EP0891237B1 - Procede de coulee continue des metaux et lingotiere pour sa mise en oeuvre - Google Patents

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EP0891237B1
EP0891237B1 EP97919470A EP97919470A EP0891237B1 EP 0891237 B1 EP0891237 B1 EP 0891237B1 EP 97919470 A EP97919470 A EP 97919470A EP 97919470 A EP97919470 A EP 97919470A EP 0891237 B1 EP0891237 B1 EP 0891237B1
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EP
European Patent Office
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walls
metal
mould
heat flux
intensity
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP97919470A
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German (de)
English (en)
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EP0891237A1 (fr
Inventor
Jean-Marc Jolivet
Eric Perrin
Cosimo Salaris
Jacques Spiquel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugitech SA
Sogepass
Original Assignee
Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugine Savoie Imphy SA
Sogepass
Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP0891237A1 publication Critical patent/EP0891237A1/fr
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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
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • 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
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0401—Moulds provided with a feed head

Definitions

  • the present invention relates to continuous casting metals, especially steel.
  • the continuous casting operation consists schematically, as we know, to pour a metal into fusion in an ingot mold, essentially constituted a bottomless tubular element defining a passage for cast metal, but with copper walls (more generally made of copper alloy), are energetically cooled by circulation of water, and which we also continuously extract a product already externally solidified. Solidification progresses then towards the product axis and ends during the lowering of the latter downstream of the mold in the so-called "secondary cooling" zone under the effect of water sprinklers.
  • the product obtained (bloom, billet or slab) is then cut to length, then laminated before shipment to customers or processing on site, in bars, wires, profiles, plates, sheets, etc.
  • the molten metal spilled in an ingot mold, forms a solid film at its free surface as soon as it comes into contact with the walls cooled metal molds.
  • This film is dragged down during the extraction of the product by a jerky movement punctuated by oscillations vertical of the mold.
  • its thickness growing due to continued heat extraction produced by the walls of the mold.
  • this film is solidifying around the entire perimeter of the internal wall of the ingot mold and constituting a solid ring susceptible to contract due to the cooling undergone during its descent into the mold.
  • the thermal contraction of solid skin is all the more important as the heat extraction is strong and that the cast metal has a natural tendency to contract during cooling, for example by solid phase change at the end of solidification, as is particularly the case for steel grades with low or medium carbon or stainless steel.
  • This perimeter contraction tends to cause a separation of the solidified skin from the wall of the mold, and therefore a decrease in the exchange thermal because the contact of said skin with cold walls is degraded.
  • This separation is generally uneven depending on the perimeter of the skin solidified, which is a source of surface defects on the final product obtained.
  • an ingot mold called of continuous casting under load, comprising an extension thermal insulation intended to contain the cast metal maintained in the liquid state, and an insert located between the cooled wall of the mold and the so-called enhancer.
  • the insert is intended to inject, at the base of the enhancer, a lubricant and a gas intended to ensure that the solidified skin of the cast product is well formed precisely from the top edge of the wall cooled, and not in contact with the insert, which is by elsewhere cooled and may have an insulating coating to prevent the cast metal from solidifying at its contact.
  • the document EP 0 620 062 also shows a ingot mold with insulating extension, and comprising holes for the injection of gas intended for shearing any solidification crust formed on contact of the enhancement.
  • the object of the present invention is to resolve the problems indicated above and is particularly aimed at obtain a cast product having a very good quality of surface, ensuring effective reduction of flow thermal extract during the formation and the beginning of the growth of the solidified film, and avoiding in particular the harmful effect of fluctuations in the level of the free surface of the liquid metal in an ingot mold.
  • the invention relates to a process of the type described in FR-A-2,067,289, for continuous casting of molten metals, especially steel, in an ingot mold with walls energetically cooled metallic extending substantially vertically and defining a passage for the cast metal, and ensuring over their entire height heat flux extraction from the cast metal causing a cooling and a progressive solidification of the said metal, process by which the intensity of the flux is reduced thermal extracted near the level where the said metal begins to solidify on contact with said walls, characterized in that one places above said walls metallic elements thermally enhanced insulating and, during casting, the level of the free surface of the metal cast inside the said enhances, and in that we inject at the level of this heightening, and preferably at least at its end lower, a gas emerging in jets distributed over the inside circumference of the mold.
  • the free surface of the liquid metal bath (the meniscus) is located in the enhances.
  • the solidified metal film does not begins to form regularly only from the edge metal walls, thanks to the blowing the purging gas at the base of the riser which helps to separate this regular solidification desired on the cooled metal part of any parasitic local solidifications which can occur on the refractory part.
