces tirants solidarisent l'élément 10 à l'enveloppe à l'aide d'écrous de serrage 28 vissés à leur extrémité libre et prenant position dans les lamages 9.

Des cales d'écartement 29, placées entre l'élément 10 et l'enveloppe, assurent la présence du passage annulaire 11 pour l'eau de refroidissement. Pour des raisons de commodité, il est avantageux que ces cales se présentent sous forme de rondelles que l'on dispose autour des tirants comme le montrent les figures. Ces dernières montrent également que les raidisseurs sont conformés de façon que les limites 30 (fig. 2 et 3) du volume qu'ils définissent constituent une surface de forme cylindrique qui épouse la paroi interne de l'inducteur, désignée en 31. En se reportant plus précisément à la fig. 2, on constate que, dans une forme d'exécution appropriée au cas de la coulée de produits de forme quadrangulaire, la surface cylindrique 30 est circonscrite au quadrilatère défini par l'enveloppe 2, c'est-à-dire tangente aux coins référencés en 33. On comprend que cette disposition a pour but de pouvoir adapter les raidisseurs à la présence voisine de l'inducteur tubulaire 25. On comprend également que cette caractéristique particulière constitue une appropriation spécifique des raidisseurs dans le cas où, par un inducteur donné, les produits coulés présentent une sélection maximale permise par celui-ci.

On peut, si on le désire, renforcer la structure en matérialisant la surface 30 par une enveloppe supplémentaire rigide 34 (fig. 4) constituée par un assemblage de plaquettes 35, en acier amagnétique de préférence, de quelques millimètres d'épaisseur, rapportées sur la chemise par soudure, et disposées côte à côte de manière à recouvrir le quadrillage de raidisseurs. Des ouvertures sont bien entendu préservées au niveau des bossages pour laisser libre accès aux écrous de serrage. L'ensemble ainsi réalisé constitue un véritable caisson, délimité par l'enveloppe 2 et l'enveloppe 34, dont le volume intérieur est compartimenté par les raidisseurs.

Les travaux effectués par la titulaire ont montré que cette variante de réalisation était la meilleure sur le plan de la tenue mécanique de l'ensemble. Par ailleurs, sur le plan de l'électromagné-tisme, cette variante est en fait moins gênante qu'elle pourrait le paraître à priori. En effet, compte tenu des fréquences généralement faibles du courant alimentant l'inducteur (2 à 25 Hz en général), la s profondeur de pénétration de l'induction magnétique, donnée par des formules bien connues, est toujours largement supérieure à l'épaisseur de l'enveloppe 34, de sorte que celle-ci a peu d'influence sur l'affaiblissement du champ magnétique lors de sa traversée.

Des études menées par la titulaire ont montré que les déforma-10 tions à chaud de l'élément tubulaire 10 sur son périmètre sont correctement maîtrisées lorsqu'on réalise sur chacune de ses faces planes au moins trois points d'ancrage situés l'un au milieu de la face et les deux autres au voisinage des coins 33. Pour ce faire, on munit chaque face de l'enveloppe 2 de trois rangées de raidisseurs longitudi-15 naux, comme le montre la fig. 2.

Il va de soi que la présente invention ne saurait se limiter aux exemples décrits, mais s'étend à toute forme de réalisation équivalente. Il en est ainsi notamment de la disposition de quadrillage sur l'enveloppe, où les raidisseurs peuvent avoir une orientation autre 20 que longitudinale ou transversale; par exemple, l'enveloppe peut présenter un maillage de raidisseurs diagonaux par rapport à l'axe de la lingotière. De même, le quadrillage de raidisseurs peut être réalisé autrement que par assemblage de parties élémentaires, par exemple en une seule pièce obtenue par moulage. De même encore, le 25 quadrillage peut ne pas être rapporté sur l'enveloppe, l'ensemble enveloppe/raidisseur pouvant éventuellement être réalisé d'une seule pièce par coulée dans un moule approprié.

Par ailleurs, les cales d'écartement ménageant l'espace annulaire 30 entre l'élément tubulaire interne et l'enveloppe peuvent être avantageusement constituées par l'extrémité des bossages constitutifs des raidisseurs, insérés à cet effet dans l'ouverture correspondante de l'enveloppe et dépassant d'une distance voulue.

L'invention s'applique non seulement aux lingotières pour la 35 coulée continue—électromagnétique ou non—de billettes ou de blooms, mais également à la coulée de produits à très larges sections, telles les brames. Enfin, non seulement elle s'applique aux différentes variétés d'acier, mais elle s'étend aussi à tout métal susceptible d'être coulé en continu.

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3 feuilles dessins

Claims (7)

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1. Chemise tabulaire de refroidissement pour lingotière de coulée continue, caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe ayant sur sa face extérieure un quadrillage de raidisseurs et en ce que ledit quadrillage présente des perçages traversant ladite enveloppe à l'endroit de l'intersection des raidisseurs.

2. Chemise selon la revendication 1, présentant une forme quadrangulaire, caractérisée en ce que chaque face de l'enveloppe comporte au moins trois raidisseurs longitudinaux: un raidisseur central localisé au milieu de la face et deux raidisseurs latéraux de part et d'autre du raidisseur central et disposés au voisinage des coins.

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REVENDICATIONS

3. Chemise selon la revendication 1, présentant une forme quadrangulaire, caractérisée en ce que les limites du volume défini par le quadrillage de raidisseurs déterminent un cylindre circonscrit à l'enveloppe.

4. Chemise selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le quadrillage de raidisseurs est constitué par un assemblage de bossages percés axialement et de goussets reliant lesdits bossages entre eux deux à deux.

5. Chemise selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une enveloppe supplémentaire métallique de renfort recouvre le quadrillage de raidisseurs, des ouvertures étant préservées au niveau des perçages.

6. Lingotière pour la coulée continue des métaux, notamment de l'acier, comprenant un élément tubulaire interne, pour le passage du métal coulé, et une chemise conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, concentrique audit élément et définissant avec lui un passage annulaire pour un fluide de refroidissement, caractérisée en ce que ledit élément tubulaire est ancré à la chemise par des moyens de fixation traversant les perçages prévus dans le quadrillage de raidisseurs.

7. Lingotière selon la revendication 6 pour la coulée continue avec brassage du métal coulé, caractérisée en ce qu'elle comprend un inducteur statique polyphasé disposé autour de la chemise.