CA2250786C - Procede de coulee continue des metaux et lingotiere pour sa mise en oeuvre - Google Patents
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Abstract
La lingotière comporte des parois métalliques (1, 3) énergiquement refroidies pourvues dans leur partie supérieure de moyens pour réduire l'intensité du flux thermique extrait du métal coulé (2), tels qu'un revêtement (6, 15) de métal moins conducteur que celui des parois, ou des rainures (31) réalisées dans ces parois. Ces parois sont surmontées d'une rehausse thermiquement isolante (7) associée à des moyens d'injection d'un gaz débouchant en jets répartis sur le pourtour intérieur de la lingotière. Lors de la coulée, la surface libre du métal liquide est maintenue au niveau de cette rehausse, le début de solidification de la peau solide (21) commençant seulement au niveau du bord supérieur des parois métalliques (3). Application notamment à la coulée continue de l'acier.
Description
WO 97/37794 PCT/P'R97/00595 PROCEDE DE COULEE CONTINUE DES METAUX ET LINGOTIERE 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 ~,~n métal en fusion dans une lingotiëre, essentiellement constituée d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre (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. La solidification progresse ensuite vers l' axe du produit et s' achêve au cours de la descente de celui-ci en aval de la lingotière dans la zone dite du "refroidissement 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 coulêe 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 qualitê métallurgique des produits laminé .
Au cours de la coulée, le métal en fusion, déversé
en lingotière, forme une pellicule solide au niveau de sa surface libre dès sa venue en contact avec les parois métalliques refroidies de la lingotière. Cette pellicule est entraînée vers le bas lors de l'extraction du produit par un mouvement saccadé rythmé par les oscillations verticales de la lingotière. Simultanément, son épaisseur croît du fait de la poursuite de l'extraction de chaleur rêalisée par les parois de la lingotière. I1 y a donc
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 ~,~n métal en fusion dans une lingotiëre, essentiellement constituée d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre (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. La solidification progresse ensuite vers l' axe du produit et s' achêve au cours de la descente de celui-ci en aval de la lingotière dans la zone dite du "refroidissement 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 coulêe 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 qualitê métallurgique des produits laminé .
Au cours de la coulée, le métal en fusion, déversé
en lingotière, forme une pellicule solide au niveau de sa surface libre dès sa venue en contact avec les parois métalliques refroidies de la lingotière. Cette pellicule est entraînée vers le bas lors de l'extraction du produit par un mouvement saccadé rythmé par les oscillations verticales de la lingotière. Simultanément, son épaisseur croît du fait de la poursuite de l'extraction de chaleur rêalisée par les parois de la lingotière. I1 y a donc
2 continuellement création d'une nouvelle pellicule de métal solide au niveau de la surface libre du métal dans la lingotière (appelée "ménisque"), cette pellicule se solidifiant sur tout le périmètre de la paroi interne de la lingotiêre et constituant un anneau solide susceptible de se contracter du fait du refroidissement subi lors de sa descente dans la lingotière.
La contraction thermique de la peau solide 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
bas ou moyen carbone ou d'aciers inoxydables.
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 sur le produit final obtenu.
Pour éviter ou limiter ces défauts, on a déjà
cherché à réduire le flux thermique extrait lors de la formation de la peau, au début de sa solidification.
Ainsi, il a déjà été tenté de réduire ce flux thermique en utilisant une lingotière pourvue, dans sa partie supérieure, là où se produit le début de solidification, d'un insert formant une barrière thermique en empêchant le métal en fusion de venir directement en contact avec les parois refroidies de la lingotiêre. La tenue dans le temps d'un tel insert s'est toutefois rêvélée très aléatoire, et le coût de maintenance d'une telle lingotiêre très élevé.
I1 a également été tenté de réduire le flux thermique en donnant aux parois de la lingotière un état
La contraction thermique de la peau solide 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
bas ou moyen carbone ou d'aciers inoxydables.
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 sur le produit final obtenu.
Pour éviter ou limiter ces défauts, on a déjà
cherché à réduire le flux thermique extrait lors de la formation de la peau, au début de sa solidification.