  • the solidification of the metal casting begins only a certain distance from the meniscus.
  • the area where this solidification begins is therefore almost perfectly flat, horizontal, and not subject to the fluctuations or disturbances which agitate inevitably the free surface of the bath.
  • the solid ring constituted by the skin of first solidification is therefore geometrically perfectly regular, and its continuous renewal is also almost perfectly regular, as well as the growth of this solidified skin, as the descent of the cast product.
  • the cast metal does not initiate its solidification in the enhancement, there is not at this level metal contraction.
  • the latter remains in contact with the wall of the riser and prevents infiltration of slag between the metal and the said wall.
  • the ferrostatic pressure of the metal liquid due to the height of this metal contained in the enhances, tends to oppose this spacing and therefore to maintain said skin pressed against the surface of metal walls, and this uniformly throughout the inner periphery of the mold, because the thickness and solidification of the skin is also uniform on this periphery.
  • the heat extraction carried out in the part upper metal walls can be realized also uniformly all around the product, avoiding localized detachments and resulting sub-thicknesses of solid skin, and the intensity of the heat flux extracted in the area of beginning of solidification perhaps ensured very uniformly around the entire perimeter of the passage defined by metal walls.
  • the intensity of the flow is reduced thermal extract over an area of predetermined height at from the lower edge of the said riser, without however, significantly change the amount of heat overall extracted by the ingot mold.
  • This limited height thus ensures a reduction in the heat flux extracted in the area where the solid metal skin forms, and avoids also the effect of removal and detachment of the skin from metal observed in the art casting process prior.
  • said zone has an increasing heat flux extraction capacity of the top to bottom.
  • reducing the flow thermal extract gradually decreases down the ingot mold, over an area of greater height. This allows a reduction of the extracted heat flux, in the area where this reduction is carried out, even more stronger than in the previous case, due to the height superior of this area but also to ensure a sort progressiveness in the variation of heat flux extract, between the enhancement where the said extracted flow is the as low as possible, and the metal part cooled of the mold where extraction is sought maximum heat flux.
  • the invention also relates to an ingot mold for continuous casting of the type described in FR-A-2,067,289, having metal walls extending substantially vertically and defining a passage for metal sunk and internal cooling means of said walls arranged to provide cooling energetic said walls over substantially their entire height, said walls being provided in their part superior means to reduce the intensity of the flow thermal caused by said cooling means and passing through their internal surface defining the said passage, characterized in that it comprises a extension in thermally insulating material placed at the above said metal walls and extending them upwards, and means for injecting a gas leading to the inner periphery of the mold, at level of the riser and preferably at the end lower than this one just above the metal walls.
  • the said ways to reduce the intensity of the heat flux are formed by a layer of a metal having a thermal conductivity lower than that of metal constituting the walls, the said metal layer being by example consisting of nickel, deposited by a process of electroplating, on copper or copper alloy constituting the walls of the mold.
  • said layer is located above the walls, and therefore between them and the refractory component of the riser, and its thickness can be for example of the order of a millimeter.
  • said layer extends in more on the inside of the metal walls cooled, to a height which can then be the order of a few centimeters.
  • the little metal layer conductor then forms a thermal barrier between the solidified skin of cast metal and very good metal thermal conductor of the mold walls.
  • the so-called ways to reduce the intensity of the heat flux are formed by grooves extending substantially vertically made on the internal surface of said walls.
  • the so-called grooves are filled at least partially with a material with thermal conductivity less than that of the metal constituting the walls.
  • the mold shown in Figure 1 has metallic walls 1 cooled, in a manner known in itself, by an internal circulation of water, which form a tubular body and define a vertical passage for cast steel 2.
  • the upper part of these walls metallic is preferably made up of a element independent of their lower part, by example in the form of an annular part 3, also in copper or copper alloy and has a circuit its own cooling, schematized by the water circulation channel 4.
  • Such an annular part 3 can be replaced more easily and cheaply than if the walls were formed in one piece over the whole the height.
  • a layer 6 of electrolytic nickel is produced, of a thickness for example 1.5 mm.
  • the height is for example 40 mm, is arranged a thermally insulating extension 7 comprising a part upper 8 in highly insulating refractory, with a height 200 mm for example, and a lower part 9 in one refractory material possibly less insulating but with better mechanical resistance, for example the material known under the designation SILLON, and having for example a thickness of 20 mm.
  • a thermally insulating extension 7 comprising a part upper 8 in highly insulating refractory, with a height 200 mm for example, and a lower part 9 in one refractory material possibly less insulating but with better mechanical resistance, for example the material known under the designation SILLON, and having for example a thickness of 20 mm.
