FR2648063A1 - Procede et dispositif de mise en vibration d'une lingotiere de coulee continue des metaux - Google Patents

Procede et dispositif de mise en vibration d'une lingotiere de coulee continue des metaux Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de coulée continue des métaux du type selon lequel on applique des vibrations ultrasonores à la paroi de la lingotière, caractérisé en ce qu'on oriente l'excitation de ladite paroi selon une direction oblique par rapport à l'axe de la lingotière. Ce procédé est mis en oeuvre préférentiellement en appliquant au moins un émetteur d'ultrasons contre une surface solidaire de l'une des extrémités de la lingotière et présentant un angle d'inclinaison par rapport à l'axe de cette dernière. L'invention s'applique principalement à la coulée continue de produits en acier de tous formats.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MISE EN VIBRATION D'UNE LINGOTIERE
DE COULEE CONTINUE DES METAUX
La présente invention concerne la mise en vibration d'une lingotière de coulée continue des métaux, du type comprenant des émetteurs transmettant des vibrations ultrasonores à la paroi de la lingotière. La qualité de surface d'un produit métallique, notamment en acier, coulé en continu dépend très largement de la manière dont s'effectue la solidification de la première peau de ce produit à partir de la surface libre du métal liquide en lingotière (surface généralement appelée ménisque). De même, l'un des problèmes rencontrés dans la coulée continue des.métaux, notamment de l'acier, que celle-ci soit du type "en jet libre" ou à "busette immergée", est celui de l'accrochage ou du collage à la face interne de la lingotière, de la croûte solidifiée résultant du figeage périphérique de la barre métallique coulée au contact de la paroi énergiquement refroidie de la lingotière. Du fait de cet accrochage, il peut se produire, lors de la progression de la barre dans la lingotière, des déchirements de la
croOte solidifiée, qui sont à l'origine de percées.
L'une des techniques connues à ce jour pour améliorer cette qualité de surface et éviter ces percées, consiste à réduire le coefficient de frottement entre la croûte solidifiée et la face interne de la paroi de la lingotière, en transmettant à cette paroi, notamment dans la région du ménisque, des vibrations ultrasonores. De préférence, en raison des niveaux de puissance requis, on utilise des
émetteurs piézoélectriques d'ultrasons.
- Ces vibrations ultrasonores peuvent être transmises au moyen d'un ou de plusieurs émetteurs appliqués contre les faces externes des parois latérales de la lingotière. Dans ce cas, les vibrations suivent une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de coulée et l'onde transversale de pression qui se propage dans la paroi de la lingotière la déforme par flexion selon cette même direction. C'est par exemple le cas dans le document FR 2497130. Ce ou ces émetteurs peuvent également être appliqués contre le bord supérieur ou le bord inférieur de la lingotière. Les vibrations transmises à la lingotière selon une direction parallèle à l'axe de coulée propagent dans la lingotière une onde de pression longitudinale selon cette même direction, généralement stationnaire, et qui provoque des déformations par gonflements locaux de la paroi. Le Brevet Européen EP 01789t7 au nco
de la Demanderesse présente un exemple d'une telle configurat:on.
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L'excitation de la lingotière selon une direction purement
transversale par rapport à son axe se heurte à certaines difficultés.
Les émetteurs ultrasonores doivent être implantés aussi près que possible de la surface interne de la lingotière pour qu'une part suffisante de l'énergie vibratoire qu'ils produisent soit effectivement transmise au niveau,de la surface en contact avec le produit coulé. Le plus souvent, les émetteurs doivent traverser la partie chemisée servant au refroidissement de la lingotière, dont la construction est ainsi rendue plus complexe. Il est même courant de devoir réduire localement l'épaisseur de la paroi de la lingotière dans la zone o est implanté l'émetteur, comme c'est le cas dans le document FR 2497130 déjà cité. D'autre part, il est ainsi bien moins aisé d'équiper la lingotière d'un brasseur électromagnétique pour l'agitation du métal liquide. Quant à l'adaptation de tels émetteurs à
une lingotière existante, elle n'est que difficilement envisageable.
En outre, l'efficacité métallurgique de ces vibrations est fortement liée à la stabilité du niveau du ménisque, qui doit être en permanence maintenu en regard des émetteurs pour que l'influence de leur action
sur l'état de surface du produit soit optimale.