Ainsi, il a déjà été tenté de réduire ce flux thermique en utilisant une lingotière pourvue, dans sa partie supérieure, là où se produit le début de solidification, d'un insert formant une barrière thermique en empêchant le métal en fusion de venir directement en contact avec les parois refroidies de la lingotiêre. La tenue dans le temps d'un tel insert s'est toutefois rêvélée très aléatoire, et le coût de maintenance d'une telle lingotiêre très élevé.
I1 a également été tenté de réduire le flux thermique en donnant aux parois de la lingotière un état
3 de surface susceptible de réduire l'aire des zones de contact direct du mêtal coulê avec le cuivre des parois refroidies, par exemple par une gravure régulière des parois formant un gaufrage de leur surface, ou par une rugosité alëatoire obtenue par exemple par sablage. Une telle méthode n'a semble-t'il cependant pas encore permis d'améliorer sensiblement la qualité de surface du produit coulé. Il semble en effet que les perturbations provoquées par les variations de niveau de la surface libre du métal coulé soient prëdominantes par rapport à
l'effet modérateur sur le flux thermique, obtenu par un état de surface adaptë des parois de la lingotière tel qu'indiqué ci-dessus, de sorte que, les hétérogénêités de solidification subsistant, les défauts de surface ne sont pas éliminés.
Dans le même but de réduire le contact direct du métal coulé avec le cuivre froid des parois, il a encore été tenté de réaliser dans celles-ci des rainures verticales. Mais il est alors apparu que ces rainures se garnissaient rapidement du laitier classiquement utilisé
comme couche de couverture de la surface libre du métal liquide, ce qui atténuait l'effet thermique recherché.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus et vise particulièrement à
obtenir un produit coulé ayant une très bonne qualité de surface, en assurant une réduction efficace du flux thermique extrait lors de la formation et du début de la croissance de la pellicule solidifiée, et en évitant notamment l'effet néfaste des fluctuations du niveau de la surface libre du mêtal liquide en lingotière.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procêdé de coulée continue des métaux en fusion, 3a notamment de l'acier, dans une lingotière comportant des parois métalliques énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le mêtal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une
l'effet modérateur sur le flux thermique, obtenu par un état de surface adaptë des parois de la lingotière tel qu'indiqué ci-dessus, de sorte que, les hétérogénêités de solidification subsistant, les défauts de surface ne sont pas éliminés.
Dans le même but de réduire le contact direct du métal coulé avec le cuivre froid des parois, il a encore été tenté de réaliser dans celles-ci des rainures verticales. Mais il est alors apparu que ces rainures se garnissaient rapidement du laitier classiquement utilisé
comme couche de couverture de la surface libre du métal liquide, ce qui atténuait l'effet thermique recherché.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqués ci-dessus et vise particulièrement à
obtenir un produit coulé ayant une très bonne qualité de surface, en assurant une réduction efficace du flux thermique extrait lors de la formation et du début de la croissance de la pellicule solidifiée, et en évitant notamment l'effet néfaste des fluctuations du niveau de la surface libre du mêtal liquide en lingotière.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un procêdé de coulée continue des métaux en fusion, 3a notamment de l'acier, dans une lingotière comportant des parois métalliques énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le mêtal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une
4 PCTIFR97/00595 extraction de flux thermique du métal coulê provoquant un refroidissement et une solidification progressive du dit métal, procédé selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois, caractérisé en ce que on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé à l' intérieur de la dite rehausse, et en ce que l'on injecte au niveau de cette rehausse, et de préférence au moins à son extrémité
infêrieure, un gaz débouchant en jets répartis sur le pourtour intérieur de la lingotière.
Conformément â l'invention, la surface libre du bain de métal liquide (le ménisque) est située dans la rehausse. Comme celle-ci est en matériau réfractaire thermiquement isolant, la pellicule de métal solidifié ne commence à se former régulièrement qu'à partir du bord supérieur des parois métalliques, et cela grâce au soufflage du gaz de balayage à la base de la rehausse qui permet de bien séparer cette solidification régulière voulue sur la partie métallique refroidie des éventuelles solidifications locales parasites qui peuvent advenir sur la partie réfractaire. Ainsi, la solidification du métal coulé ne débute qu'à une certaine distance du mênisque.
