EP0904170B1 - Lingotiere bi-materiau pour la coulee continue en charge verticale des metaux - Google Patents

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EP0904170B1
EP0904170B1 EP97916507A EP97916507A EP0904170B1 EP 0904170 B1 EP0904170 B1 EP 0904170B1 EP 97916507 A EP97916507 A EP 97916507A EP 97916507 A EP97916507 A EP 97916507A EP 0904170 B1 EP0904170 B1 EP 0904170B1
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EP
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annulus
ring
refractory
mould
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EP97916507A
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Jean-Marc Jolivet
Eric Perrin
Cosimo Salaris
Jacques Spiquel
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Forges et Acieries de Dilling SA
Sollac SA
Ugitech SA
Sogepass
Ascometal France Holding SAS
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Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugine Savoie Imphy SA
Sogepass
Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
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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
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    • 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 invention relates to Continuous Casting in Vertical Load of metals, and steel in particular.
  • the aim is thus to continuously pour better semi-finished products. quality and with high extraction speeds, or even higher than Classic Continuous Casting, because all hydrodynamic turbulence caused by the arrival of molten metal in the mold are indeed confined to the refractory riser so that below the solidification can begin and continue in an environment calm in which the cast steel progresses towards the exit of the ingot mold without significant velocity gradient in the section (so-called type flow "piston").
  • the sleeve made of highly insulating refractory material thermally, therefore generally in fibrous refractory and fairly little dense to prevent parasitic solidification on the inner wall of the sleeve by cooling the metal cast at its contact, and a smaller lower part aligned internally with the mold body, the ring, made of compact refractory material with good mechanical strength to resist erosion mechanics caused by the proximity of the nascent solidification point on the upper edge of the copper body in contact with the end of the enhances.
  • An example of a compact refractory material which may be suitable for this effect is SiAION (or Sialon®).
  • the aim of the present invention is to propose a solution which allows a very significant extension of the life of a ring refractory of this type, in order to make affordable the operating cost of a Continuous Load Casting machine, linked to the renewal of this ring.
  • the invention relates to a bi-material ingot mold for the Continuous casting in vertical load of metals, such as steel, comprising a metal body (copper or copper alloy) energetically cooled and defining a passage for the cast metal which it ensures, in contact with its inner wall, a peripheral solidification, and an extension in heat-insulating refractory material surmounting the body cooled metal intended to contain molten metal in the liquid state poured from a distributor placed above, an ingot mold characterized in that the extension is made up of two distinct refractory parts superimposed: an upper sleeve of refractory material having good thermal insulating properties and a lower material ring refractory with good mechanical properties and aligned internally with the mold body, and in that the ring is crimped in a reinforcing means of height less than that of the ring.
  • this reinforcing means is advantageously constituted by a crimping ring, preferably in steel, surrounding the ring.
  • the invention therefore consists in crimping the ring in hard refractory (in SiAION), -which otherwise would risk cracking, or even burst after only a few pours - by a reinforcement ring, in steel for example, which covers only the middle part of the periphery of the ring, in order to let a free portion of it protrude above and below the reinforcement ring.
  • hard refractory in SiAION
  • the lower edge of the ring in contact with the cast metal can be easily restored by surfacing the turned side towards the cooled metal body if degradation or spalling of the ring is noted.
  • the mold comprises, as can be seen, a tubular body in copper 4 energetically cooled by circulation of water along its face outside.
  • a steel jacket 5 is provided for channel this circulation and communicates at its ends with a introduction chamber 6 and with an evacuation chamber 7, delimited by a mantle 8 surrounding the cooled metal body 4 at a distance.
  • extension 9 made of refractory material uncooled, the inner wall of which is preferably aligned with that of the body 4.
  • the assembly "metallic body cooled 4 preceded by the 9 "insulating refractory riser, defines a passage for cast metal, the upper part of which in the riser is a containment zone 12 of the hydrodynamic disturbances caused by the arrival of the jet 11 of molten metal in the ingot mold, and the part of which lower, which extends it, is a zone 13 for solidification of the cast metal.
  • This solidification is initiated from the first contact of the steel cast with the inner wall of the body of cooled copper 4, namely on the upper edge 14 thereof, and continues downstream forming a solid crust 15 whose thickness increases from the periphery towards the center.
  • the crust 15 is strong enough to withstand ferrostatic pressure of the still liquid heart and continues its centripetal growth until total solidification of the cast semi-finished product 10 under the effect of the ramps not shown water sprinkler located in the lower half of the machine.
  • the semi-finished product is cut into sections of desired width (billets, blooms or slabs, depending on the format of the casting section) and these sections are then available for further processing (rolling, etc.).
