EP0993890B1 - Lingotiére tubulaire de coulée continue en charge des métaux - Google Patents

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EP0993890B1
EP0993890B1 EP99402210A EP99402210A EP0993890B1 EP 0993890 B1 EP0993890 B1 EP 0993890B1 EP 99402210 A EP99402210 A EP 99402210A EP 99402210 A EP99402210 A EP 99402210A EP 0993890 B1 EP0993890 B1 EP 0993890B1
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EP
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mold
metal
collar
metal part
continuous casting
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EP99402210A
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Eric Perrin
Marc Di Fant
Jean-Pierre Bertrand
Cosimo Salaris
Edouard Weisseldinger
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Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugitech SA
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Forges et Acieries de Dilling SA
Ascometal SA
Sollac SA
Ugine Savoie Imphy SA
Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0401Moulds provided with a feed head
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22DCASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds

Definitions

  • the invention relates to the continuous casting of metals, such as steel. More specifically, it relates to cooled bottomless ingot molds, in which the solidification of the cast product, and even more precisely the tubular ingot molds, the cooled metal part is provided, on its upper edge, with a material extension refractory. This makes it possible to transfer the level of the surface of the liquid metal present in the ingot mold above the metal part of the ingot mold where the solidification of the cast product.
  • the continuous casting of steel is carried out conventionally by initiating the solidification of molten metal in a bottomless ingot mold whose walls are energetically cooled externally by circulation of a liquid such as water.
  • This ingot mold is made of a material which is a good conductor of heat such as copper and its alloys. It can consist of an assembly of plates or a tubular part unique, defining an interior space corresponding to the desired shape for the product cast: of circular, square or rectangular cross section more or less elongated. In the case of pouring slightly elongated square or rectangular products, it is generally the solution of a single tubular part which is retained. This solution is mandatory for products with circular cross-section.
  • a shirt of the ingot mold on its external face ensures cooling by circulation of water.
  • the latter is printed vertical oscillations of low frequency (a few Hz) and of amplitude equal to a few mm, and the interface between the solidified metal and the ingot mold is lubricated.
  • This lubrication is obtained using a fusible cover powder or an oil, which is deposited on the liquid metal surface and which infiltrates between the metal being solidified and the mold. Oil can also be brought to the interface through the wall metal of the mold.
  • the tubular metal part of the mold is extended upwards by a tubular part of refractory material of the same internal dimensions, and the flow of metal entering and leaving the ingot mold is regulated so as to maintain the surface of the liquid metal present in the ingot mold inside this refractory enhancement.
  • the solidification of the metal is initiated by permanence at the junction between the refractory part and the metal part of the ingot mold, in other words where the metal first comes into contact with a cooled wall good conductor of heat.
  • the sound or ultrasonic emitters are fixed on a flange which is secured to the upper end portion of the metal part of the mold, where it replaces the liner that cools the rest of the mold height.
  • a canal water circulation is provided between the mold and the collar so that the this portion of the mold can be cooled.
  • This configuration provides said portion of the mold with independent cooling, which can be adjusted optimally so as to guarantee a good initiation of solidification of the product sank.
  • it is essential that the connection between the ingot mold and the flange has at all points a high rigidity, which makes it inadvisable to use removable fixing means of a piece on the other. The best known method that can be used for this is probably the electron beam welding process.
  • the object of the invention is to propose an ingot mold design for a machine of continuous casting under load adapted to the application to said vibration mold sound or ultrasonic and having all the necessary reliability for a large number of flows.
  • the invention relates to a tubular ingot mold for continuous casting in metal charge, having a cooled metal part intended to be fitted with transmitters sound or ultrasound imposing vibrations and to be surmounted by an enhancement refractory material, the upper end portion of said metal part being cooled by circulation of water in a channel formed on its external face and closed laterally by a collar which surrounds said upper terminal portion and is secured by welding, characterized in that said metal part has below from its upper end portion a lateral protuberance which is integrated therein manufacturing, and on the upper face of which said flange is fixed by welding.