La zone où commence cette solidification est donc quasiment parfaitement plane, horizontale, èt non soumise aux fluctuations ou perturbations qui agitent inévitablement la surface libre du bain. L'anneau solide constitué par la peau de première solidification est donc géométriquement parfaitement régulier, et son renouvellement continu est également quasiment parfaitement régulier, de même que la croissance de cette peau solidifiée, au fur et à mesure de la descente du produit coulé.
Par ailleurs, comme le métal coulé n'initie pas sa solidification dans la rehausse, il n'y a pas à ce niveau de contraction du métal. Ce dernier reste au contact de la paroi de la rehausse et empêche les infiltrations de laitier entre le métal et la dite paroi. Il en résulte
infêrieure, un gaz débouchant en jets répartis sur le pourtour intérieur de la lingotière.
Conformément â l'invention, la surface libre du bain de métal liquide (le ménisque) est située dans la rehausse. Comme celle-ci est en matériau réfractaire thermiquement isolant, la pellicule de métal solidifié ne commence à se former régulièrement qu'à partir du bord supérieur des parois métalliques, et cela grâce au soufflage du gaz de balayage à la base de la rehausse qui permet de bien séparer cette solidification régulière voulue sur la partie métallique refroidie des éventuelles solidifications locales parasites qui peuvent advenir sur la partie réfractaire. Ainsi, la solidification du métal coulé ne débute qu'à une certaine distance du mênisque.
La zone où commence cette solidification est donc quasiment parfaitement plane, horizontale, èt non soumise aux fluctuations ou perturbations qui agitent inévitablement la surface libre du bain. L'anneau solide constitué par la peau de première solidification est donc géométriquement parfaitement régulier, et son renouvellement continu est également quasiment parfaitement régulier, de même que la croissance de cette peau solidifiée, au fur et à mesure de la descente du produit coulé.
Par ailleurs, comme le métal coulé n'initie pas sa solidification dans la rehausse, il n'y a pas à ce niveau de contraction du métal. Ce dernier reste au contact de la paroi de la rehausse et empêche les infiltrations de laitier entre le métal et la dite paroi. Il en résulte
5 qu'il ne peut donc pas non plus y avoir d'infiltrations de laitier entre les parois métalliques de la lingotière et la peau solidifiée à leur contact, même si celle-ci tend à s'en écarter du fait du retrait de solidification.
On notera de plus que la pression ferrostatique du métal liquide, due à la hauteur de ce métal contenu dans la rehausse, tend à s'opposer à cet écartement et donc à
maintenir la dite peau plaquée contre la surface des parois métalliques, et ceci de maniêre uniforme sur tout le pourtour interne de la lingotière, du fait que l'épaisseur et l'état de solidification de la peau est également uniforme sur ce pourtour.
Ainsi, du fait de cette régularité périphérique, l'extraction de chaleur réalisée dans la partie supérieure des parois métalliques peut être réalisée aussi de manière uniforme sur tout le pourtour du produit, en évitant des décollements localisés et les sous-épaisseurs de peau solide qui en résulteraient, et l'intensité du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification peut-être assurée trës uniformément sur tout le pourtour du passage défini par les parois mêtalliques.
Préférentiellement, on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée à
partir du bord inférieur de la dite rehausse, sans cependant modifier sensiblement la quantité de chaleur globale extraite par la lingotiêre. Cette hauteur limitée assure ainsi une réduction du flux thermique extrait dans la zone oü la peau de métal solide se forme, et évite aussi l' effet de retrait et de décollement de la peau de métal observé dans le procédé de coulée selon l'art antérieur.
On notera de plus que la pression ferrostatique du métal liquide, due à la hauteur de ce métal contenu dans la rehausse, tend à s'opposer à cet écartement et donc à
maintenir la dite peau plaquée contre la surface des parois métalliques, et ceci de maniêre uniforme sur tout le pourtour interne de la lingotière, du fait que l'épaisseur et l'état de solidification de la peau est également uniforme sur ce pourtour.
Ainsi, du fait de cette régularité périphérique, l'extraction de chaleur réalisée dans la partie supérieure des parois métalliques peut être réalisée aussi de manière uniforme sur tout le pourtour du produit, en évitant des décollements localisés et les sous-épaisseurs de peau solide qui en résulteraient, et l'intensité du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification peut-être assurée trës uniformément sur tout le pourtour du passage défini par les parois mêtalliques.
