EP0490800A1 - Cylindre pour la coulée continue sur un ou entre deux cylindres. - Google Patents

Cylindre pour la coulée continue sur un ou entre deux cylindres. Download PDF

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EP0490800A1 EP91470038A EP91470038A EP0490800A1 EP 0490800 A1 EP0490800 A1 EP 0490800A1 EP 91470038 A EP91470038 A EP 91470038A EP 91470038 A EP91470038 A EP 91470038A EP 0490800 A1 EP0490800 A1 EP 0490800A1
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support
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Georges Raisson
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Thyssen Edelstahlwerke AG
Thyssen Stahl AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • B22D11/0637—Accessories therefor
    • B22D11/0648—Casting surfaces
    • B22D11/0651—Casting wheels

Definitions

  • the present invention relates to the continuous casting of metal strips, in particular of steel, on a cylinder or between two cylinders. More specifically, it relates to this type of cylinders which commonly consist of a rigid internal core and an energetically cooled external shell, in contact with which the cast metal cools and solidifies to form the strip which is continuously extracted. due to the rotation of the cylinder (s).
  • the ferrule is commonly cooled from the inside, for example by circulation of a cooling fluid in channels drilled through its thickness.
  • the material constituting the shell is a good conductor of heat, for example copper or one of its alloys.
  • this ferrule must be rigid enough not to deform under the effect of the mechanical and thermal stresses to which it is subjected during casting.
  • the ferrule is a large piece, massive and thick because it must in particular include the cooling channels and mechanical anchoring means on the core. .
  • Such a ferrule is described for example in French patent application No. 2,654,372 published May 17, 1991.
  • This document describes a casting cylinder for continuous casting on or between two such cylinders, comprising a core and a ferrule rigidly connected to the core in its middle part and over its entire circumference by a dovetail or T-shaped assembly
  • the ferrule is in contact with the core over its entire width and is maintained by its edges thereon by means allowing axial displacement but preventing the radial displacement of said edges of the shell relative to the core.
  • the object of the present invention is to eliminate or at least reduce these drawbacks, without harming the thermal and mechanical characteristics of the shell.
  • the invention relates to a cylinder for a continuous casting installation on one or between two such cylinders comprising an outer shell made of a material which is good conductor of heat and a central core, characterized in that the shell is linked to an underlying cylindrical support piece over their entire contact surface by a metallurgical bond without fusion produced by welding-diffusion.
  • the core can itself constitute the support part, or, preferably, this support part is an annular part whose external surface is cylindrical, and which includes inside means for mechanical connection to the core.
  • the ferrule which is made of a material which is necessarily a good conductor of heat, such as copper or a copper alloy, is generally not capable of undergoing significant mechanical stresses. Thanks to the invention, in fact a composite part is produced which has at its periphery the characteristics required thermally, and inside the mechanical characteristics necessary to resist the various mechanical stresses which are exerted on the cylinder during casting.
  • machining operations necessary for the connection of the ferrule-support part assembly to the cylinder core are more easily achievable on steel or cast iron of which the support part can for example be made.
  • the cylinder comprises at the interface between the ferrule and the support piece a thin layer of a metal or alloy capable of being assembled by diffusion welding on the one hand with the metal constituting the ferrule and on the other share with that of the support piece.
  • cooling channels are drilled in the thickness of the ferrule parallel to its axis, supply and return channels pass through the ferrule-support part interface and tubes are placed in these supply channels and back at the interface so as to provide a seal between them and on the one hand the ferrule and on the other hand the support part.
  • the cylinder has grooves made at the ferrule-support part interface, and tubes are placed in these grooves and tightly connected at their ends with on the one hand the ferrule and on the other hand the support piece.
  • the cylinder 1 shown in FIG. 1 comprises a core 2, an annular support piece 3 held on the core by two annular flanges 4 and tie rods represented only by their axes 5.
  • the external ferrule 6 is assembled on the support part 3 by its diffusion welding, this assembly being carried out beforehand by hot isostatic compression, which leads to obtaining a composite ferrule-support part part, which will be called by the composite ferrule suite.
  • Diffusion welding by hot isostatic compression makes it possible to obtain a diffusion bond in the solid state.
  • This assembly technique requires high pressure and a moderate temperature of the parts to be assembled which does not reach their melting temperature as is the case in conventional welding.