La mise en vibration de la lingotière selon un mode de propagation des ondes dans la direction longitudinale, au moyen par exemple d'un dispositif tel que décrit dans le Brevet Européen EP 0178967 déjà cité, permet de s'affranchir de cette forte sensibilité aux variations de niveau du ménisque et d'améliorer ainsi la reproductibilité des résultats métallurgiques du procédé. Une lingotière de conception classique est tout à fait appropriée à cet usage. D'autre part, les émetteurs peuvent être adaptés aisément à une lingotière existante sans qu'il soit nécessaire de la modifier profondément. Mais s'ils sont placés en position verticale sur le bord supérieur de la lingotière, ils comblent une partie de l'espace qui est normalement libre entre la lingotière et la partie inférieure du répartiteur qui l'alimente en métal liquide. Cela peut gêner l'accès au ménisque,notamment pour les dispositifs de régulation de son niveau par voie optique, pour son alimentation en poudre de couverture et pour son observation par les opérateurs. D'autre part, les émetteurs
sont ainsi exposés aux projections de métal en provenance du ménisque.
S'ils sont placés sur le bord inférieur de la lingotière, les problèmes précédents ne se posent plus. Mais en contrepartie. les émetteurs sont exposés au rayonnement du produit sortant de la lingotière. De plus, en cas de déchirure de la peau solidifiée en sortie de la lingotière entraînant un écoulement de métal liquide,
celui-ci a toutes les chances de détériorer les émetteurs.
L'invention se propose de concilier ces deux modes d'excitation de la lingotière de manière à augmenter l'efficacité de sa mise en vibration, tout en bénéficiant d'avantages qui ne se retrouvent dans
aucun des deux modes connus.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue des métaux, notamment de l'acier, du type selon lequel on applique des vibrations ultrasonores à la paroi de la lingotière, caractérisé en ce qu'on oriente l'excitation de la paroi selon une
direction oblique par rapport à l'axe de la lingotière.
L'invention a également pour objet un dispositif de mise en vibration d'une lingotière de coulée continue des métaux du type comprenant au moir. s un émetteur d'ultrasons capable d'émettre selon une direction déterminée et placé à l'une des extrémités de la lingotière, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une surface solidaire de la lingotière et présentant un angle d'inciinaison.par rapport à l'axe de cette dernière, et contre laquelle est appliqué ledit émetteur dont la direction d'émission des ultrasons est
perpendiculaire à ladite surface.
Préférentiellement, cette surface est constituée par une arête biseautée d'une couronne parcourant le périmètre d'une extrémité de la lingotière. Cette couronne peut être rapportée sur la lingotière, ou
être incorporée de fabrication à la lingotière.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à orienter les vibrations ultrasonores communiquées à la lingotière de telle manière qu'elles se propagent à la fois selon la direction longitudinale de la lingotière et selon sa direction transversale. Les vibrations de la lingotière possèdent donc elles-mêmes une composante longitudinale et une composante transversale, contrairement aux vibrations imprimées au moyen des dispositifs classiques, qui ne possèdent de façon notable
que l'une ou l'autre de ces deux composantes.
En disposant les émetteurs ultrasonores obliquement par rapport à l'axe de coulée, on réduit l'encombrement vertical du dispositif de mise en vibration de la lingotière. S'ils sont implantés sur le bord supérieur de la lingotière, les inconvénients de cette implantation s'en trouvent minimisés. D'autre part, en transmettant ces vibrations obliques à la lingotière, on lui imprime un mouvement qui est un compromis entre celui procuré par des vibrations purement transversales et des vibrations purement longitudinales. Les inventeurs ont constaté que, en choisissant convenablement l'angle d'inclinaison des émetteurs par rapport à l'axe de coulée, il était possible de parvenir à une meilleur répartition de l'énergie vibratoire dans la lingotière que dans le cas o cet angle était nul, tout en conservant un bon rendement de transmission des vibrations des émetteurs à la lingotière. Dans la plupart des cas, la valeur optimale de cet angle d'inclinaison, ouvert en direction de la partie amont de
la machine de coulée continue, est de 60 ou 120 environ.
L'invention sera mieux comprise au vu de la description qui
suit, faisant référence aux figures annexées: - la figure 1 représente schématiquement, vue en section longitudinale, une lingotière de coulée continue des métaux équipée d'un dispositif de mise en vibration selon l'invention; - la figure 2 représente de la même façon la partie supérieure
d'une lingotière équipée d'une variante du dispositif précédent.