Préférentiellement, on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée à
partir du bord inférieur de la dite rehausse, sans cependant modifier sensiblement la quantité de chaleur globale extraite par la lingotiêre. Cette hauteur limitée assure ainsi une réduction du flux thermique extrait dans la zone oü la peau de métal solide se forme, et évite aussi l' effet de retrait et de décollement de la peau de métal observé dans le procédé de coulée selon l'art antérieur.
6 Selon une première variante, la dite zone prêsente une capacité d'extraction de flux thermique sensiblement constante sur toute sa hauteur. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait peut être forte mais sur une faible hauteur, par exemple de l'ordre de 10 mm.
Selon une deuxième variante, la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait dêcroît progressivement vers le bas de la lingotière, sur une zone de plus grande hauteur. Ceci permet d'assurer une réduction du flux thermique extrait, dans la zone où est réalisée cette réduction, encore plus forte que dans le cas précédent, du fait de la hauteur supérieure de cette zone, mais aussi d'assurer une sorte de progressivitê dans la variation de flux thermique extrait, entre la rehausse où le dit flux extrait est le plus faible possible, et la partie métallique refroidie de la lingotière où il est recherché une extraction maximale du flux thermique.
L'invention a aussi pour objet une lingotière de coulée continue comportant des parois métalliques s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposés de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers leur surface interne définissant le dit passage, caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut, et des moyens d'injection d'un gaz débouchant sur le pourtour intérieur de la lingotière, au niveau de la rehausse et de préférence à l'extrémité inférieure de
Selon une deuxième variante, la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait dêcroît progressivement vers le bas de la lingotière, sur une zone de plus grande hauteur. Ceci permet d'assurer une réduction du flux thermique extrait, dans la zone où est réalisée cette réduction, encore plus forte que dans le cas précédent, du fait de la hauteur supérieure de cette zone, mais aussi d'assurer une sorte de progressivitê dans la variation de flux thermique extrait, entre la rehausse où le dit flux extrait est le plus faible possible, et la partie métallique refroidie de la lingotière où il est recherché une extraction maximale du flux thermique.
L'invention a aussi pour objet une lingotière de coulée continue comportant des parois métalliques s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposés de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers leur surface interne définissant le dit passage, caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut, et des moyens d'injection d'un gaz débouchant sur le pourtour intérieur de la lingotière, au niveau de la rehausse et de préférence à l'extrémité inférieure de
7 celle-ci juste au-dessus des parois métalliques.
Selon un premier mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche d'un mêtal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois, la dite couche de métal étant par exemple constituée de nickel, déposé par un procédé de dépôt électrolytique, sur le cuivre ou alliage de cuivre constitutif des parois de la lingotière.
Selon une premiêre variante, la dite couche est située au-dessus des parois, et donc entre celles-ci et le réfractaire constitutif de la rehausse, et son épaisseur peut être par exemple de l'ordre du millimètre.
Selon une autre variante, la dite couche s'étend en plus sur la face interne des parois métalliques refroidies, sur une hauteur qui peut alors être de l'ordre de quelque_ centimètres. La couche de métal peu conducteur forme alors une barrière thermique entre la peau solidifiée de métal coulé et le métal très bon conducteur thermique des parois de la lingotière. Sur toute la hauteur sur laquelle s'étend cette couche peu conductrice, le flux thermique extrait est fortement réduit (la rëduction pouvant atteindre et même dépasser 50%), par rapport à une configuration oü le métal coulé
serait en contact direct avec le dit mêtal très conducteur des parois.
La réalisation d'une couche de métal peu conducteur à la fois au dessus des parois en cuivre ou alliage de cuivre et sur leur face latérale intérieure permet de modifier simultanément la valeur moyenne du flux extrait dans la partie supérieure des parois refroidies et l'étalement du flux en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, au niveau duquel débute la solidification de la pellicule de métal coulé, cet êtalement pouvant par ailleurs être pré-réglé
et favorisé en diminuant progressivement l'épaisseur de
Selon un premier mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche d'un mêtal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois, la dite couche de métal étant par exemple constituée de nickel, déposé par un procédé de dépôt électrolytique, sur le cuivre ou alliage de cuivre constitutif des parois de la lingotière.