  • the invention consists in shaping the upper end of the metal part of the mold so as to integrate a manufacturing lateral outgrowth. Below this outgrowth, the cooling of the part metal of the mold is ensured by the usual lining. Above this protrusion, the cooling of the metal part of the mold is ensured by a channel which is machined there and closed laterally by a flange welded to the upper face of the protrusion and at the upper edge of the mold.
  • Sound or ultrasonic emitters 14, 15 are applied against the flange 2, for the purpose of imparting vibrations to the metal part 1, for the reasons explained upper.
  • the number of these transmitters is variable; in the case of a section ingot mold square or rectangular, we generally have at least one on each side of the mold.
  • the emitters 14, 15 are applied to surfaces bevelled 16, 17 formed on the outer upper edge of the flange 1, so that the vibrations impressed on the metallic part 1 have both a horizontal component and a vertical component and that these vibrations are obtained using a single family transmitters (see in this regard patent EP 0 403 411).
  • transmitters 14, 15 are conceivable, depending on the type of vibration that one wishes to impose on the metal part 1.
  • the ingot mold according to the invention shown in Figure 2 is distinguished essentially from the ingot mold of the prior art shown in FIG. 1 in that its metal part 1 has a lateral protrusion 18, integrated in the manufacturing part metallic 1 and located below its upper end 19. Between this end upper 19 and the protrusion 18 is machined a cooling channel 20 closed by a collar 21.
  • This collar is similar in its functions to collar 2 of FIG. 1, and is fixed to the metal part 1 by means of two welds made by a beam electron. One 22 of these welds is made at the upper end 19 of the metal part 1, therefore above the machining of the channel 20.
  • the other weld 23 is made on the upper face 24 of the projection 18.
  • transmitters 14, 15 are fixed on the flange 21, for example on bevelled surfaces 23, 24
  • the configuration according to the invention makes it possible to reduce to two instead of three the number of welds between the flange 21 and the metal part 1.
  • these welds 22, 23 are subject to less thermal and mechanical stresses than welds 3, 6, 7 from the previous configuration. None found, like weld 6, nearby liquid metal or solidification present in the interior space 11 of the metal part 1.
  • the weld 22, the closest to the hot metal is distant from the transmitters 14, 15, which attenuates the mechanical stresses which it must support.
  • the metallic tubular part 1 is produced by a process extrusion, which allows to provide at one of its ends a portion of large diameter. Once machined as indicated, this terminal portion forms the part upper of said tubular part 1, with its protrusion 18 and its channel 20. During this machining, it is preferable to make the junctions 27, 28 between the protrusion 18 and the vertical straight portion of the metallic tubular part 1 with a radius of curvature, and not with a sharp angle, to reduce the concentration of stresses at their level.
  • the placement of the transmitters 14, 15 on bevelled edges of the flange 21 is only one example. according to the orientation that is desired for the vibrations, the transmitters 14 can also be applied, 15 horizontally or vertically against the flange 21. Alternatively, the transmitters 14, 15 no longer on the collar 21, but on the protrusion 18.
  • the accumulated deformations at the welds between the tubular metal part 1 of the mold and the flange 21 which closes the channel cooling can be limited, and the welds remain in the elastic range.
  • the lifetime of the ingot mold can thus be considerably increased, up to reach a thousand flows.
  • tubular metal part 1 of the mold it is also possible use any other process than extrusion, the main thing being that it leads to the realization of a single piece shaped as indicated.
  • the tubular metal part 1 of the mold can have a total height of 700 mm, and to be surmounted by a refractory riser 8 in height 200 mm.
  • the collar 21 may have a height of 60 mm and an external dimension of 240 mm, and the protrusion 18 can have a thickness of 10 to 15 mm.
  • organs of the ingot mold directly linked to the problem posed and its resolution.
