EP1097762B1 - Lingotière à section large pour la coulée continue verticale en charge des métaux - Google Patents

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EP1097762B1
EP1097762B1 EP00402986A EP00402986A EP1097762B1 EP 1097762 B1 EP1097762 B1 EP 1097762B1 EP 00402986 A EP00402986 A EP 00402986A EP 00402986 A EP00402986 A EP 00402986A EP 1097762 B1 EP1097762 B1 EP 1097762B1
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EP
European Patent Office
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continuous casting
refractory
clamp
clamping
metal
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP00402986A
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German (de)
English (en)
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EP1097762A1 (fr
Inventor
Jean-Marc Jolivet
Roger Kraemer
Jacques Barbe
Hervé Morand
Cosimo Salaris
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USINOR SA
Original Assignee
USINOR SA
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Publication date
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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
    • B22D11/0401—Moulds provided with a feed head
    • 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
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal

Definitions

  • the invention relates to continuous casting in charge of metals, in particular steel. More specifically, it relates to the casting of metals into format semi-finished products. elongated, such as slabs, thin slabs, etc., which are consequently poured into so-called "wide section" molds.
  • This tubular element conventionally made of copper, or more generally of copper alloy, has a height ordinary of the order of a meter.
  • This tubular element differs from other types of casting mold basically continues by the fact that it is not monolithic, but made up of four plates assembled at right angles: a pair of large plates, facing each other and intended to form the large faces of the poured slab, often much greater than a meter in width, and a pair of small side plates mounted to the right of the ends of the large plates to seal against the molten molten metal.
  • these plates are called large or small "walls", or, by analogy with slab casting, large and small "faces”.
  • the first solidification proceeds from a very sensitive physical mechanism, in at the same time that it represents an essential factor in the quality of the product obtained. Thanks to the distance in height of these two levels, which are confused, or almost confused in classic continuous casting, this solidification takes place in a hydrodynamically calm place, far from the always disturbed area that is the meniscus region. Concretely, this separation of the two levels is achieved by overcoming the cooled copper body of the ingot mold by an attached extension, not necessarily cooled, made of refractory material high heat insulating properties, well aligned internally with the mold and within which the color will maintain, during the entire duration of the casting operation, the meniscus cast steel, poured from a distributor located just above.
  • This spacer should be both good enough heat insulator to maintain in the liquid state, the molten steel that it will contain, like the enhancer, and present good mechanical resistance properties to preserve as long as possible the geometry of the upper edge of the copper wall on which it rests, precisely where will begin the solidification of the cast metal.
  • a material like SiAlON (R) responds fairly well to such opposing requirements.
  • this type of material is expensive, in especially when it comes to conforming it into a ring hugging the inner periphery of the mold. Its price can even become prohibitive for very long inserts, such as this is necessarily the case for large section molds.
  • the aim of the present invention is to provide a simple, reliable and economical answer. to the aforementioned difficulties encountered with continuous casting in charge of wide products section.
  • the invention relates to an ingot mold with a wide section for continuous casting.
  • vertical in charge of metals, steel in particular comprising a tubular body formed by assembling copper or copper alloy plates, cooled by circulation of a coolant, this cooled metallic tubular body being surmounted by a extension in heat-insulating refractory material aligned internally with it, and having, among the plates which constitute it, large plates each fixed on counter-plates of rigidity with the aid of distributed transverse tie rods, characterized in that the upper part of each of said large plates has a shoulder set back from the plane of the large plate to offer grip to the jaw of an elongated clamp, which fixes thus the upper part of the large plate against the associated counter plate by covering this last from above and ensuring a continuous grip distributed over the width of the large plate, the base of the refractory riser coming to rest on the part of the shoulder left free by the jaw of the stirrup, the other jaw of the stirrup being provided with means for adjusting the clamping by pressing against the associated counter
  • the tie rods at the top of the mold are replaced by a clamping bracket whose jaw, and therefore the bearing surface, can also be extended as desired along the upper edge of the large plates, or even continuous, in order to completely counteract the distortion of the upper edge of large copper plates, very sensitive place of the ingot mold for successful laden casting, as explained above.
  • This stirrup covers each large plate from above and its associated counterplate. A recess set back from the upper edge of the large plate is thus provided to allow the jaw of the stirrup to take position in the shoulder thus formed on the top of the mold to press the heel of the copper plate and tighten it thereby rigidly against the base plate, on which the other jaw of the stirrup acts.
  • the step being voluntarily larger than the bit of the stirrup it receives, the space thus left free on the shoulder in front of the jaw constitutes a centering housing for easy installation of a refractory riser.
  • the hard refractory insert can therefore be made much more easily than hitherto "SiAION" provided at the base of the riser.