Selon une premiêre variante, la dite couche est située au-dessus des parois, et donc entre celles-ci et le réfractaire constitutif de la rehausse, et son épaisseur peut être par exemple de l'ordre du millimètre.
Selon une autre variante, la dite couche s'étend en plus sur la face interne des parois métalliques refroidies, sur une hauteur qui peut alors être de l'ordre de quelque_ centimètres. La couche de métal peu conducteur forme alors une barrière thermique entre la peau solidifiée de métal coulé et le métal très bon conducteur thermique des parois de la lingotière. Sur toute la hauteur sur laquelle s'étend cette couche peu conductrice, le flux thermique extrait est fortement réduit (la rëduction pouvant atteindre et même dépasser 50%), par rapport à une configuration oü le métal coulé
serait en contact direct avec le dit mêtal très conducteur des parois.
La réalisation d'une couche de métal peu conducteur à la fois au dessus des parois en cuivre ou alliage de cuivre et sur leur face latérale intérieure permet de modifier simultanément la valeur moyenne du flux extrait dans la partie supérieure des parois refroidies et l'étalement du flux en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, au niveau duquel débute la solidification de la pellicule de métal coulé, cet êtalement pouvant par ailleurs être pré-réglé
et favorisé en diminuant progressivement l'épaisseur de
8 la dite couche du haut vers le bas.
Selon un deuxième mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne des dites parois. On constitue ainsi, dans la zone de formation de la pellicule solidifiêe, et sur la périphérie du passage formé par les parois de la lingotière, une alternance de points de contact direct du métal coulé avec le cuivre ou alliage de cuivre des parois refroidies, et de points, correspondants aux dites rainures, où l'extraction de chaleur est réduite. On notera que, contrairement à la technique êvoquée au début de ce mémoire, utilisant un tel systême de rainures, et du fait que le début de solidification s'effectue, selon l'invention, à une certaine distance en dessous de la surface libre du bain de métal et donc en absence de laitier, il ne peut donc y avoir , en cours de coulée, pénétration de laitier dans ces rainures, et obstruction de celles-ci.
Selon une variante de cette disposition, les dites rainures sont comblées au moins partiellement par un matériau ayant une conductibilité thermique inférieure à
celle du métal constitutif des parois.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'une lingotière de coulée continue d'acier conforme à l'invention et de sa mise en oeuvre.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une représentation schématique, en coupe longitudinale partielle, de la partie haute de la lingotière, dans une première variante de réalisation, - la figure 2 représente la variation du flux thermique extrait au cours d'une coulée dans une telle lingotière, en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, - les figures 3 et 4 correspondent respectivement
Selon un deuxième mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne des dites parois. On constitue ainsi, dans la zone de formation de la pellicule solidifiêe, et sur la périphérie du passage formé par les parois de la lingotière, une alternance de points de contact direct du métal coulé avec le cuivre ou alliage de cuivre des parois refroidies, et de points, correspondants aux dites rainures, où l'extraction de chaleur est réduite. On notera que, contrairement à la technique êvoquée au début de ce mémoire, utilisant un tel systême de rainures, et du fait que le début de solidification s'effectue, selon l'invention, à une certaine distance en dessous de la surface libre du bain de métal et donc en absence de laitier, il ne peut donc y avoir , en cours de coulée, pénétration de laitier dans ces rainures, et obstruction de celles-ci.
Selon une variante de cette disposition, les dites rainures sont comblées au moins partiellement par un matériau ayant une conductibilité thermique inférieure à
celle du métal constitutif des parois.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'une lingotière de coulée continue d'acier conforme à l'invention et de sa mise en oeuvre.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une représentation schématique, en coupe longitudinale partielle, de la partie haute de la lingotière, dans une première variante de réalisation, - la figure 2 représente la variation du flux thermique extrait au cours d'une coulée dans une telle lingotière, en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, - les figures 3 et 4 correspondent respectivement
9 aux figures 1 et 2 dans le cas d'une deuxiême variante de réalisation de la lingotière, - la figure 5 représente schêmatiquement la partie supérieure d'une paroi de lingotière, dans un second mode de réalisation, utilisant un rainurage de la partie supérieure de paroi métallique, - la figure 6 est une vue, à échelle agrandie, de la section selon un plan horizontal de la partie supérieure de la paroi métallique de la figure 5, - la figure 7, est une vue similaire à la figure 6, dans le cas où les rainures sont comblées par un mêtal peu conducteur, - la figure 8 illustre un mode de réalisation particulièrement avantageux de la rehausse, incorporant une résistance chauffante, - la figure 9 est une vue schématique de la lingotière , à échelle réduite, en coupe selon la ligne iX - IX de la figure 8.