  • organs which ensure the lubrication of the interface ingot mold-product and which may, if necessary, comprise a cooled annular part fitted with an oil injection slot, inserted between the metal tubular part and the enhances refractory.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)
  • Refinement Of Pig-Iron, Manufacture Of Cast Iron, And Steel Manufacture Other Than In Revolving Furnaces (AREA)

Description

L'invention concerne la coulée continue des métaux, tels que l'acier. Plus précisément, elle concerne les lingotières sans fond refroidies, dans lesquelles s'amorce la solidification du produit coulé, et encore plus précisément les lingotières tubulaires dont la partie métallique refroidie est munie, sur son rebord supérieur, d'une rehausse en matériau réfractaire. Celle-ci permet de reporter le niveau de la surface du métal liquide présent dans la lingotière au-dessus de la partie métallique de la lingotière où s'initie la solidification du produit coulé.
La coulée continue de l'acier s'effectue classiquement en amorçant la solidification du métal en fusion dans une lingotière sans fond dont les parois sont énergiquement refroidies extérieurement par circulation d'un liquide tel que de l'eau. Cette lingotière est réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre et ses alliages. Elle peut être constituée par un assemblage de plaques ou une pièce tubulaire unique, définissant un espace intérieur correspondant à la forme désirée pour le produit coulé : de section transversale circulaire, carrée ou rectangulaire plus ou moins allongée. Dans le cas de la coulée de produits de forme carrée ou rectangulaire faiblement allongée, c'est généralement la solution d'une pièce tubulaire unique qui est retenue. Cette solution est obligatoire pour les produits de section transversale circulaire. Un chemisage de la lingotière sur sa face externe permet d'assurer son refroidissement par une circulation d'eau. Pour faciliter l'extraction du produit hors de la lingotière, on imprime à celle-ci des oscillations verticales de faible fréquence (quelques Hz) et d'amplitude égale à quelques mm, et on lubrifie l'interface entre le métal solidifié et la lingotière. Cette lubrification est obtenue grâce à une poudre de couverture fusible ou à une huile, que l'on dépose sur la surface du métal liquide et qui s'infiltre entre le métal en cours de solidification et la lingotière. De l'huile peut également être amenée jusqu'à l'interface à travers la paroi métallique de la lingotière.
Sur certaines machines de coulée, la partie métallique tubulaire de la lingotière est prolongée vers le haut par une partie tubulaire en matériau réfractaire de mêmes dimensions intérieures, et on règle le débit de métal entrant et sortant de la lingotière de manière à maintenir la surface du métal liquide présent dans la lingotière à l'intérieur de cette rehausse réfractaire. Dans ces conditions, la solidification du métal s'initie en permanence au niveau de la jonction entre la partie réfractaire et la partie métallique de la lingotière, autrement dit là où le métal subit son premier contact avec une paroi refroidie bonne conductrice de la chaleur. De cette façon, on rend l'initiation de la solidification indépendante des fluctuations du niveau de la surface du métal liquide présent dans la lingotière, et qui sont dues notamment aux perturbations hydrodynamiques provoquées par le jet de métal en fusion alimentant la lingotière. On améliore ainsi la qualité de surface du produit coulé. Les installations de coulée ainsi équipées sont dites « de coulée continue en charge ». Sur ces machines, la lubrification de l'interface métal solidifié-lingotière doit impérativement être assurée par une injection d'huile à travers la paroi de la lingotière, puisqu'une poudre de couverture ou une huile déposée sur la surface du métal liquide ne pourrait parvenir jusqu'à l'interface métal solidifié-lingotière. Avantageusement, comme on le fait parfois aussi sur les machines classiques dépourvues de rehausse, on surimpose aux oscillations verticales de la lingotière des vibrations à haute fréquence (par exemple 15 à 18 kHz) et faible amplitude (quelques µm) au moyen d'émetteurs sonores ou ultrasonores appliqués contre la paroi de la lingotière ou une pièce qui lui est fixée. Ces vibrations améliorent les conditions de lubrification de l'interface métal-lingotière.