  • the SILLON 9 is formed a space forming a slot 10 of low height, for example by a few 1/10 mm, this slot opening out the internal surface of the mold over all its perimeter, and also being connected to a source 110 inert gas under pressure, such as argon, schematically shown in the figure.
  • a source 110 inert gas under pressure such as argon
  • Liquid metal ingot mold feeding is produced by a nozzle 11, of known type, comprising lateral openings 12, located at the refractory riser 7, for example about halfway up of its upper part 8.
  • the level of the free surface 13 liquid steel is held between the top edge of the riser 7 and the gills 12, so that these gills are immersed in the liquid steel bath 2. So classic, the said free surface is covered by a slag layer 13.
  • the skin 21 solid steel begins to form at the edge upper layer of nickel 6 and, due to the cooling caused by the metal walls of the ingot mold, gradually thickens downward, being of course this skin actually moves continuously down with product extraction sunk, and is also continuously renewed by solidification of the liquid steel coming into contact with the nickel layer 6.
  • Feeding argon under pressure through the slot 10 creates gas jets, substantially perpendicular to the internal surface of the walls of the mold, which are used to break up any solidification primers that could occur on contact with the party lower 9 of the riser, so as to ensure that the said skin 21 begins to solidify all over perimeter in the same horizontal plane, located exactly at the level of the upper edge 14 of the layer of nickel 6.
  • FIG. 2 represents the variation of the extracted heat flow ⁇ , as a function of the vertical distance d from this edge 14.
  • the curve in solid line 22 represents the extracted flow in the case of the use of the ingot mold of the invention shown in Figure 1, while the dotted curve 23 represents for comparison the heat flux which would be extracted in the absence of the nickel layer 6, ie if the solid skin 21 began to form in direct contact with copper of the upper part 3.
  • the extracted flux is reduced, this reduction in flux possibly being able to continue over a few millimeters below said layer of nickel, but without appreciably influencing the overall flux extracted by the assembly of the annular part 3.
  • Figure 3 shows an alternative embodiment of the mold, the same marks as those of the figure 1 being used to designate elements correspondents.
  • a layer 15 of additional nickel is deposited on the side surface 16 inside of the annular part 3, this part annular being machined before depositing nickel so that, after this layer 15 has been formed, the internal surface 17 thereof remains substantially coplanar and in the extension of the internal surface from the bottom of the mold.
  • the thickness of the nickel layer 15 gradually decreases from top to bottom on the height of the annular part 3.
  • Figure 5 shows schematically in perspective a portion of the top of a ingot mold wall according to another embodiment, in which vertical grooves 31 are made on the internal face 32 of the annular part 3, as is see, shown on an enlarged scale, in Figure 6.
  • the grooves 31 can have for example a depth and 0.2 mm wide and be spaced from each other 1.5 mm.
  • the invention is not limited to the different variants that have been described above only at as an example.
  • a non-conductive coating metal other than nickel it is preferable, to reduce the costs of maintenance, achieve reduction of heat flow extracted at the level of a superior room independent of lower parts constituting the walls of the ingot mold, the different embodiments described above could also be implemented directly on said metal walls only over a limited height from their edges superiors.
  • a resistance electric heater for example in the form of a graphite tape 71 (PAPYER type (registered trademark) or SIGRAFLER (registered trademark)), which can be folded, without risk of breaking it, in order to wrap it around the passage cast metal 2 (see Figure 9).
  • This heating tape 71 can be molded into the refractory of the riser or preferably placed in an annular groove 72 dug at this effect in the enhancement, which is then achieved by example in two parts 73, 74 superimposed. Therefore, if care is taken to choose a gas for sweeping gas inert, like argon, no oxidation problem the graphite heating resistance is not encountered.

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Description

La présente invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier.
L'opération de coulée continue consiste schématiquement, comme on le sait, à verser un métal en fusion dans une lingotière, essentiellement constituée d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre (plus généralement en alliage de cuivre), sont énergiquement refroidies par circulation d'eau, et de laquelle on extrait également en continu un produit déjà solidifié extérieurement. La solidification progresse ensuite vers l'axe du produit et s'achève au cours de la descente de celui-ci en aval de la lingotière dans la zone dite du "refroidissement secondaire" sous l'effet de rampes d'arrosage d'eau. Le produit obtenu (bloom, billette ou brame) est ensuite découpé à longueur, puis laminé avant expédition à la clientèle ou transformation sur place, en barres, fils, profilés, plaques, tôles, etc..
Les défauts de surface ou sous-cutanés des produits issus de la coulée continue de l'acier sont souvent cause de rebut, car l'opération de laminage les supporte mal, voire les amplifie jusqu'à dégrader de façon intolérable la qualité métallurgique des produits laminés.