  • This realization by assembling sections juxtaposed (FR-A-2764533) whose alignment with each other guarantees the necessary straightness of the whole assembly is executed, in accordance with a secondary object of the invention, from sections of refractory material each of which is taken hot in a metal shell which provides them with the desired mechanical resistance and which is mounted by thread on a rigid guide rod up to the desired length (equal to maximum to the width of the large plate), and at the ends of which are provided elastic clamping means in order to keep the sections clamped together.
  • FIG. 1 it can be seen that the head of a Continuous Casting machine in Vertical load of steel slabs present, in a known manner and in the direction of extraction of the cast metal given by arrow F placed on the casting axis A (i.e. from top to bottom in the figure), a distributor 1 containing a bath of molten metal 2, which it distributes to a (or usually several) ingot mold 3 placed at a distance below by means of a nozzle submerged 4 by ingot mold and whose lateral outlet openings 5 of the metal open out to a ten cm below the free surface 6 of the liquid metal present in the mold.
  • This is schematically composed of two superimposed stages 7 and 8 having respective functions distinct but complementary.
  • the lower stage 7 constitutes the main part of the mold, the crystallizer, of which the thermally active element 9 has the primary role of giving the cast metal a format with sufficient mechanical strength of the skin to avoid breakthroughs downstream.
  • This element 9 a copper tube or more generally a copper alloy, is vigorously cooled by a water circulation in longitudinal channels 10 (shown in the background in the figure) hollowed out on its external face 11, and defines by its very smooth internal surface an internal passage 12 for cast metal.
  • the upper stage 8 is formed by an extension 13 of uncooled refractory material, whose inner wall is aligned with that of element 9 of the crystallizer.
  • the assembly "cooled metal tube 9 surmounted by the 8 "insulating refractory riser defines a calibrating passage for the cast metal, the portion of which upper within the riser constitutes a buffer zone for containment of disturbances hydrodynamics caused by the arrival of molten metal in the mold through the louvers 5 of the nozzle 4, and the portion which extends it downwards, is an area of solidification of the cast metal.
  • This solidification is initiated from the first contact of the cast steel with the cold metal wall of the crystallizer 7, namely already on the upper edge 15 of the copper element 9, and continues downstream, forming a solid crust 13 whose thickness gradually increases from the periphery towards the center as the poured product descends in the mold.
  • the crust 13 one to two centimeters thick, is strong enough to withstand the ferrostatic pressure of the still liquid core. She then continues its centripetal growth until total solidification of the product poured under the effect water spray bars, not shown, located in the lower half of the machine.
  • the product obtained is cut into sections of desired length (the slabs) and these slabs are then available for further shaping (rolling, etc.)
  • the tubular element 9 is conventionally made up of four plates (or walls) assembled at right angles: two large plates facing each other (of which only one, 14, is shown in the figure) and two small end plates, not visible in the figure, intended to close laterally so waterproof the casting space 12.
  • These copper plates have a useful thickness of the order of centimeter in order to extract from the cast metal the high heat flux necessary for the solidification process. However, this is insufficient to safely provide resistance mechanical required, facing ferrostatic pressure and multiple constraints and efforts to which the assembled element 9 is subjected.
  • each large plate 14 is coupled to a thick steel counter plate 16 to which it is rigidly fixed. Conventionally, this fixing is achieved by tie rods 17 whose free end is screwed into inserts 15 embedded in counterbores provided for this purpose in the longitudinal ribs of large plates 14 delimiting the water circulation channels 10.
  • the tie rods 17 normally located at the top of the bottom plate 16 have been replaced in their fixing function by a clamping bracket 22.
  • This bracket comes to cover the plate from above bottom 16 and the large copper face 9 paired and whose shape has been modified at this location to be able to offer grip easily to the caliper bit.
  • the change of form, as regards the copper plate 9, consists, as can be seen, of a swaying of the upper part of so as to produce a shoulder 23 set back from the plane of the copper plate 9 for offer a grip on the passive jaw 24 of the stirrup 22 on the one hand, and on the other hand to offer a base 25 on which the refractory riser 8 rests.
  • the modification of form is more banal: on the "hot” side (towards the inside of the mold), it has a counterbore 26 cooperating with the shoulder 23 of the copper plate 9, on the other side, it includes a shrinkage shrinkage 27 in order to be able to engage in the clamping bracket 22 in providing a support surface for the active jaw 28.
  • this jaw 28 is qualified as active since it is provided with clamping means. easily accessible located on the "cold" side of the mold and made up, in the example considered, by a screw 29 engaged in a threaded barrel 30 passing through the jaw 28, the end free of the screw bearing on the bottom plate 16 to ensure the desired vise effect with the jaw passive 24 on the bottom plate-copper plate assembly located in the right-of-way.
  • a screw 31 for placing and removing the stirrup on the bottom plate is provided on the top, cooperating with an oblong passage light 32 to allow the necessary mobility play when tightening the side screw 29.
  • the stirrup 22 exerts its action of tightening, not locally, but all along each large plate of the mold, or less on a substantial portion of it.