  • the high pressure of the two parts on each other leads to intimate contact of the facing surfaces and to the production of a metallic junction without pores by reciprocal diffusion of the metals through the interface.
  • the composite ferrule (3,6) may comprise at the interface between the ferrule 6 and the support part 3 a thin layer of a metal or alloy, for example nickel or an iron-nickel alloy with 42% nickel, which is able to be assembled by hot isostatic compression with one and the other of the constituent metals of the shell and of the support part, which makes it possible for example to produce these in metals difficult to assemble directly using this technique.
  • a metal or alloy for example nickel or an iron-nickel alloy with 42% nickel
  • the ferrule 6 is made of a material having good thermal conductivity and sufficient mechanical resistance characteristics at relatively high temperatures, above 400 ° C., such as for example a Cu-Cr-Zr alloy preferably in the hyper-soaked state .
  • the support part is a material having good mechanical characteristics at room temperature, easily machinable, and whose coefficient of expansion is preferably equal to or greater than that of the shell material, such as for example austenitic cast iron GS to 18 % Ni or type 304 austenitic stainless steel.
  • the core is preferably made of steel or stainless steel.
  • the composite shell thus obtained can then be machined, or undergo the specific heat treatments necessary to obtain the metallurgical characteristics required for its use.
  • cooling channels 7 are drilled axially in the shell, as well as holes 10 intended to allow the supply or return of a cooling fluid.
  • Corresponding holes 10 ′ are produced in the support piece 3.
  • tubes 11 are introduced into the holes 10 and 10 ′ so as to cover the interface 9 and seal it, this seal being also provided on the edges of the shell by the welds 12. The tubes 11 therefore allow on the one hand to seal of the interface necessary during the hot isostatic compression operation, and on the other hand to balance the pressure inside the cooling channels 7 to avoid the risk of their deformation due to the high pressures applied at the periphery of the shell.
  • cooling channels 7 are located at the shell-support part interface.
  • Grooves 13 are machined inside the shell 6 before it is assembled on the support part 3. It will be noted that it is easier to machine such grooves than to drill orifices over a great length. Tubes 14 are placed in these grooves and, after the ferrule has been placed on the support piece, welded at their ends 15. The sealing of the interface 9 is thus ensured, as is the pressure balancing of the inside the tubes 14.
  • hot isostatic compaction can be carried out by the technique consisting in coating the assembled parts with a sealed container outside of which the pressure is applied.

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Abstract

Le cylindre comprend une virole extérieure 6 en matériau bon conducteur de la chaleur et un noyau central 2. La virole est liée à une pièce de support sous-jacente 3 sur toute leur surface de contact par une liaison métallurgique sans fusion réalisée par soudage-diffusion, par compression isostatique à chaud. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne la coulée continue de bandes de métal, notamment d'acier, sur un cylindre ou entre deux cylindres. Elle a plus précisément pour objet ce type de cylindres qui sont couramment constitués d'un noyau interne rigide et d'une virole externe énergiquement refroidie, au contact de laquelle le métal coulé se refroidit et se solidifie pour former la bande qui est extraite en continu du fait de la rotation du ou des cylindres.
  • Couramment la virole est refroidie de l'intérieur, par exemple par circulation d'un fluide de refroidissement dans des canaux forés dans son épaisseur. Pour assurer un refroidissement énergique du métal coulé, le matériau constitutif de la virole est bon conducteur de la chaleur, par exemple en cuivre ou un de ses alliages.
  • Par ailleurs cette virole doit être suffisamment rigide pour ne pas se déformer sous l'effet des contraintes mécaniques et thermiques auxquelles elle est soumise lors de la coulée.
  • Elle doit également être rigidement liée au noyau du cylindre pour éviter tout déplacement relatif.
  • Il en résulte que dans des installations industrielles où le diamètre et la largeur des cylindres sont importants, la virole est une pièce de grandes dimensions, massive et épaisse car elle doit notamment comporter les canaux de refroidissement et des moyens d'ancrage mécanique sur le noyau.
  • Une telle virole est décrite par exemple dans la demande de brevet français n° 2 654 372 publiée le 17 mai 1991. Ce document décrit un cylindre de coulée pour la coulée continue sur ou entre deux tels cylindres, comportant un coeur et une virole liée rigidement au coeur dans sa partie médiane et sur toute sa circonférence par un assemblage en queue d'aronde ou en forme de glissière en T. La virole est au contact du coeur sur toute sa largeur et elle est maintenue par ses bords sur celui-ci par des moyens autorisant un déplacement axial mais empêchant le déplacement radial desdits bords de la virole par rapport au coeur.