Au cours de la coulée, le métal en fusion, déversé en lingotière, forme une pellicule solide au niveau de sa surface libre dès sa venue en contact avec les parois métalliques refroidies de la lingotière. Cette pellicule est entraínée vers le bas lors de l'extraction du produit par un mouvement saccadé rythmé par les oscillations verticales de la lingotière. Simultanément, son épaisseur croít du fait de la poursuite de l'extraction de chaleur réalisée par les parois de la lingotière. Il y a donc continuellement création d'une nouvelle pellicule de métal solide au niveau de la surface libre du métal dans la lingotière (appelée "ménisque"), cette pellicule se solidifiant sur tout le périmètre de la paroi interne de la lingotière et constituant un anneau solide susceptible de se contracter du fait du refroidissement subi lors de sa descente dans la lingotière.
La contraction thermique de la peau solide est d'autant plus importante que l'extraction de chaleur est forte et que le métal coulé a une tendance naturelle à se contracter lors du refroidissement, par exemple par changement de phase solide en fin de solidification, comme c'est le cas notamment pour des nuances d'acier à bas ou moyen carbone ou d'aciers inoxydables.
Cette contraction périmétrique tend à provoquer un écartement de la peau solidifiée par rapport à la paroi de la lingotière, et donc une diminution de l'échange thermique du fait que le contact de la dite peau avec les parois froides est dégradé. Ce décollement est généralement inégal selon le périmètre de la peau solidifiée, ce qui est source de défauts de surface sur le produit final obtenu.
Pour contrecarrer les velléités de contraction, on connaít par le document FR 2.704.786 une lingotière, dite de coulée continue en charge, comportant une rehausse thermo-isolante destinée à contenir le métal coulé maintenu à l'état liquide, et un insert situé entre la paroi refroidie de la lingotière et la dite rehausse. L'insert est prévu pour injecter, au niveau de la base de la rehausse, un lubrifiant et un gaz destiné à assurer que la peau solidifiée du produit coulé soit bien formée précisément à partir du bord supérieur de la paroi refroidie, et non au contact de l'insert, lequel est par ailleurs refroidi et peut comporter un revêtement isolant pour éviter que le métal coulé se solidifie à son contact.
Le document EP 0 620 062 montre aussi une lingotière pourvue d'une rehausse isolante, et comportant des orifices pour l'injection de gaz destinée à cisailler l'éventuelle croûte de solidification formée au contact de la rehausse.
Pour éviter ou limiter les défauts indiqués précédemment, on a aussi cherché à réduire le flux thermique extrait lors de la formation de la peau, au début de sa solidification.
Ainsi, il a déjà été tenté de réduire ce flux thermique, comme indiqué dans FR-A-2.067.289, en utilisant une lingotière pourvue, dans sa partie supérieure, là où se produit le début de solidification, d'un insert formant une barrière thermique en empêchant le métal en fusion de venir directement en contact avec les parois refroidies de la lingotière. La tenue dans le temps d'un tel insert s'est toutefois révélée très aléatoire, et le coût de maintenance d'une telle lingotière très élevé.
Il a également été tenté de réduire le flux thermique en donnant aux parois de la lingotière un état de surface susceptible de réduire l'aire des zones de contact direct du métal coulé avec le cuivre des parois refroidies, par exemple par une gravure régulière des parois formant un gaufrage de leur surface, ou par une rugosité aléatoire obtenue par exemple par sablage. Une telle méthode n'a semble-t'il cependant pas encore permis d'améliorer sensiblement la qualité de surface du produit coulé. Il semble en effet que les perturbations provoquées par les variations de niveau de la surface libre du métal coulé soient prédominantes par rapport à l'effet modérateur sur le flux thermique, obtenu par un état de surface adapté des parois de la lingotière tel qu'indiqué ci-dessus, de sorte que, les hétérogénéités de solidification subsistant, les défauts de surface ne sont pas éliminés.
Dans le même but de réduire le contact direct du métal coulé avec le cuivre froid des parois, il a encore été tenté de réaliser dans celles-ci des rainures verticales comme indiqué dans JP"56136257. Mais il est alors apparu que ces rainures se garnissaient rapidement du laitier classiquement utilisé comme couche de couverture de la surface libre du métal liquide, ce qui atténuait l'effet thermique recherché.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqué ci-dessus et vise particulièrement à obtenir un produit coulé ayant une très bonne qualité de surface, en assurant une réduction efficace du flux thermique extrait lors de la formation et du début de la croissance de la pellicule solidifiée, et en évitant notamment l'effet néfaste des fluctuations du niveau de la surface libre du métal liquide en lingotière.
