FR2810566A3 - Installation et procede de coulee continue de produits metallurgiques, notamment de section allongee, tels que des brames en acier - Google Patents

Abstract

L'installation de coulée continue de produits métallurgiques ayant une section allongée, tels que des brames en acier, comporte une lingotière (1) ayant des parois latérales (11) délimitant une cavité (12) dont la section horizontale a une forme générale allongée et dans laquelle pénètre une busette (13) d'amenée du métal coulé en fusion. La lingotière est surmontée d'un capot (2) dont la périphérie est située au-dessus des bords supérieurs des parois (11) et dont une partie centrale (40) en matériau réfractaire pénètre dans la dite cavité, et elle comporte des moyens d'étanchéité (25) entre la périphérie du capot et les parois de la lingotière. La lingotière comporte des moyens d'injection d'huile de lubrification et de moyens d'injection de gaz d'inertage.

Description

Installation et procédé de coulée continue de produits métallurgiques, notamment de section allongée, tels que brames en acier. La présente invention concerne la coulée continue de produits métallurgiques, plus particulièrement de produits ayant une section allongée, tels que des brames en acier.

Pour la coulee continue de brames en acier, on utilise classiquement des lingotières dans lesquelles le métal en fusion amené par une busette, et où il se solidifie progressivement au contact des parois énergiquement refroidies de la dite lingotière, avant d'être extrait de lingotière par le bas.

Classiquement egalement, on utilise un laitier de couverture, recouvrant la surface supérieure, encore appelée " ménisque du bain de métal liquide à l'intérieur de lingotière, pour assurer diverses fonctions, parmi lesquelles - protection thermique du ménisque, en créant une couche isolant thermiquement le métal coulé de l'atmosphère ambiante, pour éviter un refroidissement trop rapide ; - protection chimique du ménisque, pour éviter des ré-oxydations du métal coulé et capter des inclusions parasites qui décantent du bain de métal en fusion et remontent à sa surface ; - lubrification de l'interface entre le métal coulé en cours de solidification et les parois de la lingotière, pour faciliter le glissement de la peau solidifiée sur dites parois, et éviter des accrochages, et gestion des conditions de l'échange thermique entre métal coulé et les parois de la lingotière.

Mais ce laitier induit aussi divers mécanismes qui nuisent à la qualité des produits coulés. Ainsi, les produits obtenus en final après diverses phases de transformation, par exemple des tôles laminées ' froid, peuvent présenter des lignes inclusionnaires exfoliées majoritairement, qui sont rédhibitoires vis à de la qualité des produits et des exigences des clients. On peut aussi trouver du laitier dans les défauts appelés boursouflures. Ces défauts ont pour origine les conditions de re-circulation de l'acier liquide à l'interface entre l'acier et le laitier, ainsi les déformations de cette interface qui peuvent en résulter.

peut alors se produire des entraînements laitier liquide dans le bain de métal fondu. Ces inclusions, associées ou non avec du gaz d'inertage, sont susceptibles de se retrouver piégées sous les cornes de solidifications en surface du produit ou au front de solidification, conduisant alors au phénomène exfoliation, ou même plus vers l'intérieur produit coulé, conduisant alors aux boursouflures.

D'autres problèmes sont également causés par utilisation du laitier : érosion de la burette, ce qui impose des modifications de la profondeur d'immersion de la burette dans le bain en cours de coulée ; formation d'un cordon de laitier et d'une zone de coalescence riche en carbone, qui induit une re-carburation en peau du produit coulé ; formation de rides d'oscillations marquées, nuisibles à la qualité de surface.