  • the tightening function must be exercised sufficiently distributed so that the problems of local "hot" deformations of the wall of the mold encountered in conventional technology be abolished.
  • the stirrup 22 is an elongated piece whose jaws 24 and 28 are of continuous grip over the entire length, the jaw active 28 being provided with a set of clamping screws 29 distributed over this length. We can thus have three or four stirrups juxtaposed one after the other depending on the width of the large face of the mold, or even a single stirrup which extends over this entire distance.
  • This embodiment also makes it possible to provide a housing for receiving the counterweight. refractory 8.
  • the lower part thereof is then cut into "L" of shape corresponding to the passive jaw 24 to be able to automatically position itself during installation on the stirrup desired, well aligned with the copper wall 9.
  • This advantage is found in the insert in hard refractory 19 at the base of the riser.
  • This insert 19, advantageously made of SiAlON, is not not in one piece over the entire width of the large plates 14, but made from elements juxtaposed kept joined together by tightening. We thus make a SiAlON bar of desired length much less expensive and much stronger than an equivalent monolithic bar that could be obtained commercially.
  • FIG. 2 A clamping means integrated into the insert is visible in Figures 2.
  • a bar 33 constituting the insert as it appears on each large faces of the mold.
  • the insert 19 goes around the inner periphery of the mold. It is therefore, once mounted, in the form of a rectangular frame whose the sides, small and large, are formed by rectilinear bars 33 conforming to that shown here, each of length equal to the width of the wall of the ingot mold that receives it.
  • the bar 33 is formed by assembling juxtaposed contiguous links 34 maintained rigidly clamped together by a clamping means, preferably integrated into the bar itself.
  • this tightening means is a flange composed of a chassis frame with two sliding branches 44, 44 ′ associated with a tie rod crossing right through each link.
  • This tie-rod comprises tightening nuts 36 screwed on its ends so to come, via the corresponding branch 44 of the chassis, compress a stack Belleville washers 43 bearing on the free lateral faces of the two links 34 at the end.
  • the two branches 44, 44 ′ of the chassis slide one on the other in its central zone by two bearing surfaces 46, 46 'provided with oblong lights for the passage of a locking screw 47 which is fixed a once the links 33 have been tightened by the nuts 36.
  • the tie rod 35 is in an offset position towards the "cold" rear face of the bar. 33 in order to move away from its "hot” face 37 intended to come into contact with the molten metal, therefore more thermally stressed.
  • Such a clamping means is said to be "global action". Like a vice, it puts in compression mechanical all the links 34 by acting only on those located at the end of the bar. Of course, provision can be made to prestress each link individually to using the tie rod 35. For this, it is sufficient to have a threaded tie rod over its entire length is add intermediate nuts at the junction between two consecutive links.
  • each link 34 comprises in fact two refractory portions: a body 38 crimped “hot” in a steel casing 39, and a head 40 which flourishes on the side of the "hot” face 37 of the insert while overflowing on both sides of the box 39.
  • the lateral overhangs 41, 41 ′ are carefully surfaced to be able to apply tightly against each other from one link 34 to the next and do not offer joints 42 too wide into which the molten molten metal would infiltrate.
  • the invention applies to the continuous casting not only of steel, but all other continuously castable metal and in particular metals with a lower melting point than steel that are aluminum or copper.

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Description

L'invention concerne la coulée continue en charge des métaux, notamment de l'acier. Elle a trait plus précisément à la coulée en charge des métaux en demi-produits de format allongé, tels que les brames, brames minces, etc..., que l'on coule par voie de conséquence dans des lingotières dites "à section large".
On rappelle qu'une lingotière à section large est avant tout un tube métallique sans fond disposé verticalement et dans lequel l'acier coulé va se solidifier au contact de la paroi intérieure énergiquement refroidie par une intense circulation d'eau. Cet élément tubulaire, classiquement réalisé en cuivre, ou plus généralement en alliage de cuivre, présente une hauteur ordinaire de l'ordre du mètre. Il se différencie cependant des autres types de lingotière de coulée continue essentiellement par le fait qu'il est, non pas monolithique, mais constitué par quatre plaques assemblées à angle droit: une paire de grandes plaques, en regard l'une de l'autre et destinées à former les grandes faces de la brame coulée, souvent bien supérieure au mètre en largeur, et une paire de petites plaques latérales montées au droit des extrémités des grandes plaques pour assurer l'étanchéité à l'égard du métal en fusion coulé. Usuellement, par souci de simplification de vocabulaire, ces plaques sont appelées grandes ou petites "parois", ou, par analogie avec la brame coulée, grandes et petites "faces".
Par ailleurs, dans son état actuel de développement, la coulée continue dite "en charge" des métaux peut être considérée, techniquement parlant, comme une évolution du procédé de coulée continue classique, évolution qui décale sur la hauteur de coulée l'endroit où commence la solidification du métal en lingotière de celui, situé au dessus, où se trouve la surface libre (ou "ménisque") du métal liquide au contact de la paroi de la lingotière.