Selon un mode de réalisation de telles lingotières à rehausse réfractaire, les émetteurs sonores ou ultrasonores sont fixés sur une collerette qui est solidarisée à la portion terminale supérieure de la partie métallique de la lingotière, où elle remplace le chemisage qui assure le refroidissement du restant de la hauteur de la lingotière. Un canal de circulation d'eau est ménagé entre la lingotière et la collerette pour que le refroidissement de cette portion de la lingotière puisse s'effectuer. Cette configuration procure à ladite portion de la lingotière un refroidissement indépendant, qui peut être réglé de façon optimale de manière à garantir une bonne initiation de la solidification du produit coulé. Afin d'assurer une bonne transmission des vibrations à la lingotière, il est indispensable que la liaison entre la lingotière et la collerette présente en tout point une grande rigidité, ce qui rend déconseillé l'utilisation de moyens de fixation amovibles d'une pièce sur l'autre. La meilleure méthode connue utilisable à cet effet est probablement le procédé de soudage par faisceau d'électrons.
L'expérience montre cependant que cette conception de la lingotière n'est pas satisfaisante. En effet, on observe rapidement l'apparition de fissures dans les soudures qui unissent la lingotière et la collerette. Ces soudures doivent donc être régulièrement restaurées si on veut conserver la lingotière en état de fonctionnement, d'où un coût d'entretien trop élevé de l'installation.
Le but de l'invention est de proposer une conception de lingotière pour machine de coulée continue en charge adaptée à l'application à ladite lingotière de vibrations sonores ou ultrasonores et présentant toute la fiabilité nécessaire pendant un grand nombre de coulées.
A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière tubulaire de coulée continue en charge des métaux, ayant une partie métallique refroidie destinée à être munie d'émetteurs sonores ou ultrasonores lui imposant des vibrations et à être surmontée d'une rehausse en matériau réfractaire, la portion terminale supérieure de ladite partie métallique étant refroidie par circulation d'eau dans un canal ménagé sur sa face externe et obturé latéralement par une collerette qui entoure ladite portion terminale supérieure et lui est solidarisée par soudage, caractérisée en ce que ladite partie métallique comporte en dessous de sa portion terminale supérieure une excroissance latérale qui lui est intégrée de fabrication, et sur la face supérieure de laquelle ladite collerette est fixée par soudage.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à conformer l'extrémité supérieure de la partie métallique de la lingotière de manière à y intégrer de fabrication une excroissance latérale. En dessous de cette excroissance, le refroidissement de la partie métallique de la lingotière est assuré par le chemisage habituel. Au-dessus de cette excroissance, le refroidissement de la partie métallique de la lingotière est assuré grâce à un canal qui y est usiné et obturé latéralement par une collerette soudée à la face supérieure de l'excroissance et au bord supérieur de la lingotière.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes :
  • la figure 1 qui montre schématiquement, vue en coupe transversale, une lingotière pour coulée continue en charge conforme à l'art antérieur ;
  • la figure 2 qui montre de la même façon une lingotière de coulée continue en charge selon l'invention.
Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des références identiques.
La lingotière de coulée continue en charge selon l'art antérieur représentée sur la figure 1 comporte classiquement et principalement les éléments suivants :
  • une partie métallique tubulaire 1, de section par exemple carrée, réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre ou un de ses alliages ;
  • une collerette 2, qui entoure la portion terminale supérieure de la partie métallique tubulaire 1, réalisée en un matériau analogue à celui de ladite partie tubulaire 1 ; ces deux pièces sont solidarisées par une soudure 3 réalisée par un procédé utilisant un faisceau d'électrons ; elles sont usinées de manière à ménager entre elles un canal 4 dans lequel on peut faire circuler un fluide de refroidissement tel que de l'eau ; ce canal 4, dans la configuration représentée, est obturé par un couvercle métallique 5 qui est soudé, également par un procédé à faisceau d'électrons, à la partie tubulaire 1 et à la collerette 2 au moyen de soudures 6, 7 ;
  • une rehausse en matériau réfractaire 8, de forme tubulaire, fixée sur le rebord supérieur 9 de la partie métallique 1, et dont l'espace intérieur 10 prolonge l'espace intérieur 11 de la partie métallique 1 ; ces espaces intérieurs 10, 11 sont destinés à renfermer le métal liquide en cours de solidification et définissent la forme du produit coulé ; conformément au principe de la coulée continue en charge, pour les raisons qui ont été précédemment exposées, la surface supérieure du métal liquide présent dans la lingotière est maintenue en permanence dans l'espace intérieur 10 de la rehausse réfractaire 8 ;
  • une chemise 12 qui entoure la partie métallique 1 en dessous de la collerette 2 ; un espace 13 est ménagé entre la partie métallique 1 et la chemise 12, dans lequel on fait circuler de l'eau de refroidissement.