Avec ces objectifs vue, l'invention a pour objet un procédé du type de celui décrit dans FR-A-2.067.289, pour la coulée continue des métaux en fusion, notamment de l'acier, dans une lingotière comportant des parois métalliques énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une extraction de flux thermique du métal coulé provoquant un refroidissement et une solidification progressive du dit métal, procédé selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois, caractérisé en ce que on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé à l'intérieur de la dite rehausse, et en ce que l'on injecte au niveau de cette rehausse, et de préférence au moins à son extrémité inférieure, un gaz débouchant en jets répartis sur le pourtour intérieur de la lingotière.
Conformément à l'invention, la surface libre du bain de métal liquide (le ménisque) est située dans la rehausse. Comme celle-ci est en matériau réfractaire thermiquement isolant, la pellicule de métal solidifié ne commence à se former régulièrement qu'à partir du bord supérieur des parois métalliques, et cela grâce au soufflage du gaz de balayage à la base de la rehausse qui permet de bien séparer cette solidification régulière voulue sur la partie métallique refroidie des éventuelles solidifications locales parasites qui peuvent advenir sur la partie réfractaire. Ainsi, la solidification du métal coulé ne débute qu'à une certaine distance du ménisque. La zone où commence cette solidification est donc quasiment parfaitement plane, horizontale, et non soumise aux fluctuations ou perturbations qui agitent inévitablement la surface libre du bain. L'anneau solide constitué par la peau de première solidification est donc géométriquement parfaitement régulier, et son renouvellement continu est également quasiment parfaitement régulier, de même que la croissance de cette peau solidifiée, au fur et à mesure de la descente du produit coulé.
Par ailleurs, comme le métal coulé n'initie pas sa solidification dans la rehausse, il n'y a pas à ce niveau de contraction du métal. Ce dernier reste au contact de la paroi de la rehausse et empêche les infiltrations de laitier entre le métal et la dite paroi. Il en résulte qu'il ne peut donc pas non plus y avoir d'infiltrations de laitier entre les parois métalliques de la lingotière et la peau solidifiée à leur contact, même si celle-ci tend à s'en écarter du fait du retrait de solidification. On notera de plus que la pression ferrostatique du métal liquide, due à la hauteur de ce métal contenu dans la rehausse, tend à s'opposer à cet écartement et donc à maintenir la dite peau plaquée contre la surface des parois métalliques, et ceci de manière uniforme sur tout le pourtour interne de la lingotière, du fait que l'épaisseur et l'état de solidification de la peau est également uniforme sur ce pourtour.
Ainsi, du fait de cette régularité périphérique, l'extraction de chaleur réalisée dans la partie supérieure des parois métalliques peut être réalisée aussi de manière uniforme sur tout le pourtour du produit, en évitant des décollements localisés et les sous-épaisseurs de peau solide qui en résulteraient, et l'intensité du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification peut-être assurée très uniformément sur tout le pourtour du passage défini par les parois métalliques.
Préférentiellement, on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée à partir du bord inférieur de la dite rehausse, sans cependant modifier sensiblement la quantité de chaleur globale extraite par la lingotière. Cette hauteur limitée assure ainsi une réduction du flux thermique extrait dans la zone où la peau de métal solide se forme, et évite aussi l'effet de retrait et de décollement de la peau de métal observé dans le procédé de coulée selon l'art antérieur.
Selon une première variante, la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique sensiblement constante sur toute sa hauteur. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait peut être forte mais sur une faible hauteur, par exemple de l'ordre de 10 mm.
Selon une deuxième variante, la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait décroít progressivement vers le bas de la lingotière, sur une zone de plus grande hauteur. Ceci permet d'assurer une réduction du flux thermique extrait, dans la zone où est réalisée cette réduction, encore plus forte que dans le cas précédent, du fait de la hauteur supérieure de cette zone, mais aussi d'assurer une sorte de progressivité dans la variation de flux thermique extrait, entre la rehausse où le dit flux extrait est le plus faible possible, et la partie métallique refroidie de la lingotière où il est recherché une extraction maximale du flux thermique.
L'invention a aussi pour objet une lingotière de coulée continue du type décrit dans FR-A-2.067.289, comportant des parois métalliques s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposés de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers leur surface interne définissant le dit passage, caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut, et des moyens d'injection d'un gaz débouchant sur le pourtour intérieur de la lingotière, au niveau de la rehausse et de préférence à l'extrémité inférieure de celle-ci juste au-dessus des parois métalliques. Selon un premier mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche d'un métal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois, la dite couche de métal étant par exemple constituée de nickel, déposé par un procédé de dépôt électrolytique, sur le cuivre ou alliage de cuivre constitutif des parois de la lingotière.