Il a donc déjà été recherché des solutions à ces problèmes, et en particulier des expériences ont été menées pour couler des brames sans utiliser de laitier, et en particulier en utilisant une huile pour assurer la lubrification nécessaire à l'interface entre métal coulé et paroi de la lingotière. Mais ces expériences ont révélé un certain nombre de problèmes nouveaux ou l'insuffisance de résolution des problèmes déjà connus. Par exemple, ne bénéficiant plus de l'effet d'isolation thermique de la couche de laitier, des solidifications parasites sont apparues au ménisque pour des produits de grands formats. On a aussi pu observer des dégagements importants de fumées, une formation d'oxydes ' la surface du bain, avec entraînement en cours de coulée entre les parois de la lingotière et la peau solidifiée du produit, un nombre de percées important, et des problèmes de qualités du produit criques, mini-percées coulures, etc.

La présente invention a pour but de résoudre les problèmes évoqués précédemment et vise en particulier à fournir une installation de coulée permettant d'obtenir des produits tels que des brames de meilleure qualité, et sans utilisation de laitier.

Avec ces objectifs en vue, l'invention pour objet une installation de coulée continue de produits métallurgiques ayant une section droite allongée, tels que des brames en acier, comportant une lingotière ayant parois latérales refroidies délimitant une cavité dont la section transversale horizontale a une forme générale allongée et dans laquelle pénètre une busette amenée du métal coulé en fusion, caractérisée en ce que la lingotière est surmontée d'un capot rigide dont la périphérie est située au-dessus et au contact des bords supérieurs des parois et dont une partie centrale en matériau réfractaire pénètre dans la dite cavité, et en ce qu'elle comporte des moyens d'étanchéité entre la périphérie du capot et les parois de la lingotière.

Ainsi, l'espace situé dans la cavité de la lingotière au-dessus du métal coulé est réduit par la pénétration de la partie centrale réfractaire dans la dite cavité, sur une profondeur prédéterminée, par exemple supérieure à 50 mm. Cette profondeur est suffisante pour réduire sensiblement le volume libre au- dessus du ménisque, mais telle que le ménisque reste cependant à environ 50 mm en dessous du réfractaire du capot, pour éviter lors de la coulée tout contact entre ie réfractaire et le métal en fusion, susceptible d'entraîner des dégradations du réfractaire ou une pollution du bain de métal liquide. Par ailleurs l'étanchéité du capot par rapport à la lingotiére permet non seulement d'éviter le contact de l'atmosphère ambiante avec la surface du métal coulé, dépourvu de laitier, mais aussi de confiner un gaz d'inertage dans l'espace situé au-dessus du ménisque, et de le confiner avec d'autant plus d'efficacité que le volume de cet espace est réduit.

Préférentiellement, la dite partie centrale forme une voûte comportant au moins une couche extérieure inférieure en un matériau réfractaire résistant températures élevées et aux chocs thermiques particulièrement adaptée pour résister à la proximité directe du métal en fusion à haute température, et couche intérieure supérieure en un matériau thermiquement isolant, assurant un gradient de température élevé permettant de limiter la température de la plaque métallique servant de structure porteuse du capot à niveau suffisamment bas, par exemple moins de 100 C, pour éviter des déformations résultant de dilatations différentielles de la dite plaque et pour permettre des manipulations aisées du capot.

Selon une disposition préférentielle, la voûte comporte au moins une couche intermédiaire entre la couche extérieure et la couche intérieure, cette ou couche(s) intermédiaire(s), en matériaux adéquats servant à renforcer la résistance mécanique de l'empilage de couches réfractaires et à obtenir une distribution des températures à l'intérieur des couches réfractaires compatible avec leurs températures maximales d'utilisation.

Selon une autre caractéristique, le capot est constitué de deux demi-capots juxtaposés selon un plan médian vertical et s'étendant dans la direction longitudinale de la section de la lingotière. Cette disposition permet que les deux demi-capots puissent être écartés latéralement l'un de l'autre après avoir levé suffisamment l'ensemble pour dégager la partie centrale réfractaire hors de la lingotière, par exemple pour intervenir plus aisément sur la burette ou sur la zone supérieure de la lingotière, encore pour permettre de déplacer un seul des demi-capots pour observer la surface libre de métal coulé.