  • Or la fabrication de telles pièces pose de nombreux problèmes. Il est en particulier difficile d'obtenir lors du moulage de la virole une homogénéité suffisante du métal qui la constitue. De plus les usinages nécessaires pour la réalisation des canaux de refroidissement et des moyens de liaison au noyau sont généralement délicats à effectuer dans les alliages de cuivre utilisés. En fin, ces matériaux sont coûteux.
  • Le but de la présente invention est de supprimer ou tout au moins réduire ces inconvénients, sans nuire aux caractéristiques thermiques et mécaniques de la virole.
  • Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un cylindre pour une installation de coulée continue sur un ou entre deux tels cylindres comprenant une virole extérieure en matériau bon conducteur de la chaleur et un noyau central, caractérisé en ce que la virole est liée à une pièce de support cylindrique sous-jacente sur toute leur surface de contact par une liaison métallurgique sans fusion réalisée par soudage-diffusion.
  • Le noyau peut constituer lui-même la pièce de support, ou, préférentiellement, cette pièce de support est une pièce annulaire dont la surface externe est cylindrique, et qui comporte à l'intérieur des moyens de liaison mécanique au noyau.
  • La virole qui est en un matériau nécessairement bon conducteur de la chaleur, tel que du cuivre ou un alliage de cuivre, est généralement peu apte à subir d'importantes contraintes mécaniques. Grâce à l'invention, on réalise en fait une pièce composite qui présente à sa périphérie les caractéristiques requises sur le plan thermique, et à l'intérieur les caractéristiques mécaniques nécessaires pour résister aux différentes contraintes mécaniques qui s'exercent sur le cylindre lors de la coulée.
  • De plus les usinages nécessaires à la liaison de l'ensemble virole-pièce de support sur le noyau du cylindre sont plus facilement réalisables sur de l'acier ou fonte dont la pièce support peut par exemple être constituée.
  • Enfin la quantité nécessaire de cuivre ou d'alliage cuivreux nécessaire pour la virole peut être réduite, ce qui réduit le coût du cylindre.
  • Selon une disposition particulière le cylindre comporte à l'interface entre la virole et la pièce de support une fine couche d'un métal ou alliage apte à être assemblé par soudage diffusion d'une part avec le métal constitutif de la virole et d'autre part avec celui de la pièce de support.
  • Selon une variante des canaux de refroidissement sont forés dans l'épaisseur de la virole parallèlement à son axe, des canaux d'alimentation et de retour traversent l'interface virole-pièce de support et des tubes sont placés dans ces canaux d'alimentation et de retour au niveau de l'interface de manière à assurer une étanchéité entre ceux-ci et d'une part la virole et d'autre part la pièce de support.
  • Selon une autre variante le cylindre comporte des rainures réalisées à l'interface virole-pièce de support, et des tubes sont placés dans ces rainures et liés de manière étanche à leurs extrémités avec d'une part la virole et d'autre part la pièce de support.
  • L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un cylindre conforme à l'invention, caractérisé en ce que :
    • on usine la virole et la pièce-support ;
    • on place la virole autour de la pièce-support ;
    • on réalise la liaison virole-pièce de support par soudage diffusion par compression isostatique à chaud.
  • Selon des dispositions particulières de ce procédé :
    • préalablement à la réalisation de la liaison virole-pièce de support, on soude ces deux pièces sur les bords de leurs surfaces en contact ;
    • l'usinage de la virole comporte la réalisation de rainures à la surface interne de celle-ci, et préalablement à la réalisation de la liaison virole-pièce de support, on place dans ces rainures des tubes qu'on lie de manière étanche à leurs extrémités d'une part à la virole et d'autre part à la pièce de support.
  • D'autres caractéristiques et avantages du cylindre selon l'invention et de son procédé de fabrication apparaîtront dans la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 est une vue demi-coupe axiale d'un cylindre conforme à l'invention ;
    • la figure 2 est une vue de détail du bord de l'ensemble virole-pièce de support lors de sa réalisation, selon une première variante ;
    • la figure 3 est une vue similaire dans une seconde variante ;
    • la figure 4 est une vue partielle en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3.