Sur la figure 1, la lingotière 1 comporte une paroi interne 2 en un matériau bon conducteur de la chaleur, tel que le cuivre ou un alliage de cuivre, entourée par une chemise 3 assurant un refroidissement énergique de la paroi 2 par circulation d'un liquide refroidissant, tel que de l'eau. La lingotière peut être de section quelconque, carrée, rectangulaire ou ronde. Elle est alimentée -en métal liquide 5 par une busette 4 en matériau réfractaire connectée à un répartiteur 14. Le métal liquide 5 commence à se solidifier contre la paroi 2 et à former une croûte solide 6 dont l'épaisseur croît au fur et à mesure que le produit 7 est extrait de la lingotière dans la direction indiquée par la flèche 8. Le but de la mise en vibration de la lingotière est d'améliorer l'état de surface du produit et d'éviter
que cette croûte solide 6 n'adhère à la paroi 2 et ne se déchire.
Dans le dispositif selon l'invention, la lingotière est munie à l'une des ses extrémités d'une couronne 9. Dans la configuration représentée, c'est l'extrémité supérieure de la lingotière qui en est équipée. Cette couronne parcourt le périmètre de la lingotière, dont elle est rendue solidaire par des moyens de fixation tels que symbolisés par des vis 10, 10'. Le contact entre la couronne et la lingotière doit être assuré de telle manière que des vibrations communiquées à la couronne soient transmises à la lingotière avec un rendement aussi élevé que possible. L'arête supérieure de la couronne 9 est biseautée, de manière que la couronne présente une surface 11 contre laquelle sont appliqués un ou, de préférence, plusieurs émetteurs 12,12' d'ultrasons. La surface 11 est orientée de telle manière que l'axe des émetteurs 12,12', perpendiculaire à la surface, est incliné par rapport à l'axe de la lingotière selon un angle aigu ouvert en direction de la partie amont de la machine de coulée continue. De cette manière, les émetteurs communiquent à la couronne et, par voie de conséquence, à la lingotière toute entière, des vibrations orientées selon leur axe, et possédant donc à la fois une composante horizontale et une composante verticale. Une partie de l'énergie vibratoire est ainsi employée à faire vibrer la paroi de la lingotière suivant une direction perpendiculaire à l'axe de coulée. Le restant de l'énergie vibratoire fait vibrer la lingotière suivant une
direction parallèle à l'axe de coulée.
Du choix de la valeur de l'angle,- dépendent les proportions de l'énergie vibratoire affectées aux mouvements transversaux et aux
mouvements longitudinaux.
Par rapport au cas o les émetteurs ultrasonores sont appliqués directement et verticalement sur le bord supérieur de la lingotière, le dispositif décrit permet de diminuer l'encombrement vertical de l'appareillage. Il permet également d'éloigner les émetteurs du ménisque et de diminuer ainsi leur exposition aux projections de métal liquide issues du ménisque. Pour améliorer cette protection et pour abriter les émetteurs du rayonnement issu de la busette 4, on peut également installer un capot qui ne gênerait pas trop l'accessibilité
à l'intérieur de la lingotière.
Selon la variante représentée sur la figure 2, la couronne 9 n'est pas rapportée sur la lingotière, mais constitue une partie intégrante de celle-ci. D'autre part, ce n'est pas l'arête supérieure de la couronne 9 qui est biseautée, mais son arête inférieure. On forme ainsi sur la couronne une surface 13 tournée vers le bas de la machine de coulée continue. On applique les émetteurs ultrasonores (12,12') sur la face 13. L'angle oc, ouvert en direction de l'amont de la machine, est donc cette fois un angle obtus. Cette configuration est particulièrement avantageuse car ainsi, l'encombrement vertical du
dispositif de mise en vibration est limité à la surépaisseur intro-
duite par la couronne 9. D'autre part, les émetteurs ultrasonores sont encore mieux abrités des projections de métal liquide que dans la configuration précédente, et ne sont plus exposés au rayonnement de la busette 4. Si pour des raisons quelconques, il n'est pas possible ou souhaitable d'installer le dispositif de mise en vibration à la partie supérieure de la lingotière, on peut alors l'implanter dans sa partie inférieure. Un tel emplacement présenterait cependant les inconvénients cités plus haut, quoiqu'à un degré moindre que dans le cas des dispositifs classiques. En effet, comme l'un des effets du dispositif selon l'invention est d'écarter les émetteurs ultrasonores du produit coulé, il devient plus aisé de prévoir des moyens de protection des émetteurs contre le rayonnement du produit et les
écoulements de métal liquide.
Les vibrations émises par les émetteurs sont de préférence des ultrasons de puissance, d'une fréquence supérieure ou égale à 16 kHz pour éviter une nuisance sonore trop importante. Les émetteurs ultrasonores sont de n'importe quel type connu en soi, tels que des transducteurs piézoélectriques, qui sont à recommander en raison de
leur aptitude à fournir durablement des niveaux de puissance élevés.