La première solidification, on le sait, procède d'un mécanisme physique très sensible, en même temps qu'elle représente un facteur essentiel de la qualité du produit obtenu. Grâce à l'éloignement en hauteur de ces deux niveaux, qui sont confondus, ou quasi-confondus en coulée continue classique, cette solidification s'opère dans un lieu hydrodynamiquement calme, éloigné de la zone toujours perturbée qu'est la région du ménisque. Concrètement, cette séparation des deux niveaux est obtenue en surmontant le corps en cuivre refroidi de la lingotière par une réhausse rapportée, non nécessairement refroidie, en matériau réfractaire à propriétés thermoisolantes élevées, bien alignée intérieurement avec la lingotière et au sein de laquelle le couleur va maintenir, durant toute la durée de l'opération de coulée, le ménisque d'acier coulé, déversé depuis un répartiteur disposé juste au dessus.
La coulée continue en charge de ce type, connue pourtant depuis longtemps dans ces principes, et décrite par exemple dans EP-A-0620062, sur lequel est basé le préambule des revendications, n'a toujours pas à ce jour rencontré de réalisation industrielle à la connaissance du déposant. Ses travaux menés plus récemment sur le sujet (voir par exemple FR-A- 2747061 et FR-A-2747062) ont cependant montré tout l'intérêt de prévoir à la partie basse de la réhausse isolante en réfractaire, un insert en matériau réfractaire dense, donc bien plus résistant mécaniquement que les réfractaires isolants habituels. Cette pièce intercalaire doit être en effet à la fois assez bon isolant de la chaleur pour maintenir à l'état liquide l'acier en fusion qu'elle va contenir à l'instar de la réhausse, et présenter de bonnes propriétés de résistance mécanique pour préserver le plus longtemps possible la géométrie de l'arête supérieure de la paroi en cuivre sur laquelle elle repose, là précisément où va s'initier la solidification du métal coulé. On sait qu'un matériau comme le SiAlON (R) répond assez bien à de telles exigences opposées. Toutefois, ce type de matériau est onéreux, en particulier quand il s'agit de le conformer en un anneau épousant le pourtour intérieur de la lingotière. Son prix peut même devenir prohibitif pour des inserts de grande longueur, comme c'est nécessairement le cas des lingotières à large section.
Par ailleurs, et les travaux du déposant ont également contribué à le confirmer, il importe au premier chef pour la réussite de l'opération de coulée de conserver rigoureusement un alignement de l'insert en SiAION avec les grandes faces de la lingotière placées en dessous dans des marges très étroites de tolérance, de l'ordre du 1/10e de mm. Une telle exigence est d'autant plus sévère à respecter que les inévitables phénomènes de dilatation différentielle à chaud des éléments en présence au contact du métal en fusion sont une cause majeure de désalignement. Il est à noter de surcroít que de tels phénomènes sont d'autant plus conséquent que la lingotière est de grand format, ce qui est particulièrement le cas, là aussi, pour la coulée de brames d'acier (largeur pouvant classiquement atteindre voire dépasser 2m).
Or, il se trouve que la technologie actuelle des lingotières à large section remplit mal cette exigence d'alignement propre à la coulée continue en charge. La technologie actuelle des lingotières repose schématiquement sur le principe de la contre-plaque de rigidité. Chaque grande plaque en cuivre s'appuie sur une plaque de rigidité qui lui est appariée en s'y fixant par assemblage à l'aide de tirants traversiers ancrés dans la plaque de cuivre et répartis selon la hauteur et selon la largeur de la plaque avec des espacements inter-tirant d'une vingtaine de cm environ. La robustesse d'un tel assemblage ne peut être contestée. Mais, il induit en cours de coulée, autrement dit "à chaud", une déformation en vagues de la plaque de cuivre entre chaque tirant. Certes, cette déformation, de quelques dixièmes de mm au plus, est sans réelle conséquence en coulée continue classique, mais elle est rédhibitoire en coulée continue en charge en raison du désalignement qu'elle engendre entre la plaque de cuivre et la rehausse réfractaire au niveau de leur plan de joint, là où va précisément naítre la première peau de métal coulé solidifié.
Le but de la présente invention est d'apporter une réponse simple, fiable, et économique aux difficultés précitées rencontrées avec la coulée continue en charge de produits de large section.