Des émetteurs sonores ou ultrasonores 14, 15 sont appliqués contre la collerette 2, dans le but d'imprimer des vibrations à la partie métallique 1, pour les raisons explicitées plus haut. Le nombre de ces émetteurs est variable ; dans le cas d'une lingotière de section carrée ou rectangulaire, on en dispose généralement au moins un sur chaque côté de la lingotière. Dans l'exemple représenté, les émetteurs 14, 15 sont appliqués sur des surfaces biseautées 16, 17 ménagées sur l'arête supérieure externe de la collerette 1, afin que les vibrations imprimées à la partie métallique 1 aient à la fois une composante horizontale et une composante verticale et que ces vibrations soient obtenues à l'aide d'une seule famille d'émetteurs (voir à ce propos le brevet EP 0 403 411). Mais d'autres dispositions des émetteurs 14, 15 sont envisageables, selon le type de vibrations que l'on désire imposer à la partie métallique 1. En plaçant les émetteurs 14, 15 contre la face supérieure de la collerette 2, on imposerait des vibrations purement verticales, et en les plaçant contre les faces latérales de la collerette 2, on imposerait des vibrations purement horizontales.
Comme on l'a dit, l'expérience montre que cette configuration selon l'art antérieur n'est pas satisfaisante, en ce qu'on observe rapidement l'apparition de fissures dans les soudures 3, 6, 7. Cette apparition s'explique par les intenses sollicitations thermomécaniques auxquelles sont soumises les soudures, du fait de la proximité du métal liquide et des émetteurs 14, 15. Elles provoquent des déformations importantes de leurs matériaux constitutifs. Il en résulte une plastification des soudures, qui finit par faire apparaítre des fissures de fatigue.
La lingotière selon l'invention représentée sur la figure 2 se distingue essentiellement de la lingotière de l'art antérieur représentée sur la figure 1 en ce que sa partie métallique 1 comporte une excroissance latérale 18, intégrée de fabrication à la partie métallique 1 et située en dessous de son extrémité supérieure 19. Entre cette extrémité supérieure 19 et l'excroissance 18 est usiné un canal de refroidissement 20 obturé par une collerette 21. Cette collerette est similaire dans ses fonctions à la collerette 2 de la figure 1, et est fixée à la partie métallique 1 au moyen de deux soudures réalisées par un faisceau d'électrons. L'une 22 de ces soudures est pratiquée au niveau de l'extrémité supérieure 19 de la partie métallique 1, donc au-dessus de l'usinage du canal 20. L'autre soudure 23 est pratiquée sur la face supérieure 24 de l'excroissance 18. Comme dans la configuration de référence de la figure 1, des émetteurs 14, 15 sont fixés sur la collerette 21, par exemple sur des surfaces biseautées 23, 24
Par rapport à la configuration selon l'art antérieur représentée sur la figure 1, la configuration selon l'invention permet de réduire à deux au lieu de trois le nombre de soudures entre la collerette 21 et la partie métallique 1. D'autre part, ces soudures 22, 23 sont sujettes à de moindres sollicitations thermiques et mécaniques que les soudures 3, 6, 7 de la configuration précédente. Aucune ne se trouve, comme la soudure 6, à proximité immédiate du métal liquide ou en cours de solidification présent dans l'espace intérieur 11 de la partie métallique 1. D'autre part, la soudure 22, la plus proche du métal chaud, est éloignée des émetteurs 14, 15, ce qui atténue les sollicitations mécaniques qu'elle doit supporter.