  • This ring 17 for example made of SiAlON, doped with boron nitride of preferably, as marketed by the company VESUVIUS under the reference 531, is set in a metal ring 18 by mounting to hot in the workshop. This avoids the risk of cracking and bursting the ring which can appear, if not after a low number of flows, or even after each pour.
  • this ring crimping is dimensioned in width and placed around the ring of so as to let the latter exceed on either side of the limits of the Ring.
  • this provision allows, in case of degradation or flaking, to restore by surfacing the face 19 of the ring turned in gaze of the metallic body 4.
  • a surfacing operation consumes in thickness from 0.1 to 0.2 mm of material.
  • ring within the meaning of this specification, it is necessary hear not only a continuous strapping that can be put in place around a ring 17 of circular shape in the case of casting Continuous Vertical of long products (blooms, billets), but also any means of clamping ensuring the refractory ring mechanical reinforcement allowing it to better resist significant thermo-mechanical stresses that it undergoes due to the cyclical nature of the operations of casting.
  • this reinforcement means may then advantageously consist of a U-shaped flange compressing by its ends, the end faces of each segment, the current central part on the outside of the segment.

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Description

L'invention a trait à la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, et de l'acier en particulier.
Il est connu que la Coulée Continue en Charge Verticale se distingue sur l'essentiel de la Coulée Cóntinue Verticale Classique par le fait que le corps de lingotière, en cuivre ou alliage de cuivre, énergiquement refroidi par circulation d'eau et définissant un passage pour le métal coulé dont il assure la solidification périphérique au contact de sa paroi, est surmonté par une rehausse en matériau réfractaire thermo-isolant destinée à contenir à l'état liquide un volume de métal coulé délivré par le répartiteur placé au-dessus (BF 2 000 365).
On parvient ainsi, grâce à une lingotière "bi-matériau" de ce type, à éloigner la surface libre du métal coulé (le ménisque),qui se trouve alors au sein de la rehausse, de l'endroit où naít nécessairement la solidification du métal coulé au contact de la paroi froide, à savoir l'arête supérieure de l'élément en cuivre.
On vise ainsi à couler en continu des demi-produits de meilleure qualité et avec des vitesses d'extraction élevée, voire plus élevée qu'en Coulée Continue Classique, car toutes les turbulences hydrodynamiques causées par l'arrivée du métal en fusion en lingotière sont en effet confinées au niveau de la rehausse réfractaire de sorte qu'en-dessous la solidification peut commencer et se poursuivre dans un environnement calme dans lequel l'acier coulé progresse vers la sortie de la lingotière sans gradient significatif de vitesse dans la section (écoulement dit de type "piston").
Il a été envisagé, comme décrit dans FR-A-2690099, de concevoir la rehausse réfractaire elle-même, en deux parties distinctes superposées. Une partie supérieure, le manchon, en réfractaire très isolant thermiquement, donc généralement en réfractaire fibreux et assez peu dense pour empêcher toute solidification parasite sur la paroi intérieure du manchon par refroidissement du métal coulé à son contact, et une partie inférieure de taille plus réduite alignée intérieurement avec le corps de lingotière, l'anneau, en matériau réfractaire compact donc présentant une bonne tenue mécanique afin de résister à l'érosion mécanique causée par la proximité de la pointe de solidification naissante sur l'arête supérieure du corps en cuivre au contact de l'extrémité de la rehausse. Un exemple de matériau réfractaire compact pouvant convenir à cet effet est du SiAION (ou Sialon®).
D'autres matériaux peuvent également convenir, mais ils ont tous l'inconvénient d'être coûteux en usage car, même très résistants, ils finissent par s'user, ce qui conduit nécessairement au remplacement de l'anneau utilisé par un anneau neuf à plus ou moins brève échéance.
Le but de la présente invention est de proposer une solution qui permette de prolonger très sensiblement la durée d'usage d'un anneau réfractaire de ce type, afin de rendre abordable le coût d'exploitation d'une machine de Coulée Continue en Charge, lié au renouvellement de cet anneau.
A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière bi-matériau pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, tel que l'acier, comprenant un corps métallique (en cuivre ou alliage de cuivre) énergiquement refroidi et définissant un passage pour le métal coulé dont il assure, au contact de sa paroi intérieure, une solidification périphérique, et une rehausse en matériau réfractaire thermo-isolant surmontant le corps métallique refroidi et destiné à contenir à l'état liquide du métal en fusion coulé depuis un répartiteur placé au-dessus, lingotière caractérisée en ce que la rehausse est formée de deux parties réfractaires distinctes superposées : un manchon supérieur en matériau réfractaire ayant de bonnes propriétés d'isolant thermique et un anneau inférieur en matériau réfractaire ayant de bonnes propriétés de tenue mécanique et aligné intérieurement avec le corps de lingotière, et en ce que l'anneau est serti dans un moyen de renfort de hauteur inférieure à celle de l'anneau.