A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière à section large pour la coulée continue verticale en charge des métaux, de l'acier en particulier, comprenant un corps tubulaire formé par assemblage de plaques de cuivre, ou d'alliage de cuivre, refroidies par circulation d'un liquide de refroidissement, ce corps tubulaire métallique refroidi étant surmonté par une réhausse en matériau réfractaire thermo-isolant alignée intérieurement avec lui, et ayant, parmi les plaques qui le constituent, des grandes plaques fixées chacune sur des contre-plaques de rigidité à l'aide de tirants traversiers répartis, caractérisée en ce que la partie supérieure de chacune desdites grandes plaques présente un épaulement en retrait par rapport au plan de la grande plaque pour offrir prise au mors d'un étrier de serrage de forme allongée, lequel fixe ainsi la partie supérieure de la grande plaque contre la contre-plaque associée en coiffant cette dernière par le dessus et en assurant une prise continue répartie sur la largeur de la grande plaque, la base de la réhausse réfractaire venant reposer sur la partie de l'épaulement laissée libre par le mors de l'étrier, l'autre mors de l'étrier étant pourvu de moyens de réglage du serrage par venue en appui contre la contre-plaque associée.
Comme on l'aura sans doute compris, les tirants de la partie supérieure de la lingotière sont remplacés par un étrier de serrage dont le mors, donc la surface d'appui, peut être aussi étendu qu'on le veut le long du bord supérieur des grandes plaques, voire continu, afin de contrecarrer complètement les velléités de déformations de l'arête supérieure des grandes plaques de cuivre, endroit très sensible de la lingotière pour la réussite de la coulée en charge, ainsi qu'explicité précédemment. Cet étrier vient coiffer par le dessus chaque grande plaque et sa contre-plaque associée. Un décrochement en retrait du bord supérieur de la grande plaque est ainsi prévu pour permettre au mors de l'étrier de prendre position dans l'épaulement ainsi ménagé sur le haut de la lingotière pour appuyer sur le talon de la plaque de cuivre et la serrer de ce fait rigidement contre la plaque de base, sur laquelle agit l'autre mors de l'étrier. Cette modification de la forme de la partie supérieure des grandes plaques conformément à l'invention rappelle une conformation en "tête de fémur" à la différence toutefois que la tête décalé est destinée, non pas à s'articuler dans une coupole d'accueil, mais à servir de prise à un étrier de blocage contre la contre plaque.
Le décrochement étant volontairement de taille supérieure au mors de l'étrier qu'il reçoit, l'espace laissé ainsi libre sur l'épaulement en avant du mors constitue un logement centreur pour la pose aisée d'une réhausse réfractaire.
On peut dès lors réaliser bien plus aisément que jusqu'ici l'insert en réfractaire dur "SiAION" prévu à la base de la réhausse. Ainsi, cette réalisation, par assemblage de tronçons juxtaposés (FR-A-2764533) dont l'alignement des uns avec les autres est le garant de l'indispensable rectitude du tout assemblé, est exécutée, conformément à un objet secondaire de l'invention, à partir de tronçons de matière réfractaire dont chacun est pris à chaud dans une coquille métallique qui leur assure la résistance mécanique voulue et que l'on monte par enfilade sur une tige de guidage rigide jusqu'à concurrence de la longueur voulue (égale au maximum à la largeur de la grande plaque), et aux extrémités de laquelle sont prévus des moyens de serrage élastique afin de maintenir les tronçons serrés entre eux.
L'invention sera de toute façon 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 et en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles:
  • la figure 1 montre, en coupe verticale, la partie haute d'une machine de coulée continue de brames pourvue d'une lingotière conforme à l'invention, vue de coté;
  • les figures 2 montrent 1' insert en réfractaire dur disposé à la base de la réhausse et constitué de tronçons jointifs assemblés, vu de dessus (fig.2a) et vu de face avant (fig. 2b).
En se reportant sur la figure 1, on voit que la tête d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale de brames d'acier présente, de manière connue et dans le sens d'extraction du métal coulé donné par la flèche F placée sur l'axe de coulée A (c'est-à-dire du haut vers le bas sur la figure), un répartiteur 1 contenant un bain de métal en fusion 2, qu'il distribue à une (ou généralement plusieurs) lingotière 3 placée à distance en-dessous au moyen d'une busette immergée 4 par lingotière et dont les ouïes de sortie latérale 5 du métal débouchent à une dizaine de cm sous la surface libre 6 du métal liquide présent dans la lingotière. Celle-ci est schématiquement composée de deux étages superposés 7 et 8 ayant des fonctions respectives distinctes mais complémentaires.
L'étage inférieur 7 constitue la partie principale de la lingotière, le cristallisoir, dont l'élément thermiquement actif 9 a pour rôle premier de donner au métal coulé un format avec une résistance mécanique de la peau suffisante pour éviter des percées en aval. Cet élément 9, un tube en cuivre ou plus généralement en alliage de cuivre, est énergiquement refroidi par une circulation d'eau dans des canaux longitudinaux 10 (montrés en arrière-plan sur la figure) creusés sur sa face externe 11, et définit par sa surface interne bien lisse un passage intérieur 12 pour le métal coulé.
L'étage supérieur 8 est formé par une rehausse 13 en matériau réfractaire non refroidi, dont la paroi intérieure est alignée avec celle de l'élément 9 du cristallisoir.