Selon une première variante, la dite couche est située au-dessus des parois, et donc entre celles-ci et le réfractaire constitutif de la rehausse, et son épaisseur peut être par exemple de l'ordre du millimètre.
Selon une autre variante, la dite couche s'étend en plus sur la face interne des parois métalliques refroidies, sur une hauteur qui peut alors être de l'ordre de quelque centimètres. La couche de métal peu conducteur forme alors une barrière thermique entre la peau solidifiée de métal coulé et le métal très bon conducteur thermique des parois de la lingotière. Sur toute la hauteur sur laquelle s'étend cette couche peu conductrice, le flux thermique extrait est fortement réduit (la réduction pouvant atteindre et même dépasser 50%), par rapport à une configuration où le métal coulé serait en contact direct avec le dit métal très conducteur des parois.
La réalisation d'une couche de métal peu conducteur à la fois au dessus des parois en cuivre ou alliage de cuivre et sur leur face latérale intérieure permet de modifier simultanément la valeur moyenne du flux extrait dans la partie supérieure des parois refroidies et l'étalement du flux en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, au niveau duquel débute la solidification de la pellicule de métal coulé, cet étalement pouvant par ailleurs être pré-réglé et favorisé en diminuant progressivement l'épaisseur de la dite couche du haut vers le bas.
Selon un deuxième mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne des dites parois. On constitue ainsi, dans la zone de formation de la pellicule solidifiée, et sur la périphérie du passage formé par les parois de la lingotière, une alternance de points de contact direct du métal coulé avec le cuivre ou alliage de cuivre des parois refroidies, et de points, correspondants aux dites rainures, où l'extraction de chaleur est réduite. On notera que, contrairement à la technique évoquée au début de ce mémoire, utilisant un tel système de rainures, et du fait que le début de solidification s'effectue, selon l'invention, à une certaine distance en dessous de la surface libre du bain de métal et donc en absence de laitier, il ne peut donc y avoir , en cours de coulée, pénétration de laitier dans ces rainures, et obstruction de celles-ci.
Selon une variante de cette disposition, les dites rainures sont comblées au moins partiellement par un matériau ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois.
D'autres caractéristiques et avantages apparaítront dans la description qui va être faite d'une lingotière de coulée continue d'acier conforme à l'invention et de sa mise en oeuvre.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels:
  • la figure 1 est une représentation schématique, en coupe longitudinale partielle, de la partie haute de la lingotière, dans une première variante de réalisation,
  • la figure 2 représente la variation du flux thermique extrait au cours d'une coulée dans une telle lingotière, en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques,
  • les figures 3 et 4 correspondent respectivement aux figures 1 et 2 dans le cas d'une deuxième variante de réalisation de la lingotière,
  • la figure 5 représente schématiquement la partie supérieure d'une paroi de lingotière, dans un second mode de réalisation, utilisant un rainurage de la partie supérieure de paroi métallique,
  • la figure 6 est une vue, à échelle agrandie, de la section selon un plan horizontal de la partie supérieure de la paroi métallique de la figure 5,
  • la figure 7, est une vue similaire à la figure 6, dans le cas où les rainures sont comblées par un métal peu conducteur,
  • la figure 8 illustre un mode de réalisation particulièrement avantageux de la rehausse, incorporant une résistance chauffante,
  • la figure 9 est une vue schématique de la lingotière , à échelle réduite, en coupe selon la ligne IX - IX de la figure 8.
La lingotière représentée figure 1 comporte des parois métalliques 1 refroidies, de manière connue en soi, par une circulation interne d'eau, qui forment un corps tubulaire et définissent un passage vertical pour l'acier coulé 2. La partie supérieure de ces parois métalliques est préférentiellement constituée d'un élément indépendant de leur partie inférieure, par exemple sous forme d'une pièce annulaire 3, également en cuivre ou alliage de cuivre et doté d'un circuit de refroidissement qui lui est propre, schématisé par le canal 4 de circulation d'eau.
Une telle pièce annulaire 3 peut être remplacée plus facilement et à moindre coût que si les parois métalliques étaient formées d'une seule pièce sur toute la hauteur.
Sur la face supérieure 5 de la pièce annulaire 3 est réalisé une couche 6 de nickel électrolytique, d'une épaisseur par exemple de 1,5 mm.
