FR2747060A1 - Procede de coulee continue des metaux et installation de coulee pour sa mise en oeuvre - Google Patents

Abstract

L'installation de coulée continue comporte une lingotière dont les parois (1) sont formées par des parois métalliques refroidies (2) surmontées par une rehausse (3) en matériau thermiquement isolant. Des orifices d'injection d'un gaz sous pression, tels qu'une fente (10), débouchent dans la lingotière au moins à l'interface entre la rehausse et la paroi métallique. L'installation comprend des moyens (13 à 17) de fourniture dudit gaz à une température prédéterminée réglable, reliés auxdit orifices. Le réglage de la température du gaz injecté permet d'ajuster la densité du flux thermique extrait du métal coulé dans la zone où il commence à se solidifier. Application notamment à la coulée continue de l'acier.

Description

PROCKDE DE COULE8 CONTINUE DES MENTAUX XT INSTALLATION DE
COULEZ POUR SA MISE EN OEUVRE.

La présente invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier.

L'opération de coulée continue consiste schématiquement comme on le sait, à verser un métal en fusion dans une lingotière, essentiellement constituée d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre ou plus généralement en alliage de cuivre, sont énergiquement refroidies par circulation d'eau, et de laquelle on extrait également en continu un produit déjà solidifié extérieurement sur quelques centimètres d'épaisseur. La solidification progresse ensuite vers l'axe du produit et s'achève au cours de la descente de celui-ci en aval de la lingotière dans la zone dite du wrefroidissement secondaire" sous l'effet de rampes d'arrosage d'eau. Le produit obtenu, bloom, billette ou brame, est ensuite découpé à longueur, puis laminé avant expédition à la clientèle ou transformation sur place, en barres, fils, profilés, plaques, tôles, etc..

Les défauts de surface ou sous-cutanés des produits issus de la coulée continue de l'acier sont souvent cause de rebut, car l'opération de laminage les supporte mal, voire les amplifie jusqu'à dégrader de façon intolérable la qualité métallurgique des produits laminés.

Au cours de la coulée, le métal en fusion, amené dans la lingotière par une busette, forme une pellicule solide lors de son entrée en contact avec les parois refroidies de la lingotière. Cette pellicule est entraînée vers le bas lors de l'extraction du produit, par mouvements saccadés au rythme des oscillations verticales de la lingotière, et simultanément son épaisseur croît du fait de la poursuite de l'extraction de chaleur réalisée par les parois de la lingotière. I1 y a donc continuellement création d'une nouvelle pellicule de métal solide au niveau de la surface libre du métal dans la lingotière, cette pellicule se solidifiant sur tout le périmètre de la paroi interne de la lingotière et constituant un anneau solide susceptible de se contracter du fait du refroidissement subi lors de sa descente dans la lingotière.

La contraction de anneau est d'autant plus importante que l'extraction de chaleur est forte et que le métal coulé a une tendance naturelle à se contracter lors du refroidissement, par exemple par changement de phase solide en fin de solidification, comme c'est le cas notamment pour des nuances d'acier à 0,1% de carbone ou d'acier inoxydable AISI 304.

Cette contraction périmétrique tend à provoquer un écartement de la peau solidifiée par rapport à la paroi de la lingotière, et donc une diminution de l'échange thermique du fait que le contact de la dite peau avec les parois froides est dégradé. Ce décollement est généralement inégal selon le périmètre de la peau solidifiée, ce qui est source de défauts de surface dans le produit finalement obtenu.

Pour éviter ou limiter ces défauts, une technique particulière non encore industrialisée, connue sous le nom de coulée continue en charge verticale, consiste à placer au dessus des parois métalliques refroidies de la lingotière une rehausse en un matériau réfractaire thermiquement isolant, et à maintenir en cours de coulée la surface libre du bain métallique au niveau de la dite rehausse (brevet français n0 2000365). Ainsi le métal en fusion ne se solidifie pas au contact de la rehausse, la première peau solidifiée commençant seulement à se former à partir des arêtes supérieures de la paroi métallique refroidie. Et comme ces arêtes sont situées suffisamment en dessous de la zone agitée voisine de la surface libre, la création et la croissance de la peau solide est réalisée en continu toujours au même niveau de la lingotière, dans un environnement calme au plan hydrodynamique, là où la pression ferrostatique exercée par la masse de métal liquide située au dessus contrarie les vélléités de décollement de la première peau solidifiée contre la paroi froide de la lingotière.