Au plan du processus de coulée, le montage "tube métallique refroidi 9 surmonté par la rehausse réfractaire isolante 8" définit un passage calibrant pour le métal coulé, dont la portion supérieure au sein de la réhausse constitue une zone-tampon de confinement des perturbations hydrodynamiques provoquées par l'arrivée du métal en fusion dans la lingotière au travers des ouïes 5 de la busette 4, et dont la portion qui la prolonge vers le bas, est une zone de solidification du métal coulé.
Cette solidification, comme on le voit, s'initie dès le premier contact de l'acier coulé avec la paroi métallique froide du cristallisoir 7, à savoir déjà sur l'arête supérieure 15 de l'élément en cuivre 9, et se poursuit vers l'aval en formant une croûte solide 13 dont l'épaisseur croít progressivement de la périphérie vers le centre à mesure que le produit coulée descend dans la lingotière. A la sortie de la lingotière, la croûte 13, épaisse d'un à deux centimètres, est suffisamment solide pour résister à la pression ferrostatique du coeur encore liquide. Elle poursuit alors sa croissance centripète jusqu'à solidification totale du produit coulé sous l'effet de rampes d'aspersion d'eau, non représentées, situées dans la moitié basse de la machine. Une fois complètement solidifié, le produit obtenu est coupé en tronçons de longueur voulue (les brames) et ces brames sont alors disponibles pour façonnages ultérieurs (laminage, etc.)
Dans le cas de la coulée continue de brames que l'on exemplifie ici, l'élément tubulaire 9 est classiquement constitué par quatre plaques (ou parois) assemblées à angle droit: deux grandes plaques en regard l'une de l'autre (dont une seule, 14, est montrée sur la figure) et deux petites plaques d'extrémité, non visibles sur la figure, destinées à fermer latéralement de façon étanche l'espace de coulée 12. Ces plaques en cuivre ont une épaisseur utile de l'ordre du centimètre afin de permettre d'extraire du métal coulé le flux de chaleur élevé nécessaire au processus de solidification. C'est toutefois insuffisant pour assurer en toute sécurité la résistance mécanique requise, face à la pression ferrostatique et aux contraintes et efforts multiples auxquels l'élément assemblé 9 est soumis. Aussi, chaque grande plaque 14 est-elle accouplée à une contre-plaque épaisse en acier 16 à laquelle elle est rigidement fixée. Classiquement, cette fixation est réalisée par des tirants traversiers 17 dont l'extrémité libre est vissée dans des inserts 15 enchassés dans lamages prévus à cet effet dans les nervures longitudinales des grandes plaques 14 délimitant les canaux 10 de circulation d'eau.
Comme on le voit, la rehausse réfractaire 8 est, elle aussi, formée par deux éléments distincts superposés:
  • un manchon supérieur 18 en matériau réfractaire peu dense, choisi pour ses qualités thermoisolantes car il s'agit de conserver à l'état liquide la masse de métal coulé présent au sein de la réhausse. On optera pour un réfractaire fibreux, par exemple le matériau commercialisé sous la dénomination A 120K par la firme KAPYROK. Au besoin, une résistance chauffante pourra être incorporée;
  • et un élément inférieur 19, appelé "insert", en matériau réfractaire dur, choisi pour sa bonne tenue mécanique, donc dense. Il s'agit en effet de résister au mieux, en cet endroit voisin du cristallisoir 7, à l'érosion mécanique de la pointe supérieure de la croûte solide 13 sur l'arête en cuivre 20, alors que l'ensemble est soumis au mouvement d'oscillation vertical habituel nécessaire à la réussite de l'opération de coulée, ainsi qu'aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine fonctionnant par cycles thermiques imposés par le caractère nécessairement séquentiel du procédé de coulée lui -même. Un matériau tel que du SiAlON (Sialon (R)), avantageusement dopé au Nitrure de Bore, pourra parfaitement convenir.
En contrepartie de cette résistance mécanique accrue, cet insert inférieur 19 est inévitablement moins isolant de la chaleur que le manchon supérieur 18. Il y a donc, au contact de sa paroi intérieure alignée avec celle de l'élément en cuivre 9, un risque de formation possible d'un voile de solidification parasite prématurée du métal coulé. C'est pour cette raison que l'on a avantage, conformément à une mise en oeuvre de la coulée en charge déjà connue par ailleurs (EP-A_0620062), d'insuffler un gaz à la base de la rehausse 8 dans le but de briser le voile de solidification parasite éventuellement né au dessus sur l'insert 19 et permettre alors un démarrage régulier et franc de la solidification du métal au contact de l'élément en cuivre 9.
Ces rappels sur la pratique connue étant faits, on va décrire à présent plus dans le détail les moyens propre de l'invention.