Dans le cas de la coulée de produits longs que l'on considérera uniquement par la suite, ce moyen de renfort est avantageusement constitué par une bague de sertissage, en acier de préférence, entourant l'anneau.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste donc à sertir l'anneau en réfractaire dur (en SiAION), -qui, sinon, risquerait de se fissurer, voire éclater après quelques coulées seulement- par une bague de renfort, en acier par exemple, qui n'enveloppe que la partie médiane du pourtour de l'anneau, afin de laisser une portion libre de celui-ci dépasser au-dessus et en-dessous de la bague de renfort.
Grâce à un tel montage, l'arête inférieure de l'anneau au contact du métal coulé peut être aisément restaurée par surfaçage de la face tournée vers le corps métallique refroidi si une dégradation ou un écaillage de l'anneau est constatée.
En outre, compte tenu de la symétrie possible du montage, après que les utilisations successives aient épuisé les capacités de régénération de la face inférieure de l'anneau, il est aisé de retourner celui-ci en inversant face supérieure et face inférieure pour une nouvelle série de coulées. On parvient ainsi à doubler la durée de vie en usage de l'anneau en réfractaire compact et donc à diviser par deux son influence dans le coût d'exploitation de la machine de coulée.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages apparaítront plus clairement au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple de réalisation en référence à la planche unique de dessins annexée sur laquelle :
  • la figure 1 montre schématiquement, en coupe verticale, le haut d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale pour la coulée de billettes d'acier.
  • la figure 2 montre, en coupe verticale partielle, le détail de la partie supérieure d'une lingotière de Coulée Continue en Charge Verticale, conforme à l'invention.
Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.
En se rapportant sur la vue générale de la figure 1, on voit que la partie supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale de l'acier est constituée, dans le sens d'extraction du métal à produire, c'est-à-dire du haut vers le bas sur la figure, d'un répartiteur 1 (ou "tundish") contenant un bain de métal en fusion 2, qu'il distribue à une (ou plusieurs) lingotière 3 placée en-dessous au moyen d'un (ou plusieurs) orifice de sortie prolongé par une busette guide 20.
La lingotière comprend, comme on le voit, un corps tubulaire en cuivre 4 énergiquement refroidi par circulation d'eau le long de sa face extérieure. Classiquement, une chemise en acier 5 est prévue pour canaliser cette circulation et communique à ses extrémités avec une chambre d'introduction 6 et avec une chambre d'évacuation 7, délimitées par un manteau 8 entourant à distance le corps métallique refroidi 4.
Ce dernier est surmonté d'une rehausse 9 en matériau réfractaire non refroidi, dont la paroi intérieure est de préférence alignée avec celle du corps 4.
Au plan du processus de coulée, le montage, "corps métallique refroidi 4 précédé de la rehausse réfractaire isolante 9", définit un passage pour le métal coulé dont la partie supérieure au sein de la rehausse est une zone 12 de confinement des perturbations hydrodynamiques provoquées par l'arrivée du jet 11 de métal en fusion dans la lingotière, et dont la partie inférieure, qui la prolonge, est une zone 13 de solidification du métal coulé. Cette solidification, comme on le voit, s'initie dès le premier contact de l'acier coulé avec la paroi intérieure du corps en cuivre refroidi 4, à savoir sur l'arête supérieure 14 de celle-ci, et se poursuit vers l'aval en formant une croûte solide 15 dont l'épaisseur croít de la périphérie vers le centre. A la sortie de la lingotière, la croûte 15, épaisse d'un peu plus d'un centimètre, est suffisamment solide pour résister à la pression ferrostatique du coeur encore liquide et poursuit sa croissance centripète jusqu'à solidification totale du demi-produit coulé 10 sous l'effet des rampes d'aspersion d'eau non représentées situées dans la moitié basse de la machine. Une fois complètement solidifié, le demi-produit est coupé en tronçons de largeur voulue (billettes, "blooms" ou brames, selon le format de la section coulée) et ces tronçons sont alors disponibles pour façonnages ultérieurs (laminage, etc.).
En se reportant à présent plus particulièrement sur la figure 2, on voit que la rehausse réfractaire 9 est, elle-même, formée par empilage de deux éléments distincts :
  • un élément supérieur, le manchon 16, en matériau réfractaire choisi pour ses qualités thermo-isolantes, car il s'agit d'éviter toute solidification parasite prématurée du métal coulé dans la zone de turbulence 12. On optera pour un réfractaire fibreux à base d'alumine, par exemple le matériau commercialisé sous la dénomination A 120K par la firme française KAPYROK s.a..