Au dessus de cette pièce annulaire 3, dont la hauteur est par exemple de 40 mm, est disposée une rehausse 7 thermiquement isolante comportant une partie supérieure 8 en réfractaire très isolant, d'une hauteur de 200 mm par exemple, et une partie inférieure 9 en un matériau réfractaire éventuellement moins isolant mais présentant une meilleure résistance mécanique, par exemple le matériau connu sous la désignation SILLON, et ayant par exemple une épaisseur de 20 mm.
Entre la couche de nickel 6 est le SILLON 9 est ménagé un espace formant une fente 10 de faible hauteur, par exemple de quelques 1/10 mm, cette fente débouchant à la surface interne de la lingotière sur tout son pourtour, et étant par ailleurs reliée à une source 110 de gaz inerte sous pression, tel que de l'argon, schématiquement représentée sur la figure.
L'alimentation de la lingotière en métal liquide est réalisée par une busette 11, de type connu, comportant des ouïes latérales 12, situées au niveau de la rehausse réfractaire 7, par exemple environ à mi-hauteur de sa partie supérieure 8.
Lors d'une coulée, l'acier en fusion, contenu dans un répartiteur, non représenté, auquel est fixé la busette 11, passe dans la dite busette et ses ouïes 12 et remplit la lingotière. Le niveau de la surface libre 13 de l'acier liquide est maintenu entre le bord supérieur de la rehausse 7 et les ouïes 12, de sorte que ces ouïes sont immergées dans le bain d'acier liquide 2. De manière classique, la dite surface libre est couverte par une couche de laitier 13.
Comme on le voit sur la figure 1, la peau 21 d'acier solide commence à se former au niveau du bord supérieur de la couche de nickel 6 et, du fait du refroidissement provoqué par les parois métalliques de la lingotière, s'épaissit progressivement vers le bas, étant bien entendu que cette peau se déplace en fait continuellement vers le bas avec l'extraction du produit coulé, et se renouvelle également continuellement par solidification de l'acier liquide arrivant au contact de la couche de nickel 6.
L'alimentation d'argon sous pression par la fente 10 crée des jets de gaz, sensiblement perpendiculaires à la surface interne des parois de la lingotière, qui servent à briser les éventuels amorces de solidification qui pourraient se produire au contact de la partie inférieure 9 de la rehausse, de manière à assurer que la dite peau 21 commence à se solidifier sur tout le pourtour dans un même plan horizontal, situé exactement au niveau de l'arrête 14 supérieure de la couche de nickel 6.
La figure 2 représente la variation du flux thermique extrait Φ, en fonction de la distance verticale d à partir de cette arrête 14. La courbe en trait plein 22 représente le flux extrait dans le cas de l'utilisation de la lingotière de l'invention représentée figure 1, alors que la courbe pointillée 23 représente à titre comparatif le flux thermique qui serait extrait en l'absence de la couche de nickel 6, c'est à dire si la peau solide 21 commençait à se former au contact direct du cuivre de la partie supérieure 3. On remarquera que, dans la zone verticale correspondant à l'épaisseur de la couche de nickel, le flux extrait est réduit, cette réduction du flux pouvant d'ailleurs se poursuivre sur quelques millimètres en dessous de la dite couche de nickel, mais sans influencer sensiblement le flux global extrait par l'ensemble de la pièce annulaire 3.
La figure 3 représente une variante de réalisation de la lingotière, les mêmes repères que ceux de la figure 1 étant utilisés pour désigner des éléments correspondants. Dans cette variante, une couche 15 de nickel supplémentaire est déposée sur la surface latérale 16 intérieure de la pièce annulaire 3, cette pièce annulaire étant usinée préalablement au dépôt du nickel de manière que, après formation de cette couche 15, la surface interne 17 de celle-ci reste sensiblement coplanaire et dans le prolongement de la surface interne de la partie inférieure de la lingotière. Préférentiellement, l'épaisseur de la couche de nickel 15 décroít progressivement du haut vers le bas sur la hauteur de la pièce annulaire 3.
La figure 4, similaire à la figure 2 dans le cas de cette deuxième variante, montre que le flux thermique extrait (courbe 24) globalement par la dite pièce annulaire est très fortement réduit par rapport au cas où il n'y aurait pas de revêtement de nickel (courbe 23).
La figure 5 représente schématiquement en perspective une portion de la partie supérieure d'une paroi de lingotière selon un autre mode de réalisation, dans lequel des rainures verticales 31 sont réalisées sur la face interne 32 de la pièce annulaire 3, comme on le voit, représenté à échelle agrandie, sur la figure 6. Les rainures 31 peuvent avoir par exemple une profondeur et une largeur de 0,2 mm et être distantes l'une de l'autre de 1,5 mm.