Préférentiellement encore, la voûte comporte dans sa partie centrale une pièce d'usure en matériau réfractaire comportant un orifice de passage pour la busette. Cette pièce d'usure, réalisée également en deux parties juxtaposées comme le reste du capot, peut être facilement remplacée pour parer aux risques de détérioration par ruptures réfractaire et chocs thermiques, qui sont plus importants dans la zone de passage de la burette. De plus, le dit orifice est préférentiellement oblong, s'étendant selon la direction de grande largeur de la lingotière, pour parer à l'imprécision de positionnement du chariot porte- répartiteur, et donc de la burette, par rapport à la lingotière, et assurer ainsi que la burette pourra passer dans le dit orifice malgré cette imprécision de position.

Selon une autre disposition particulière de l'invention, l'installation de coulée comporte, au-dessus des bords supérieurs des parois de la lingotière, des moyens d'injection d'huile de lubrification et/ou de gaz d' inertage, pour permettre<B>1''</B> ' ection requise de l'huile de lubrification entre les parois de la lingotière et la peau de métal solidifiée, et l'injection du gaz d'inertage destiné à soustraire le ménisque de métal en fusion à toute influence de l'atmosphère ambiante de l'installation.

Préférentiellement, les moyens d'injection sont constitués par des réglettes périphériques débouchant dans la cavité de la lingotière et sur lesquelles le capot repose par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité thermiquement isolant. Comme on le comprendra mieux par la suite, la configuration de ces réglettes est telle que l'orientation des écoulements de gaz et d'huile conduit à un écoulement régulier de l'huile le long des parois de la lingotière, sans être perturbé par l'injection gaz, et diriger le gaz d'inertage vers la voûte réfractaire du capot pour contribuer au refroidissement du dispositif mais éviter un refroidissement de la surface libre du métal coulé.

Préférentiellement encore, le capot peut être surmonté d'une chambre d'aspiration des fumées, entourant l'orifice de passage de la busette et dont les parois enserrent la busette et reposent sur la face supérieure du capot. Cette chambre, reliée par une conduite souple, résistant à la chaleur, à un dispositif d'aspiration, permet d'évacuer les fumées produites lors de la coulée, et aussi, le cas échéant, de diluer les fumées avec par exemple de l'azote introduit dans la chambre par autre piquage.

L'invention a aussi pour objet un procédé de coulée continue de produits métallurgiques ayant une section allongée, tels que des brames en acier, caractérisé en ce qu'on utilise l'installation de coulée telle que définie ci-dessus, et au cours de la coulée on injecte dans la cavité de l'huile de lubrification et un gaz d'inertage et on maintient le niveau de métal liquide dans la cavité de la lingotière à une distance minimale de la face inférieure de la voûte. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'une installation conforme à l'invention et de sa mise en #uvre pour la coulée de brames en acier, par exemple de section 1500 X 240 mm.

On se reportera aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 une vue en perspective de la zone supérieure de la lingotière, montrant également la busette de coulée et capot conforme à l'invention, - la figure 2 une vue en coupe de la lingotière et du capot selon la ligne II-II de la figure 1, - la figure une vue de détail de la zone A de la figure 2, - la figure une vue en coupe de la lingotière et du capot selon la ligne III-III de la figure 1, - la figure 4 une vue en perspective d'une demi pièce d'usure comportant l'orifice de passage de la busette, - les figures et 6 illustrent schématiquement un mode de réalisation préféré de l'assemblage des couches réfractaires du capot. L'installation coulée comporte une lingotière 1 dont les parois 11 refroidies délimitent une cavité 12 s'étendant verticalement, et dans laquelle pénètre l'extrémité inférieure d'une busette de coulée 13, montée de manière connue en soi sur le répartiteur, non représenté, pour couler dans la dite cavité l'acier en fusion 14.

Conformément à l'invention, l'installation comporte un capot 2, en deux parties 21, 22 sensiblement symétriques par rapport à un plan de joint P médian vertical, orienté selon la grande largeur de la lingotière.