Préférentiellement, la partie tubulaire métallique 1 est fabriquée par un procédé d'extrusion, qui permet de ménager à l'une de ses extrémités une portion de grand diamètre. Une fois usinée comme on l'a indiqué, cette portion terminale forme la partie supérieure de ladite partie tubulaire 1, avec son excroissance 18 et son canal 20. Lors de cet usinage, il est préférable de réaliser les jonctions 27, 28 entre l'excroissance 18 et la portion droite verticale de la partie tubulaire métallique 1 avec un rayon de courbure, et non avec un angle vif, pour diminuer la concentration des contraintes à leur niveau.
Comme dans la lingotière selon l'art antérieur de la figure 1, le placement des émetteurs 14, 15 sur des arêtes biseautées de la collerette 21 n'est qu'un exemple. Selon l'orientation que l'on souhaite pour les vibrations, on peut aussi appliquer les émetteurs 14, 15 horizontalement ou verticalement contre la collerette 21. En variante, on peut placer les émetteurs 14, 15 non plus sur la collerette 21, mais sur l'excroissance 18.
Grâce à l'invention, les déformations cumulées au niveau des soudures entre la partie métallique tubulaire 1 de la lingotière et la collerette 21 qui obture le canal de refroidissement 20 peuvent être limitées, et les soudures restent dans le domaine élastique. La durée de vie de la lingotière peut être ainsi considérablement augmentée, jusqu'à atteindre un millier de coulées.
Pour fabriquer la partie métallique tubulaire 1 de la lingotière, on peut également utiliser tout autre procédé que l'extrusion, l'essentiel étant qu'il aboutisse à la réalisation d'une pièce monobloc conformée comme indiqué.
A titre d'exemple, pour une lingotière destinée à couler des billettes d'acier de section carrée de 135 mm de côté, la partie métallique tubulaire 1 de la lingotière peut avoir une hauteur totale de 700 mm, et être surmontée par une rehausse réfractaire 8 de hauteur 200 mm. La collerette 21 peut avoir une hauteur de 60 mm et une dimension extérieure de 240 mm, et l'excroissance 18 peut avoir une épaisseur de 10 à 15 mm.
Il est entendu que dans la description qui précède, on n'a évoqué que les organes de la lingotière directement liés au problème posé et à sa résolution. On n'a, en particulier, pas décrit et représenté les organes qui permettent d'assurer la lubrification de l'interface lingotière-produit, et qui peuvent, le cas échéant, comporter une pièce annulaire refroidie munie d'une fente d'injection d'huile, intercalée entre la pièce tubulaire métallique et la rehausse en réfractaire.

Claims (4)

  1. Lingotière tubulaire de coulée continue en charge des métaux, ayant une partie métallique refroidie (1) destinée à être munie d'émetteurs sonores ou ultrasonores (14, 15) lui imposant des vibrations et à être surmontée d'une rehausse (8) en matériau réfractaire, la portion terminale supérieure de ladite partie métallique (1) étant refroidie par circulation d'eau dans un canal (20) ménagé sur sa face externe et obturé latéralement par une collerette (21) qui entoure ladite portion terminale supérieure et lui est solidarisée par soudage, caractérisée en ce que ladite partie métallique (1) comporte en dessous de sa portion terminale supérieure une excroissance latérale (18) qui lui est intégrée de fabrication, et sur la face supérieure (24) de laquelle ladite collerette (21) est fixée par soudage.
  2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que sa partie métallique refroidie (1) est fabriquée par un procédé d'extrusion, suivi par un usinage de sa portion terminale supérieure et de ladite excroissance (18).
  3. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits émetteurs (14, 15) sont appliqués sur ladite collerette (21).
  4. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits émetteurs (14, 15) sont appliqués sur ladite excroissance (18).
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