En variante, comme illustrée figure 7, les rainures peuvent être comblées par un dépôt 33 d'un métal faiblement conducteur, par exemple du nickel. Dans ce cas, les rainures peuvent avoir par exemple une largeur de 1 mm et une profondeur de 0,5 mm, et être distantes l'une de l'autre de 2 mm. Le dépôt de nickel réalisé dans les rainures permet d'éviter la pénétration d'acier coulé en fond de rainure. La réduction de flux thermique extrait dans cette variante est alors identique à celle qui serait produite par une réduction de la surface d'échange proportionnelle à la surface occupée par les rainures regarnies en dit métal peu conducteur.
Bien que, pour simplifier le dessin, on n'ait pas représenté sur la figure 5 de fente d'injection de gaz inerte, il est clair qu'une telle injection sera aussi préférentiellement utilisée dans la mise en oeuvre d'une telle lingotière.
Les essais expérimentaux réalisés par les inventeurs ont donnés des résultats particulièrement satisfaisants sur le plan métallurgique pour le produit coulé, puisqu'il a pu être observé une réduction du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification de plus de 50% et on a pu obtenir un produit ne présentant plus de défauts de surface de type dépressions et criques, en particulier sur des nuances d'aciers à 0,1% de carbone, particulièrement sensibles à de tels défauts.
L'invention n'est pas limitée aux différentes variantes qui ont été décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemple. En particulier, on pourra utiliser un métal de revêtement peu conducteur autre que le nickel. Bien qu'il soit préférable, pour réduire les coûts de maintenance, de réaliser la réduction de flux thermique extrait au niveau d'une pièce supérieure indépendante des parties inférieures constituant les parois de la lingotière, les différents modes de réalisation décrits ci-dessus pourraient également être mis en oeuvre directement sur les dites parois métalliques uniquement sur une hauteur limitée à partir de leurs bords supérieurs.
De même, si le gaz de balayage à la base de la rehausse et un moyen "curatif" à l'encontre des effets, sur le processus de solidification du produit coulé, des solidifications parasites locales sur la paroi réfractaire de la rehausse, ce moyen peut être complété par un moyen "préventif" consistant à chauffer la rehausse. Ainsi, selon l'invention, on pourra avoir avantage à incorporer à la rehausse 7, comme cela est schématiquement représenté figures 8 et 9, une résistance électrique chauffante, par exemple sous la forme d'un ruban de graphite 71 (type PAPYER (marque déposée) ou SIGRAFLER (marque déposée)), que l'on peut plier, sans risque de le casser, afin de l'enrouler autour du passage du métal coulé 2 (voir figure 9). Ce ruban chauffant 71 peut être moulé dans le réfractaire de la rehausse ou de préférence placé dans une gorge annulaire 72 creusée à cet effet dans la rehausse, qui est alors réalisée par exemple en deux parties 73, 74 superposées. Dès lors, si l'on prend soin de choisir comme gaz de balayage un gaz inerte, comme de l'argon, aucun problème d'oxydation de la résistance chauffante en graphite n'est rencontré.

Claims (11)

  1. Procédé de coulée continue des métaux en fusion, notamment de l'acier, dans une lingotière comportant des parois métalliques (1) énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une extraction de flux thermique du métal coulé provoquant un refroidissement et une solidification progressive du dit métal (2), procédé selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois,
       caractérisé en ce que l'on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse (7) thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé (2) à l'intérieur de la dite rehausse, et en ce qu'au niveau de la dite rehausse (7) et au moins au niveau de son bord inférieur, on injecte un gaz débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée, la dite zone présentant une capacité d'extraction de flux thermique sensiblement constante sur toute sa hauteur.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée, la dite zone présentant une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas.
  4. Lingotière de coulée continue comportant des parois métalliques (1,3) s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé (2) et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposés de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens (6,15,31) pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers la surface interne des parois, lingotière caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse (7) en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut, et des moyens d'injection (10) pour injecter au niveau de la dite rehausse et au moins au niveau de son bord inférieur, un gaz sous pression débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.
  5. Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche (6,15) d'un métal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois (1,3).
  6. Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que la dite couche (6) est située au dessus des parois (3).
  7. Lingotière selon la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que la dite couche (15) s'étend sur la face interne (16) des dites parois (3).
  8. Lingotière selon la revendication 7, caractérisée en ce que l'épaisseur de la dite couche (15) diminue du haut vers le bas.
  9. Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures (31) s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne (32) des dites parois (3).
  10. Lingotière selon la revendication 9, caractérisée en ce que les dites rainures (31) sont comblées au moins partiellement par un matériau (33) ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois.
  11. Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en ce que des moyens de chauffage par résistance électrique (71) sont incorporés à la rehausse (7).
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