  • et un élément inférieur, l'anneau 17, en matériau réfractaire choisi pour sa bonne tenue mécanique, car il s'agit de résister au mieux, au voisinage du cristallisoir 4, à l'érosion mécanique de la pointe supérieure de la croûte solide 15 sur l'arête 14 alors que l'ensemble est soumis à un mouvement d'oscillation vertical qui, comme on le sait, est nécessaire à la réussite de l'opération de coulée, aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine fonctionnant par cycles thermiques rythmés par le caractère nécessairement séquentiel du procédé de coulée.
Cet anneau 17, par exemple en SiAlON, dopé au nitrure de bore de préférence, tel que commercialisé par la firme VESUVIUS sous la référence 531, est serti dans une bague métallique 18 par montage à chaud en atelier. Ceci évite le risque de fissuration et d'éclatement de l'anneau qui peut apparaítre, sinon après un faible nombre de coulées, voire après chaque coulée. Conformément à l'invention, cette bague de sertissage est dimensionnée en largeur et placée autour de l'anneau de manière à laisser ce dernier dépasser de part et d'autre des limites de la bague.
Pour fixer les idées, on pourra par exemple cercler un anneau 17 de trois centimètres de hauteur à l'aide d'une bague en acier 18 de deux centimètres et demi de large placée sur le pourtour de l'anneau en position centrale (et de préférence symétrique) de manière à laisser dépasser l'anneau de la bague sur une distance de deux millimètres et demi de part et d'autre.
Comme on l'a dit, cette disposition permet, en cas de dégradation ou d'écaillage, de restaurer par surfaçage la face 19 de l'anneau tournée en regard du corps métallique 4. Ordinairement, une opération de surfaçage consomme en épaisseur de 0,1 à 0,2 mm de matière.
Et, une fois parvenu au terme des surfaçages successifs possibles, au ras de la bague 18 donc, il est aisé de retourner l'anneau et de se replacer ainsi dans la même situation que la situation de départ pour une nouvelle série de coulées avant de devoir changer l'anneau usagé pour un anneau neuf.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit ci-avant mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où sont respectées les caractéristiques essentielles de celle-ci, données dans les revendications jointes.
En particulier, par "bague" au sens du présent mémoire, il faut entendre non seulement un cerclage continu que l'on peut mettre en place autour d'un anneau 17 de forme circulaire dans le cas de la Coulée Continue Verticale de produits longs (blooms, billettes), mais également tout moyen de bridage assurant à l'anneau réfractaire un renfort mécanique lui permettant de mieux résister aux importantes sollicitations thermo-mécaniques qu'il subit en raison du caractère cyclique des opérations de coulée.
Dans le cas de la coulée continue de produits plats ou à grande section allongée, les brames notamment, et mettant en oeuvre un anneau réfractaire non plus continu sur le pourtour de la lingotière, mais formé d'une juxtaposition de segments par exemple, ce moyen de renfort pourra alors être constitué avantageusement d'une bride en U comprimant par ses extrémités, les faces en bout de chaque segment, la partie centrale courant sur la face extérieure du segment.
Par ailleurs, bien que préférée, la disposition montrée sur les figures laissant apparaítre un alignement entre la rehausse et le corps métallique refroidi, n'est pas indispensable à la mise en oeuvre de l'invention.

Claims (4)

  1. Lingotière bi-matériau pour la Coulée Continue en Charge des métaux, tel que l'acier, comprenant un corps métallique (4) énergiquement refroidi et définissant un passage pour le métal coulé (2), dont il assure au contact de sa paroi intérieure une solidification périphérique (15), et une rehausse (9) en matériau réfractaire thermo-isolant surmontant le corps métallique (4) et destinée à contenir à l'état liquide le métal en fusion introduit en lingotière, ladite la rehausse (9) étant formée de deux éléments réfractaires distincts empilés et alignés intérieurement : un manchon supérieur (16) en matériau réfractaire choisi pour ses bonnes propriétés d'isolant thermique, et un anneau inférieur (17) en matériau réfractaire choisi pour ses bonnes propriétés de tenue mécanique, lingotière caractérisée en ce que ledit anneau inférieur (17) est serti dans un moyen de renfort (18) de hauteur inférieure à celle dudit anneau.
  2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le moyen de renfort (18) est en position médiane centrée selon la hauteur de l'anneau (17).
  3. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen de renfort est une bague de sertissage (18) encerclant un anneau de forme circulaire.
  4. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le moyen de renfort est constitué par une bride en U dont les extrémités compriment les faces en bout d'un segment d'un anneau constitué par juxtaposition de plusieurs segments.
EP97916507A 1996-04-05 1997-03-27 Lingotiere bi-materiau pour la coulee continue en charge verticale des metaux Expired - Lifetime EP0904170B1 (fr)

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AT (1) ATE197684T1 (fr)
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