  • Le cylindre 1 représenté à la figure 1 comporte un noyau 2, une pièce de support annulaire 3 maintenue sur le noyau par deux brides annulaires 4 et des tirants représentés uniquement par leurs axes 5.
  • La virole externe 6 est assemblée sur la pièce de support 3 par son soudage-diffusion, cet assemblage étant réalisé préalablement par compression isostatique à chaud, qui conduit à l'obtention d'une pièce composite virole-pièce de support, qui sera appelée par la suite virole composite.
  • Le soudage-diffusion par compression isostatique à chaud permet d'obtenir une liaison par diffusion à l'état solide. Cette technique d'assemblage nécessite une pression élevée et une température des pièces à assembler modérée qui n'atteint pas leur température de fusion comme c'est le cas dans le soudage classique. La pression élevée des deux pièces l'une sur l'autre conduit à un contact intime des surfaces en regard et à la réalisation d'une jonction métallique sans pores par diffusion réciproque des métaux à travers l'interface.
  • L'utilisation de cette technique pour la réalisation de ladite virole composite permet d'obtenir une liaison résistante de la virole 6 sur la pièce de support 3. Cette pièce 3 peut être alors réalisée en un matériau moins coûteux que celui de la virole 6, et qui, de plus, peut être plus facilement usiné.
  • La virole composite (3,6) peut comporter à l'interface entre la virole 6 et la pièce support 3 une fine couche d'un métal ou alliage, par exemple du nickel ou un alliage fer-nickel à 42 % de nickel, qui est apte à être assemblé par compression isostatique à chaud avec l'un et l'autre des métaux constitutifs de la virole et de la pièce de support, ce qui permet par exemple de réaliser celles-ci en des métaux difficilement assemblables directement par cette technique.
  • La virole 6 est réalisée en un matériau présentant une bonne conductibilité thermique et des caractéristiques de résistance mécanique suffisantes à des températures relativement élevées, supérieures à 400°C, tel que par exemple un alliage Cu-Cr-Zr de préférence à l'état hypertrempé.
  • La pièce de support est un matériau présentant de bonnes caractéristiques mécaniques à la température ambiante, facilement usinable, et dont le coefficient de dilatation est préférentiellement égal ou supérieur à celui du matériau de la virole, tel que par exemple de la fonte austénitique GS à 18 % de Ni ou de l'acier inoxydable austénitique type 304.
  • Le noyau est préférentiellement en acier ou acier inoxydable.
  • De manière générale, la fabrication de la virole composite comporte les étapes suivantes :
    • les ébauches de la virole et de la pièce de support sont réalisées classiquement par exemple par moulage ;
    • les surfaces destinées à être soudées sont usinées de manière que la virole puisse être mise en place autour de la pièce-support avec un jeu réduit. Avant assemblage, les surfaces sont préparées, cette préparation pouvant consister en un nettoyage, décapage, ou traitement mécanique ou chimique, par exemple nickelage électrolytique sur une épaisseur de 50 à 100 µm ;
    • une fois assemblées, une soudure est réalisée sur les bords de l'interface 9 entre la virole 6 et la pièce de support 3 pour assurer l'étanchéité de l'interface ;
    • les deux pièces ainsi assemblées sont soumises alors à une compression isostatique à chaud, par exemple à 900°C, sous une pression de 100 Mpa pendant une heure, pour réaliser la liaison par soudage-diffusion.
  • La virole composite ainsi obtenue peut ensuite être usinée, ou subir les traitements thermiques spécifiques nécessaires à l'obtention des caractéristiques métallurgiques requises pour son utilisation.
  • On notera ici tout l'intérêt du choix des matériaux indiqués précédemment, c'est-à-dire l'alliage Cu-Cr-Zr pour la virole et l'acier inoxydable E304 pour le support. En effet les coefficients de dilatation de ces matériaux sont proches l'un de l'autre, celui de l'acier inoxydable E304 étant toutefois légèrement supérieur à celui de l'alliage Cu-Cr-Zr. Il en résulte que dans la phase de refroidissement des traitements thermiques appliqués à l'ensemble virole-support, le support tend à se rétracter légèrement plus que la virole, ce qui assure, après traitements thermiques, une mise en compression de la virole. La virole ainsi précontrainte a une meilleure résistance à la fissuration.