Chaque demi-capot 21, 22 comporte une plaque métallique 23 horizontale supérieure servant à assurer la rigidité mécanique et sur laquelle peuvent notamment être reliés des moyens de manutention, non représentés, par exemple des systèmes de vérins et biellettes adaptés pour pouvoir soulever et déplacer horizontalement les demi- capots simultanément ou séparément et indépendamment l'un l'autre.

Les bords du capot surmontent les bords supérieurs des parois 11 de la lingotière, et reposent sur celle-ci par l'intermédiaire d'un profilé 24 périphérique, par exemple de section en forme de L, solidaire de la plaque 23 et d'un joint 25 d'étanchéité et d'isolation thermique.

Dans sa partie centrale, le capot comporte un empilement de couches de matériaux réfractaires et thermiquement isolants formant une voûte 40 qui pénètre avec un jeu périphérique minimal dans la cavité de la lingotière sur plusieurs centimètres, permettant de limiter la distance entre la dite voûte et la surface de l'acier coulé, pour la protéger thermiquement et éviter toute solidification parasite, et assurer un confinement du gaz d'inertage. Par ailleurs, les faces latérales de 1a partie de voûte pénétrant dans la cavité 12 sont inclinées, pour faciliter la mise en place du capot sur la lingotière et éviter de détériorer par accrochage le réfractaire de la voûte ou le bord supérieur des parois de la lingotière.

voûte est formée, dans l'exemple représenté, par quatre couches de différents matériaux refractaires présentant des caractéristiques adaptées à leur position dans 1 empilage.

Ainsi, la couche inférieure 41 située plus près du métal en fusion est formée de 50 mm environ d'un réfractaire alumino-siliceux peu dense, de l'ordre de 400 kg/m3, supportant une température élevée, 1750 C, et ayant une conductibilité thermique plutôt faible de 0,30 W/mK. Cette couche directement exposée au rayonnement du métal en fusion doit avoir une bonne résistance aux chocs thermiques.

La couche 42 située au-dessus est formée par une couche de 10 mm d'épaisseur, collée sur première, et constituée d'un réfractaire alumino-siliceux résistant également des températures très élevées de 1750 C, et présentant surtout une densité plus forte, de l'ordre de 1000 kg/m3, conférant à l'assemblage une bonne résistance mécanique.

La troisième couche 43 est par exemple une couche de 20 mm environ d'un réfractaire fibreux base d'alumine, silice et zircone, ayant une conductibilité thermique plus faible que la deuxième couche 42, mais ayant une température maximale d'utilisation moindre, de 1300 C.

Enfin, la quatrième couche 44, située contre la plaque métallique 23 est une couche de l'ordre de 16 mm de réfractaire isolant, supportant une température maximale de 1000 C, peu dense, de 300 kg/m3, mais ayant une conductibilité thermique très faible, de l'ordre de 0,025 W/mK, permettant de limiter fortement l'échauffement des éléments métalliques du capot.

Comme on le voit figures 5 et 6, les différentes couches sont maintenues assemblées entre elles et sous la plaque métallique 23 du capot par des tirants 45 maintenus sur la plaque 23 et traversant les couches réfractaires, et pourvus de crochets s'agrippant dans des plaquettes 46 qui portent des éléments de renforts sous forme de tubes céramiques 47 noyés dans la couche de réfractaire inférieure. En plus, les couches les plus proches de la plaque métallique 23 sont maintenues et protégées sur leurs bords par un profilé métallique 27 solidarisé sur la dite plaque.