Dans cette dernière technique, un perfectionnement, connu par le document EP-A-O 620 062, consiste à injecter dans la lingotière, au niveau de la dite rehausse et au moins juste à l'interface entre celle-ci et les parois métalliques refroidies, un gaz inerte sous pression.

Cette injection de gaz, réalisée par une mince fente annulaire ménagée entre les dites parois et la rehausse, forme des jets perpendiculaires aux parois et dirigés vers le métal liquide, qui cisaillent les éventuelles peaux solidifiées qui se seraient formées au contact de la rehausse réfractaire, de manière à assurer un début de solidification effectif précisément au niveau du bord supérieur des parois refroidies.

Si cette technique permet en principe de réduire l'apparition de certains défauts de surface du produit fini, elle ne permet cependant pas de résoudre les problèmes concernant l'adaptation du procédé de coulée aux différentes familles de nuances d'acier coulables en continu, pour tenir compte des spécificités de chacune quant à leur comportement thermomécanique au moment de la solidification.

La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes et vise particulièrement à permettre, dans la technique de la coulée continue en charge verticale, un contrôle et une adaptation aisée des conditions d'extraction du flux thermique, notamment dans la zone où débute la solidification.

Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue des métaux selon lequel on utilise une lingotière comportant des parois métalliques énergiquement refroidies surmontées d'une rehausse en matériau thermiquement isolant, on maintient au cours de la coulée, la surface libre du métal en fusion contenu dans la lingotière au niveau de la dite rehausse, et on injecte dans la lingotière, sur tout son pourtour, un gaz sous pression, au niveau de la dite rehausse et au moins à l'interface entre celle-ci et les parois refroidies.

Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce qu'on injecte le dit gaz à une température prédéterminée en fonction de la composition de l'alliage métallique coulé et des conditions de coulée, pour ajuster la densité du flux thermique extrait du dit alliage métallique dans la zone où il commence à se solidifier à une valeur prédéterminée spécifique de l'alliage coulé.

Le procédé selon l'invention offre ainsi une possibilité d'adapter aisément selon les besoins la densité de flux thermique extrait du métal coulé au niveau où se forme la peau solidifiée, en particulier en fonction de la composition du dit métal, notamment de la nuance dans le cas de la coulée d'acier.

Les inventeurs ont en effet constaté, lors d'essai de coulée réalisés en injectant un gaz inerte, tel que de l'argon, à l'interface entre la rehausse et les parois métalliques refroidies, que la densité de flux extrait était fortement influencée par la température du gaz.

Ainsi, dans le cas de la coulée d'un acier à 0,8 k de carbone dans une lingotière dont les parois refroidies étaient en réalisées en alliage de cuivre non revêtu, et avec une vitesse de coulée de 1,5 m/mn, la densité de flux extrait sur les 40 premiers millimètres à partir du bord supérieur des parois métalliques était d'environ 5
MW/m2 lorsque la température de 1'argon injecté était d'environ 5000C, et était seulement de 4,2 ou même 3,2
MW/m2 lorsque la température de 1argon injecté était d'environ 1000C. Lors d'un autre essai réalisé avec une lingotière dont les parois refroidies étaient revêtues sur leur face supérieure d'une couche de 1,5 mm de nickel, pour la coulée d'un acier à 0,09 % de carbone et avec une vitesse de coulée de 2 m/mn, le flux extrait était de 5,5 MW/m2 pour une température d'argon injecté de 5000C, et due seulement 3,5 MW/m2 pour une température d'argon de 1000C.