Le nombre d'émetteurs ultrasonores doit être choisi de manière à assurer une bonne symétrie de la mise en vibration de la lingotière, pour garantir une réduction des forces de frottement suffisamment uniforme sur toutes les portions de la lingotière. Ainsi, dans le cas des lingotières pour coulée de blooms ou de billettes, la présence d'au moins un émetteur par face est recommandée. Dans le cas des lingotières pour coulée de brames, chaque grande face peut être équipée de plusieurs émetteurs, dans le cas o les vibrations émises par un seul émetteur placé au milieu de la grande face subissent un amortissement trop important avant de parvenir aux extrémités latérales de la grande face. Dans le cas des lingotières de section circulaire, deux émetteurs placés dans des positions diamétralement opposées peuvent être suffisants, si le diamètre de la lingotière
n'est pas trop important.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et représentés. Elle est applicable aux lingotières de coulée continue classique de tous types, droites ou courbes, verticales ou horizontales, pour la production de produits de tous formats: billettes, blooms, brames, ou même pour la coulée directe de produits minces. En particulier, une variante de ce dispositif consisterait à ne pas utiliser une couronne continue, mais une pluralité de pièces biseautées dont chacune porterait au moins un émetteur orienté comme on vient de le décrire. Cependant, du fait des différences inévitables entre les fréquences des émetteurs, entre les caractéristiques de ces différentes pièces biseautées, et entre les qualités de leur contact avec la lingotière, des phénomènes de battement risquent de s'établir, ce qui pourrait être préjudiciable à une bonne marche de l'installation. Toutefois, une telle variante peut être appliquée lorsque la construction particulière de la lingotière ne nécessite de minimiser son frottement avec le produit que sur une partie de son périmètre. C'est, par exemple, le cas dans les lingotières de coulée continue entre deux cylindres en rotation. Dans ce cas, seules les plaques fixes assurant la fermeture latérale de la lingotière se prêtent à une mise en vibration au moyen du dispositif
qui vient d'être décrit.
D'autre part, l'orientation particulière des vibrations ultrasonores peut être obtenue par des moyens quelconques indépendants de la lingotière et intégrés aux émetteurs ultrasonores. Ceux-ci communiqueraient donc à la lingotière une excitation orientée obliquement par rapport à l'axe des émetteurs. Les parties de la lingotière supportant les émetteurs ne seraient alors pas nécessairement orientées obliquement par rapport à l'axe de la lingotière. Ce procédé et ce dispositif peuvent être utilisés seuls ou conjointement à d'autres moyens de diminution des risques de collage de la peau solidifiée aux parois de la lingotière, tels que des oscillations mécaniques à basse fréquence et la lubrification des
parois par de l'huile ou un laitier de couverture du ménisque.

Claims (7)

REVENDICATIONS
1) Procédé de coulée continue des métaux, notamment de l'acier, du type selon lequel on applique des vibrations ultrasonores à la paroi de la lingotière, caractérisé en ce qu'on oriente l'excitation de ladite paroi selon une direction oblique par rapport à l'axe de la lingotière. 2) Dispositif de mise en vibration de la paroi (2) d'une lingotière de coulée continue des métaux, du type comprenant au moins un émetteur (12, 12') d'ultrasons capable d'émettre selon une direction déterminée et placé à l'une des extrémités de la lingotière, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une surface (11,13) solidaire de la lingotière et présentant un angle d'inclinaison, par rapport à l'axe de cette dernière, et contre laquelle est appliquée ledit émetteur dont la direction d'émission des ultrasons est
perpendiculaire à ladite surface.
3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que ladite surface (11,13) est constituée par une arête biseautée d'une
couronne 9 parcourant le périmètre d'une extrémité de la lingotière 1.
4) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la valeur dudit angle o<, ouvert en direction de l'amont de la
machine de coulée continue, est d'environ 60 .
) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la valeur dudit angle ", ouvert en direction de l'amont de -la
machine de coulée continue, est d'environ 120 .
6) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que
ladite couronne 9 est rapportée sur la lingotière 1.
7) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que
ladite couronne 9 est incorporée de fabrication à la lingotière 1.
8) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est inclus dans les plaques de fermeture latérale d'une lingotière de
coulée continue entre deux cylindres en rotation.
9) Dispositif selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé
en ce que l'émetteur est un émetteur piézoéletrique d'ultrasons.
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