  • Il peut être avantageux de réaliser certains usinages de la virole 6 préalablement à son assemblage sur la pièce support 3.
  • Dans le cas représenté à la figure 2, des canaux de refroidissement 7 sont forés axialement dans la virole, ainsi que des perçages 10 destinés à permettre l'alimentation ou le retour d'un fluide de refroidissement. Des perçages 10′ correspondants sont réalisés dans la pièce de support 3. Dans ce cas, après mise en place de la virole autour de la pièce- support, des tubes 11 sont introduits dans les perçage 10 et 10′ de manière à recouvrir l'interface 9 et assurer l'étanchéité de celui-ci, cette étanchéité étant par ailleurs assurée sur les bords de la virole par les soudures 12. Les tubes 11 permettent donc d'une part d'assurer l'étanchéité de l'interface nécessaire lors de l'opération de compression isostatique à chaud, et d'autre part d'équilibrer la pression à l'intérieur des canaux de refroidissement 7 pour éviter le risque d'une déformation de ceux-ci du fait des hautes pressions appliquées à la périphérie de la virole.
  • Dans le cas représenté aux figures 3 et 4, des canaux de refroidissement 7 sont situés à l'interface virole-pièce de support. Des rainures 13 sont usinées à l'intérieur de la virole 6 avant son assemblage sur la pièce de support 3. On notera qu'il est plus facile d'usiner de telles rainures que de forer des orifices sur une grande longueur. Des tubes 14 sont placés dans ces rainures et, après mise en place de la virole sur la pièce support, soudés à leurs extrémités 15. L'étanchéité de l'interface 9 est ainsi assurée, de même que l'équilibrage en pression de l'intérieur des tubes 14.
  • L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples.
  • En particulier la compaction isostatique à chaud peut être réalisée par la technique consistant à enrober les pièces assemblées par un container étanche à l'extérieur duquel la pression est appliquée.

Claims (12)

1) Cylindre pour une installation de coulée continue sur un ou entre deux tels cylindres comprenant une virole (6) extérieure en un matériau bon conducteur de la chaleur et un noyau central (2), caractérisé en ce que la virole est liée à une pièce de support (3) cylindrique sous-jacente, sur toute leur surface de contact, par une liaison métallurgique sans fusion réalisée par soudage diffusion.
2) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de support (3) est une pièce annulaire dont la surface externe est cylindrique, et qui comporte à l'intérieur des moyens de liaison mécanique au noyau.
3) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau constitue la pièce de support.
4) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de support (3) est en un alliage dont le coefficient de dilatation est égal ou supérieur à celui du matériau de la virole (6).
5) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la virole est en cuivre ou alliage de cuivre.
6) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce de support est en acier ou en fonte.
7) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte à l'interface (9) entre la virole et la pièce de support une fine couche d'un métal ou alliage apte à être assemblé par soudage-diffusion d'une part avec le métal constitutif de la virole et d'autre part avec celui de la pièce de support.
8) Cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que des canaux (7) de refroidissement sont forés dans l'épaisseur de la virole parallèlement à son axe, des canaux d'alimentation et de retour traversent l'interface virole-pièce de support et des tubes (11) sont placés dans ces canaux d'alimentation et de retour au niveau de l'interface de manière à assurer une étanchéité entre ceux-ci et d'une part la virole et d'autre part la pièce de support.
9) Cylindre selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte des rainures (13) réalisées à l'interface virole-pièce de support, et des tubes (14) sont placés dans ces rainures et liés de manière étanche à leurs extrémités avec d'une part la virole et d'autre part la pièce de support.
10) Procédé de fabrication d'un cylindre selon la revendication 1, caractérisé en ce que :
- on usine la virole et la pièce-support ;
- on place la virole autour de la pièce-support ;
- on réalise la liaison virole-pièce de support par soudage diffusion par compression isostatique à chaud.
11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que préalablement à la réalisation de la liaison virole-pièce de support, on soude ces deux pièces sur les bords de leurs surfaces en contact.
12) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'usinage de la virole comporte la réalisation de rainures à la surface interne de celle-ci, et préalablement à la réalisation de la liaison virole-pièce de support, on place dans ces rainures des tubes qu'on lie de manière étanche à leurs extrémités d'une part à la virole et d'autre part à la pièce de support.
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