Ces écarts importants de la valeur du flux extrait ne pouvaient pas s'expliquer par l'influence de la seule température du gaz sur l'acier coulé, lequel est à une température de l'ordre de 16000C dans la partie supérieure de la lingotière. Une hypothèse formulée par les inventeurs est que cet écart résulte d'une part de l'effet de brassage de l'acier liquide provoqué par le gaz injecté au voisinage direct de l'arrête supérieure des parois métalliques refroidies, où s'initie la solidification, et d'autre part, et de manière prépondérante, de l'influence des bulles de gaz formées juste à la sortie des orifices d'injection. Concernant cette influence, on peut considérer que les dites bulles ont, juste avant de passer dans l'acier liquide, une dimension à peu près uniforme, déterminée par les dimensions des orifices d'injection, et cela quelle que soit la température du gaz injecté. Lorsque ces bulles arrivent dans l'acier en fusion, leur température passe quasi instantanément à la température de l'acier. I1 en résulte une augmentation de volume des bulles par dilatation du gaz dont elles sont formées. L'expansion volumique des bulles est d'autant plus forte que la variation de température est grande. Il en résulte que, une fois portées à la température de l'acier en fusion, les bulles sont d'autant plus grosses que la température du gaz injecté est faible. Or des bulles plus grosses formées juste à la sortie des orifices d'injection, et donc juste au niveau de l'arête supérieure des parois refroidies, vont en quelque sorte empêcher l'acier liquide d'arriver en contact direct avec le bord supérieur de ces parois, et donc réduire de manière importante le flux thermique extrait par ces parois, alors que des bulles plus petites empêcheront moins ce contact direct, ne réduisant donc que peu le flux extrait. On notera que l'importance de l'effet de ces bulles est dû au fait que le flux thermique extrait par les parois refroidies, en cas d'un contact direct du métal coulé sur ces dites parois, décroît très rapidement en fonction de la distance verticale à partir de la dite arête, et que l'effet de barrière thermique des bulles de gaz se produit essentiellement à proximité directe de la dite arête, et donc justement dans la zone où le flux thermique normalement extrait par les parois refroidies est le plus élevé.

Selon une disposition particulière de l'invention, la température du gaz injecté est réglable entre 50 et 6000 C, cette plage de réglage permettant de fixer la température du gaz à une valeur prédéterminée telle que la densité de flux thermique extrait soit comprise entre 2,5 et 6 MM/m2, fournissant ainsi de larges possibilités d'adaptation en fonction de la composition de l'alliage métallique coulé et des divers autres paramètres de coulée.

Préférentiellement, la température du gaz est réglée en mélangeant dans un rapport volumétrique déterminé du gaz provenant d'une source chaude à température sensiblement constante, par exemple à 700"C avec du gaz provenant d'une source froide également à température sensiblement constante, par exemple à 200C.

Le débit total de gaz injecté est la somme des débits de gaz issus respectivement des deux sources. Le rapport entre ces débits permet de faire varier la température du gaz injecté, tout en permettant de conserver un débit total sensiblement constant. Pratiquement, en tenant compte des pertes thermiques inévitables, et avec les températures des deux sources mentionnées ci-dessus, on pourra faire varier la température du gaz injecté entre 50 et 6000 C.

Selon une disposition particulière, permettant notamment de réduire le plus possible les pertes thermiques, le mélange de gaz est effectué dans une chambre de mélange située dans les parois de la lingotière et/ou dans la rehausse, la température du gaz injecté étant ajustée en réglant les débits des gaz provenant respectivement des sources chaudes et froides et introduits dans la dite chambre.

L'invention a aussi pour objet une installation de coulée continue des métaux comportant une lingotière dont les parois sont formées par des parois métalliques refroidies surmontées par une rehausse en matériau thermiquement isolant, et des orifices d'injection débouchant dans la lingotière pour injecter dans la lingotière un gaz sous pression sous forme de jets répartis sur le pourtour de la lingotière au niveau de la rehausse et au moins à l'interface entre la dite rehausse et la paroi métallique, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de fourniture du dit gaz à une température prédéterminée réglable, reliés aux dit orifices.

Préférentiellement, en vue de pouvoir régler aisément la température du gaz injecté, l'installation de coulée comporte une source de gaz chauds et une source de gaz froids reliées à une chambre de mélange, elle même reliée aux dits orifices, et des moyens de réglage des débits de gaz provenant respectivement des dites sources et introduits dans la chambre de mélange.