La lingotière représentée figure 1 comporte des parois métalliques 1 refroidies, de maniêre connue en soi, par une circulation interne d'eau, qui forment un corps tubulaire et définissent un passage vertical pour l'acier coulé 2. La partie supérieure de ces parois métalliques est préférentiellement constituée d'un élément indêpendant de leur partie inférieure, par exémple sous forme d'une pièce annulaire 3, également en cuivre ou alliage de cuivre et doté d'un circuit de refroidissement qui lui est propre, schématisé par le canal 4 de circulation d'eau.
Une telle pièce annulaire 3 peut être remplacée plus facilement et à moindre coût que si les parois mêtalliques étaient formées d'une seule pièce sur toute la hauteur.
Sur la face supérieure 5 de la pièce annulaire 3 est réalisé une couche 6 de nickel êlectrolytique, d'une épaisseur par exemple de 1,5 mm.
Au dessus de cette pièce annulaire 3, dont la hauteur est par exemple de 40 mm, est disposée une rehausse 7 thermiquement isolante comportant une partie supérieure 8 en réfractaire trës isolant, d'une hauteur 5 de 200 mm par exemple, et une partie inférieure 9 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 êpaisseur de 20 mm.
La lingotière représentée figure 1 comporte des parois métalliques 1 refroidies, de maniêre connue en soi, par une circulation interne d'eau, qui forment un corps tubulaire et définissent un passage vertical pour l'acier coulé 2. La partie supérieure de ces parois métalliques est préférentiellement constituée d'un élément indêpendant de leur partie inférieure, par exémple sous forme d'une pièce annulaire 3, également en cuivre ou alliage de cuivre et doté d'un circuit de refroidissement qui lui est propre, schématisé par le canal 4 de circulation d'eau.
Une telle pièce annulaire 3 peut être remplacée plus facilement et à moindre coût que si les parois mêtalliques étaient formées d'une seule pièce sur toute la hauteur.
Sur la face supérieure 5 de la pièce annulaire 3 est réalisé une couche 6 de nickel êlectrolytique, d'une épaisseur par exemple de 1,5 mm.
Au dessus de cette pièce annulaire 3, dont la hauteur est par exemple de 40 mm, est disposée une rehausse 7 thermiquement isolante comportant une partie supérieure 8 en réfractaire trës isolant, d'une hauteur 5 de 200 mm par exemple, et une partie inférieure 9 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 êpaisseur de 20 mm.
10 Entre la couche de nickel 6 et le SiAlON 9 est ménagé un espace formant une fente 10 de faible hauteur, par exemple de quelques 1j10 mm, cette fente débouchant à
la surface interne de la lingotiêre sur tout son pourtour, et étant par ailleurs reliée à une source 110 de gaz inerte sous pression, tel que de l'argon, schématiquement représentée sur la figure.
L'alimentation de la lingotière en métal liquide est réalisée par une busette 11, de type connu, comportant des ouïes latérales 12, situées au niveau de la rehausse réfractaire 7, par exemple environ à mi-hauteur de sa partie supérieure 8.
Lors d'une coulée, l'acier en fusion, contenu dans un répartiteur, non représenté, auquel est fixé la busette 11, passe dans la dite busette et ses ouïes 12 et remplit la lingotiëre. Le niveau de la surface libre 13 de l'acier liquide est maintenue entre le bord supérieur de la rehausse 7 et les ouïes 12 , de sorte que ces ouïes sont immergées dans le bain d'acier liquide 2. De manière classique, la dite surface libre est couverte par une couche de laitier 13.
Comme on le voit sur la figure 1, la peau 21 d'acier solide commence à se former au niveau du bord supérieur de la couche de nickel 6 et, du fait du refroidissement 10a provoqué par les paroïs métalliques de la lingotiëre, s'épaissit progressivement vers le bas, étant bien entendu que cette peau se déplace en fait
la surface interne de la lingotiêre sur tout son pourtour, et étant par ailleurs reliée à une source 110 de gaz inerte sous pression, tel que de l'argon, schématiquement représentée sur la figure.