Dans la partie centrale, au niveau du passage de la busette 13, le capot comporte une pièce d'usure formée de deux demi-coquilles 51, 52 encastrées respectivement dans les demi-capots 21, 22 de manière aisément remplaçable. Comme on le voit sur les figures 3 et 4, les demi- coquilles rassemblées définissent un passage 53 de forme oblongue pour la busette, offrant une certaine latitude de positionnement relatif de la busette rapport au capot. La partie inférieure 54 des demi-coquilles s'étend au niveau de la couche inférieure 41 de réfractaire, sur toute la largeur comme on le voit figure et en étant imbriquée dans cette couche sur ses extrémités par des épaulements 55. Par ailleurs, la pièce d'usure se prolonge vers le haut par un col 56 qui s'étend sur toute l'épaisseur du capot à travers les couches de la voûte 40 et la plaque 23, de manière que ni la voûte réfractaire, ni la plaque métallique 23 ne risquent d'être détériorées lors manipulations, et soient de plus protégées d'un contact direct avec l'atmosphère ambiante cavité de coulée.

ou des autres passages peuvent aussi être ménagés dans le capot, par exemple pour permettre le passage d'un flotteur de régulation de niveau, connu en soi.

Le bord supérieur des parois 11 lingotière porte des réglettes périphériques 31, 32, pourvues de trous ou fentes d'injection d'huile et de gaz d'inertage. Les réglettes 31 d'injection d'huile sont disposées juste au-dessus des parois 11 de lingotière et comportent une chambre de répartition 33 qui communique avec la cavité 12 de la lingotière par des fentes d'injection 34, de manière à lubrifier le plus efficacement possible l'interface entre les parois 11 et l'acier coulé 14, en assurant un écoulement homogène de l'huile sur tout le pourtour de la lingotière, jusqu'au voisinage immédiat de la surface libre de l'acier coulé. On notera que l'injection d'huile vise aussi à limiter la re- carburation en peau du produit coulé sur une profondeur inférieure à 500 pm, ce qui correspond à une épaisseur moyenne oxydée au four à brame.

Les réglettes 32 d'injection de gaz d'inertage sont disposées au-dessus des réglettes 31 d'injection d'huile, et servent de plan d'appui et d'étanchéité pour le joint 25 dont l'épaisseur permet de maintenir un espacement de l'ordre de 5 mm entre les bords 24 du capot et les dites réglettes, pour éviter un échauffement par conduction directe.

Les réglettes 32 d'injection de gaz comportent des orifices ou fentes d'injection 35 orientées obliquement vers le haut, en direction du capot, pour que les jets de gaz viennent frapper les réfractaires du capot sur leurs bords apparents, contribuant ainsi à leur maintien à une température pas trop élevée, et formant une couche gazeuse coupant le rayonnement thermique du métal coulé vers la partie supérieure du capot.

L'orientation inclinée vers le haut des jets de gaz permet aussi d'éviter de perturber par un effet de trompe à air les écoulements de l'huile sortant des fentes 34. Par contre, les dites fentes 34 sont préférentiellement situées directement contre les réglettes d'injection de inerte, pour profiter de l'effet de refroidissement procuré par l'injection de gaz.

Ainsi, l'injection de gaz inerte conjointement à ' 'ection d'huile contribue au refroidissement dispositif, en particulier de manière à éviter toute dégradation prématurée de l'huile dans le circuit ' 'ection suite à un échauffement excessif, température des réglettes devant de préférence rester cette fin inférieure à 250 C.

Le débit de gaz injecté sera cependant maintenu dans une fourchette prédéterminée de façon, d'une part, éviter un refroidissement de la surface libre de l'acier coulé et, d'autre part, à permettre une dilution suffisante des gaz, H2 et CH4 notamment, formés du fait de _ dégradation de l'huile de lubrification au contact du métal en fusion. Cette dilution permettra de supprimer tout risques d'explosions et toute inflammabilité en sortie du capot.

L'installation comporte également un système d'aspiration des fumées constituée d'un capotage deux parties 61, 62 reposant respectivement sur les plaques métalliques 23 de chaque demi-capot autour de l'orifice 53 de passage de la busette, et formant une chambre d'aspiration 63 lorsque les demi capots sont réunis. Une conduite d'aspiration souple 64 relie le capotage à un aspirateur pour rejeter hors de l'installation les fumées émises dans la cavité de coulée 12.

opération de coulée de brames en acier à 'aide de l'installation décrite ci-dessus se déroule de manière générale classiquement, par amenée de l'acier en fusion dans la lingotière au moyen de la busette 13 dont l'extrémité est maintenue immergée dans le bain métal coulé. Mais contrairement au procédé classique, aucun laitier n'est ajouté sur la surface du bain. La lubrification est assurée par l'apport d'huile réparti de manière homogène sur tout le périmètre de la cavité par les réglettes 31. L'inertage est assuré par l'apport de gaz par les réglettes 32, l'entrée d'air étant empêchée par l'étanchéité assurée entre le capot et la lingotière.