Selon une disposition, la chambre de mélange est située à l'extérieur de lingotière et reliée à un canal de répartition aménagé dans la paroi de la lingotière.

Selon une autre disposition, préférentiellement, la chambre de mélange est située dans la paroi de la lingotière. Dans ce cas, la chambre de mélange peut notamment être constituée par une première chambre de répartition aménagée dans la rehausse et reliée à la source de gaz chauds et une deuxième chambre de répartition aménagée dans les parois métalliques et reliée à la source froide.

Pour faciliter la réalisation, la chambre de mélange ou le canal de répartition peuvent aussi être aménagés entièrement dans les parois métalliques refroidies. Dans ce cas, afin de réduire au minimum le refroidissement du gaz lors de son passage dans la dite chambre de mélange ou dans le dit canal, les parois de ces derniers peuvent être revêtues d'un matériau thermiquement isolant.

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite à titre d'exemple de deux variantes de réalisation d'une installation de coulée continue en charge verticale d'acier, conformes à l'invention.

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique d'une première variante, montrant la partie supérieure de la lingotière en coupe longitudinale partielle,
- la figure 2 illustre une deuxième variante de réalisation.

Les parois 1 de la lingotière représentée figure 1 sont constituées de parois métalliques 2, en cuivre ou alliage de cuivre, surmontées d'une rehausse 3 en matériau réfractaire thermiquement isolant. Les parois métalliques 2 sont énergiquement refroidies par une circulation interne d'eau dans des canaux 4, représentés schématiquement sur la figure. La rehausse 3 est constituée d'une partie supérieure 5, d'une hauteur de 200 mm par exemple, en un matériau très isolant et d'une partie inférieure 6 en un matériau réfractaire éventuellement moins isolant mais présentant une meilleure résistance mécanique, par exemple le matériau connu sous la désignation SiAlON, et ayant par exemple une épaisseur de 20 mm.

Les parois 1 de la lingotière définissent un passage pour le produit coulé, dans lequel l'acier en fusion 7 est classiquement amené par une busette 8 comportant des ourles 9 situées à hauteur de la dite rehausse 3.

La lingotière comporte par ailleurs des orifices d'injection de gaz, débouchant à la surface intérieure des parois 1, à l'interface entre la rehausse 3 et la paroi métallique 2, constitués préférentiellement par une fente continue sur le pourtour de la lingotière, assurant ainsi une injection régulière de gaz sur tout ce pourtour.

Cette fente étroite 10 a une hauteur de quelques dixièmes de millimètres, par exemple 0,2 mm, déterminée par une entretoise 11 insérée entre la partie inférieure 6 de la rehausse et la paroi métallique 2, du coté extérieur des parois. La fente 10 débouche à la surface intérieure des parois de la lingotière, sur tout le pourtour de celle-ci.

Un canal de répartition 12 est aménagé dans la paroi métallique 2, sous forme d'une rainure réalisée sur la face supérieure de la dite paroi métallique et communiquant avec la fente 10 sur tout le pourtour de la lingotière.

L'installation de coulée comporte par ailleurs une source chaude 13 de gaz inerte, par exemple de l'argon, chauffé à une température d'environ 700"C par des moyens de chauffage connus en soi, et une source froide 14 du même gaz, maintenu à la température ambiante, par exemple 200C. Ces deux sources de gaz sont reliées par des conduits pourvus de vannes de réglage 15, 16 à une chambre de mélange 17 elle même reliée au canal de répartition 12.

Lors d'une coulée, le gaz sous pression provenant de la chambre de mélange 17 se répartit dans le canal 12 et est injecté dans la lingotière par la fente 10. La température du gaz ainsi injectée peut être réglée au moyens des vannes 15 et 16 en agissant sur le rapport des débits de gaz provenant respectivement de chaque source.