En se reportant à nouveau à la figure 1, on voit que les tirants traversiers 17 normalement situés à la partie haute de la plaque de fond 16, ont été remplacés dans leur fonction de fixation par un étrier de serrage 22. Cet étrier vient coiffer par le dessus la plaque de fond 16 et la grande face de cuivre 9 appariée et dont la forme a été modifiée à cet endroit pour pouvoir offrir prise aisément au mors de l'étrier. La modification de forme, pour ce qui concerne la plaque de cuivre 9, consiste comme on le voit en un déhanchement de la partie haute de manière à réaliser un épaulement 23 en retrait par rapport au plan de la plaque de cuivre 9 pour offrir prise au mors passif 24 de l'étrier 22 d'une part, et d'autre part pour offrir une embase 25 sur laquelle vient se poser la réhausse réfractaire 8. Pour ce qui concerne la plaque de fond 16, la modification de forme est plus banale: du coté "chaud" (vers l'intérieur de la lingotière), elle présente un lamage 26 coopérant avec l'épaulement 23 de la plaque de cuivre 9, de l'autre côté, elle comporte un retrait d'amincissement 27 pour pouvoir s'engager dans l'étrier de serrage 22 en offrant une surface d'appui au mors actif 28.
Comme on le voit, ce mors 28 est qualifié d'actif car muni de moyens de serrage facilement accessibles situés du coté "froid" de la lingotière et constitués, dans l'exemple considéré, par une vis 29 engagée dans un canon fileté 30 traversant le mors 28, l'extrémité libre de la vis portant sur la plaque de fond 16 pour assurer l'effet d'étau recherché avec le mors passif 24 sur l'ensemble plaque de fond-plaque de cuivre situé dans l'emprise.
Une vis 31 de pose-dépose de l'étrier sur la plaque de fond est prévue sur le dessus, coopérant avec une lumière de passage oblongue 32 pour permettre le jeu de mobilité nécessaire lors du serrage de la vis latérale 29.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, l'étrier 22 exerce son action de serrage, non pas localement, mais tout du long de chaque grande plaque de la lingotière, ou du moins sur une portion substantielle de celle-ci. La fonction de serrage doit en effet s'exercer de façon suffisamment répartie pour que les problèmes de déformations locales "à chaud" de la paroi de la lingotière rencontrés en technologie classique soient abolis. A cet effet, l'étrier 22 est une pièce allongée dont les mors 24 et 28 sont à prise continue sur tout la longueur, le mors actif 28 étant pourvu d'un ensemble de vis de serrage 29 réparties sur cette longueur. On peu ainsi disposer de trois ou quatre étriers juxtaposés à la suite les uns des autres selon la largeur de la grande face de la lingotière, voire d'un étrier unique qui s'étende sur toute cette distance.
Cette réalisation permet en outre de ménager un logement de réception à la masselotte réfractaire 8. La partie basse de celle-ci est alors découpée en "L" de forme correspondante au mors passif 24 pour pouvoir, lors de la pose sur l'étrier, se placer automatiquement en position voulue, bien alignée avec la paroi en cuivre 9. Cet avantage se retrouve au niveau de l'insert en réfractaire dur 19 à la base de la réhausse. Cet insert 19, avantageusement en SiAlON est, non pas d'une seule pièce sur toute la largeur des grandes plaques 14, mais réalisé à partir d'éléments juxtaposés maintenus jointifs entre eux par serrage. On réalise ainsi un barreau de SiAlON de longueur voulue bien moins coûteux et bien plus solide qu'un barreau monolithique équivalent que l'on pourrait se procurer dans le commerce.
Un moyen de serrage intégré à l'insert est visible sur les figures 2. Sur ces figures, seul est représenté, en vue partielle, un barreau 33 constitutif de l'insert tel qu'il apparaít sur chacune des grandes faces de la lingotière. Bien entendu, l'insert 19 fait le tour de la périphérie intérieure de la lingotière. Il se présente donc, une fois monté, sous la forme d'un cadre rectangulaire dont les côtés, petits et grands, sont formés par des barreaux rectilignes 33 conformes à celui montré ici, chacun de longueur égale à la largeur de la paroi de la lingotière qui le reçoit.. Comme on le voit, le barreau 33 est constitué par assemblage de maillons jointifs juxtaposés 34 maintenus rigidement serrés entre eux par un moyen de serrage, de préférence intégré au barreau lui-même. Dans l'exemple décrit, ce moyen de serrage est une bride composée d'un chassis armature à deux branches coulissantes 44, 44' associé à un tirant 35 traversant de part en part chaque maillon. Ce tirant comporte des écrous de serrage 36vissés sur ses extrémités de manière à venir, par l'intermédiaire de la branche correspondante 44 du chassis, comprimer un empilage de rondelles Belleville 43 en appui sur les faces latérales libres des deux maillons 34 en bout. Pour permettre le réglage dimensionnel du chassis de soutien de chaque barreau 33, les deux branches 44, 44' du chassis coulissent l'une sur l'autre dans sa zone centrale par deux portées 46, 46' pourvue de lumières oblongues pour le passage d'une vis de blocage 47 que l'on fixe une fois réalisé le serrage des maillons 33 par les écrous 36.