L'isolation thermique est obtenue par les réfractaires isolant de la voûte et le confinement de gaz réalisé au- dessus de la surface de métal coulé. En cours de coulée, le niveau d'acier est régulé de manière à être proche de la dite voûte, pour limiter le volume de l'espace libre au-dessus du ménisque, tout en évitant bien - un contact de l'acier en fusion avec la couche inférieure de réfractaire de la voûte.

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Installation de coulée continue de produits métallurgiques ayant une section droite allongée, tels que des brames en acier, comportant une lingotière (1) ayant des parois latérales refroidies (11) délimitant une cavité (12) dont la section transversale a une forme générale allongée et dans laquelle pénètre une busette (13) d'amenée du métal coulé en fusion, caractérisée en ce la lingotière est surmontée d'un capot rigide (2) dont la périphérie est située au- dessus et au contact des bords supérieurs des parois (11) et dont une partie centrale (40) en matériau réfractaire pénètre dans la dite cavité, et en ce qu'elle comporte des moyens d'étanchéité entre la périphérie du capot et les parois de la lingotière.

2. Installation coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que la dite partie centrale forme une voûte (40) comportant au moins une couche extérieure (41) en un matériau réfractaire résistant aux températures élevées et aux chocs thermiques, et une couche intérieure (44) en un matériau thermiquement isolant.

3. Installation de coulée continue selon la revendication 2, caractérisée en ce que la voûte comporte au moins une couche intermédiaire (42, 43) entre la couche extérieure et la couche intérieure.

4. Installation de coulée continue selon la revendication 2, caractérisée en ce que la voûte (40) pénètre dans la cavité de la lingotière sur une hauteur de plus de 50 mm.

5. Installation coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capot est constitué de deux demi-capots (21, 22) juxtaposés selon un plan médian vertical (P).

6. Installation de coulée continue selon la revendication 1 ou 5, caractérisée en ce que le capot (2) comporte dans sa partie centrale une pièce d'usure (51, 52) en matériau réfractaire comportant un orifice (53) de passage pour burette (13).

7. Installation de coulée continue selon la revendication caractérisée en ce qu'elle comporte, au- dessus des bords supérieurs des parois (11) de la lingotière, des moyens d'injection d'huile de lubrification ) et/ou de gaz d'inertage (32).

8. Installation de coulée continue selon la revendication caractérisée en ce que les moyens d'injection sont constitués par des réglettes périphériques (31, 32) débouchant dans la cavité de la lingotière sur lesquelles le capot (2) repose par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité (25) thermiquement isolant.

9. Installation de coulée continue selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capot (2) est surmonté d' chambre (63) d'aspiration des fumées, entourant l'orifice (53) de passage de la burette et dont les parois (61, 62) enserrent la busette et reposent sur la face supérieure du capot.

10. Installation de coulée continue selon la revendication 2, caractérisée en ce que les différentes couches (41, 42, 43, 44) sont maintenues assemblées par des tirants (45) traversant le couches et coopérant avec des éléments de renforts (47) noyés dans la couche inférieure (41) de la voûte.

11. Procédé de coulée continue de produits métallurgiques ayant une section allongée, tels des brames en acier, caractérisé en ce qu'on utilise l'installation selon l'une des revendications 1 à 10, et au cours de 1a coulée on injecte dans la cavité de huile de lubrification et un gaz d'inertage et on maintien le niveau de métal liquide dans la cavité de la lingotière à une distance minimale de la face inférieure la voûte.