Le canal de répartition 12 pourrait également être réalisé dans la rehausse réfractaire 3, ce qui présente l'avantage de limiter les pertes thermiques du gaz du fait de la température élevée, de l'ordre de 8000C, de la dite rehausse. Il est cependant plus aisé de réaliser l'usinage du canal de répartition dans la paroi métallique 2, et dans ce cas, pour limiter le refroidissement du gaz au contact du métal de la paroi, dont la température est seulement de l'ordre de 1000C, les parois du dit canal pourront être revêtues d'un matériau isolant, tel que du zircone ou du nitrure de bore.

Dans la variante de réalisation représentée figure 2, en plus de la rainure 12 réalisée dans la paroi métallique 2, une seconde rainure 22 est réalisée dans la partie inférieure 6 de la rehausse, en face de la rainure 12 et en communication également avec la fente 10. La source chaude 13 de gaz est reliée via la vanne 15 directement à cette rainure 22, et la source froide 14 est reliée via la vanne 16 à la rainure 12. Le volume défini par ces deux rainures constitue à la fois une chambre de répartition et une chambre de mélange située entièrement dans la paroi 1 de la lingotière.

L'invention n'est pas limitée aux variantes décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemple, et en particulier la température du gaz injecté pourra être réglée par d'autres moyens que le mélange de gaz chauds et froids indiqué ci dessus.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Procédé de coulée continue des métaux selon lequel on utilise une lingotière comportant des parois métalliques (2) énergiquement refroidies surmontées d'une rehausse (3) en matériau thermiquement isolant, on maintient, au cours de la coulée, la surface libre du métal en fusion (7) contenu dans la lingotière au niveau de la dite rehausse, et on injecte dans la lingotière, sur tout son pourtour, un gaz sous pression, au niveau de la dite rehausse et au moins à l'interface entre celle-ci et les parois refroidies, caractérisé en ce qu'on injecte le dit gaz à une température prédéterminée en fonction de la composition de l'alliage métallique coulé et des conditions de coulée, pour ajuster la densité du flux thermique extrait du dit alliage métallique dans la zone où il commence à se solidifier.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du gaz injecté est réglable entre 50 et 6000.

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du gaz est déterminée de manière que la densité de flux thermique extrait soit comprise entre 2,5 et 6 MW/m2.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du gaz est réglée en mélangeant dans un rapport volumétrique déterminé du gaz provenant d'une source chaude (13) à température sensiblement constante avec du gaz provenant d'une source froide (14) également à température sensiblement constante.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mélange de gaz est effectué dans une chambre de mélange (12, 22) située dans les parois (1) de la lingotière et/ou dans la rehausse (3), la température du gaz injecté étant ajustée en réglant les débits des gaz provenant respectivement des sources chaudes et froides et introduits dans la dite chambre.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le gaz est un gaz inerte, tel que de l'argon.

7. Installation de coulée continue des métaux comportant une lingotière dont les parois (1) sont formées par des parois métalliques refroidies (2) surmontées par une rehausse (3) en matériau thermiquement isolant et des orifices d'injection (10) débouchant dans la lingotière pour injecter dans la lingotière un gaz sous pression sous forme de jets répartis sur le pourtour de la lingotière au niveau de la rehausse et au moins à l'interface entre la dite rehausse et la paroi métallique, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (13 à 17) de fourniture du dit gaz à une température prédéterminée réglable, reliés aux dit orifices.

8. Installation selon le revendication 7, caractérisée en ce que les dits moyens de fourniture de gaz comportent une source (13) de gaz chauds et une source (14) de gaz froids reliées à une chambre de mélange (17; 12,22), elle même reliée aux dits orifices, et des moyens (15,16) de réglage des débits de gaz provenant respectivement des dites sources et introduits dans la chambre de mélange.

9. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la chambre de mélange (17) est située à l'extérieur de lingotière et reliée à un canal de répartition (12) aménagé dans la paroi (1) de la lingotière.

10. Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que la chambre de mélange (12,22) est située dans la paroi (1) de la lingotière.

11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la chambre de mélange est constituée par une première chambre de répartition (22) aménagée dans la rehausse (3) et reliée à la source (13) de gaz chaud et une deuxième chambre de répartition (12) aménagée dans les parois métalliques (2) et reliée à la source froide (14).

12. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les parois de la dite chambre de mélange (12) sont revêtues d'un matériau thermiquement isolant.