De préférence, le tirant 35 est en position décalée vers la face arrière "froide"du barreau 33 afin de s'éloigner de sa face "chaude" 37 destinée à venir au contact du métal en fusion, donc plus sollicitée thermiquement.
Un tel moyen de serrage est dit "à action globale".Tel un étau, il met en compression mécanique l'ensemble des maillons 34 en agissant uniquement sur ceux situés en bout du barreau. Bien entendu, on peut prévoir de précontraindre chaque maillon individuellement à l'aide du tirant 35. Il suffit pour cela de disposer d'un tirant fileté sur toute sa longueur est d'ajouter des écrous intermédiaires à la jonction entre deux maillons consécutifs.
Conformément à une disposition particulière de l'invention, chaque maillon 34 comporte en fait deux portions réfractaires: un corps 38 serti "à chaud" dans un caisson en acier 39, et une tête 40 qui s'épanouit du côté de la face "chaude" 37 de l'insert en débordant de part et d'autre du caisson 39. Les débordements latéraux 41, 41' sont soigneusement surfacés pour pouvoir s'appliquer étroitement les uns contre les autres d'un maillon 34 au suivant et ne pas offrir des joints 42 trop larges dans lesquels s'infiltrerait le métal en fusion coulé. On a d'ailleurs avantage, comme le montre la figure 2a, de conformer en "tenon-mortaise" 45 les faces frontales jointives des maillons 34 pour favoriser leur emboítement et, par conséquent, leur alignement mutuel ainsi que l'étanchéité des zones de jonction à l'égard des infiltrations possibles de métal liquide.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où ses caractéristiques essentielles données dans les revendications jointes sont reproduites.
Il doit par ailleurs être noté que si l'invention a été initialement faite spécifiquement pour la coulée de brames et autres formats allongés, elle n'en demeure pas moins applicable à la coulée de produits de format quelconque dans la mesure bien entendu où de tels produits peuvent être coulés selon la technique de la coulée continue en charge.
De même l'invention s'applique à la coulée continue non seulement de l'acier, mais tout autre métal coulable en continu et notamment les métaux à plus bas point de fusion que l'acier que sont l'aluminium ou le cuivre.

Claims (6)

  1. Lingotière à section large pour la coulée continue verticale en charge des métaux comprenant un élément tubulaire métallique (9) refroidi par circulation d'un fluide de refroidissement à son contact (10) et surmonté par une réhausse (8) en matériau réfractaire thermo-isolant, intérieurement alignée avec lui, ledit élément (9) étant formé par assemblage de plaques métalliques définissant un passage calibrant (12) pour le métal coulé, certaines (14) desdites plaques, qualifiées de "grandes parois", étant chacune adossée à une contre-plaque de renforcement (16) à laquelle elle est rigidement fixée, lingotière caractérisée en ce que la partie supérieure de chaque grande paroi (14) présente un épaulement (23) en retrait par rapport au passage intérieur (12) pour le métal coulé afin d'offrir prise à l'un (24) des mors d'un étrier de serrage (22), de forme allongée assurant une prise répartie continue selon la largeur de ladite grande paroi (14), et venant coiffer par le dessus cette dernière et sa contre plaque associée (16) en prise sur l'autre mors (28) dudit étrier, des moyens de réglage (29,30) du serrage des plaque (14) et contre-plaque (16) entre elles étant prévus sur ledit étrier (22), et en ce que ledit épaulement (23) ménage un espace laissé libre par l'étrier (22) pour recevoir en position la réhausse réfractaire (8).
  2. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la partie basse de la réhausse réfractaire (8) est conformée en "L" coopérant avec le dessus de l'étrier (22) sur lequel ladite réhausse repose.
  3. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la base de la réhausse réfractaire (8) est constituée par un anneau (19) en matériau réfractaire dur et lisse dont la partie relative à chaque grande paroi (14) est un barreau rectiligne formé par un assemblage jointif de maillons élémentaires (34) alignés les uns à la suite des autres et maintenus serrés entre eux par des moyens de serrage (35,36) propre audit barreau.
  4. Lingotière de coulée continue selon la revendication 3, caractérisée en ce que chaque maillon élémentaire (34) constitutif d'un barreau rectiligne formant l'anneau réfractaire (19) présente, en face "chaude" (37), un épanouissement (40) débordant des limites d'un caisson de renfort (39) qui l'emprisonne.
  5. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que le mors actif de l'étrier de serrage (22) pourvu de moyens de réglage du serrage est le mors (28) en prise sur la contre-plaque de renforcement (16).
  6. Lingotière de coulée continue selon la revendication 1, caractérisé ce que les moyens de fixation de chaque grande paroi (14) à sa contre-plaque de renforcement associée (16) et situés en dehors de la partie haute de l'élément tubulaire (9) sont constitués par des tirants traversiers (17) répartis en hauteur et en largeur sur ladite grande paroi (14).
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