L'alimentation de la lingotière en métal liquide est réalisée par une busette 11, de type connu, comportant des ouïes latérales 12, situées au niveau de la rehausse réfractaire 7, par exemple environ à mi-hauteur de sa partie supérieure 8.
Lors d'une coulée, l'acier en fusion, contenu dans un répartiteur, non représenté, auquel est fixé la busette 11, passe dans la dite busette et ses ouïes 12 et remplit la lingotiëre. Le niveau de la surface libre 13 de l'acier liquide est maintenue entre le bord supérieur de la rehausse 7 et les ouïes 12 , de sorte que ces ouïes sont immergées dans le bain d'acier liquide 2. De manière classique, la dite surface libre est couverte par une couche de laitier 13.
Comme on le voit sur la figure 1, la peau 21 d'acier solide commence à se former au niveau du bord supérieur de la couche de nickel 6 et, du fait du refroidissement 10a provoqué par les paroïs métalliques de la lingotiëre, s'épaissit progressivement vers le bas, étant bien entendu que cette peau se déplace en fait
11 continuellement vers le bas avec l'extraction du produit coulé, et se renouvelle également continuellement par solidification de l'acier liquide arrivant au contact de la couche de nickel 6.
L'alimentation d'argon sous pression par la fente crée des jets de gaz, sensiblement perpendiculaires à
la surface interne des parois de la lingotière, qui servent à briser les éventuels amorces de solidification qui pourraient se produire au contact de la partie 10 inférieure 9 de la rehausse, de manière à assurer que la dite peau 21 commence â se solidifier sur tout le pourtour dans un même plan horizontal, situé exactement au niveau de l'arrête 14 supérieure de la couche de nickel 6.
La figure 2 représente la variation du flux thermique extrait ~, en fonction de la distance verticale d à partir de cette arrête 14. La courbe en trait plein 22 représente le flux extrait dans le cas de l'utilisation de la lingotière de l'invention représentée figure 1, alors que la courbe pointillée 23 représente à
titre comparatif le flux thermique qui serait extrait en l'absence de la couche de nickel 6, c'est à dire si la peau solide 21 commençait â se former au contact direct du cuivre de la partie supérieure 3. On remarquera que, dans la zone verticale correspondant â l'épaisseur de la couche de nickel, le flux extrait est réduit, cette réduction du flux pouvant d'ailleurs se poursuivre sur quelques millimètres en dessous de la dite couche de nickel, mais sans influencer sensiblement le flux global extrait par l'ensemble de la pièce annulaire 3.
La figure 3 représente une variante de réalisation de la lingotière, les mêmes repères que ceux de la figure 1 êtant utilisés pour désigner des éléments correspondants. Dans cette variante, une couche 15 de nickel supplémentaire est déposée sur la surface latérale 16 intérieure de la pièce annulaire 3, cette pièce
L'alimentation d'argon sous pression par la fente crée des jets de gaz, sensiblement perpendiculaires à
la surface interne des parois de la lingotière, qui servent à briser les éventuels amorces de solidification qui pourraient se produire au contact de la partie 10 inférieure 9 de la rehausse, de manière à assurer que la dite peau 21 commence â se solidifier sur tout le pourtour dans un même plan horizontal, situé exactement au niveau de l'arrête 14 supérieure de la couche de nickel 6.
La figure 2 représente la variation du flux thermique extrait ~, en fonction de la distance verticale d à partir de cette arrête 14. La courbe en trait plein 22 représente le flux extrait dans le cas de l'utilisation de la lingotière de l'invention représentée figure 1, alors que la courbe pointillée 23 représente à
titre comparatif le flux thermique qui serait extrait en l'absence de la couche de nickel 6, c'est à dire si la peau solide 21 commençait â se former au contact direct du cuivre de la partie supérieure 3. On remarquera que, dans la zone verticale correspondant â l'épaisseur de la couche de nickel, le flux extrait est réduit, cette réduction du flux pouvant d'ailleurs se poursuivre sur quelques millimètres en dessous de la dite couche de nickel, mais sans influencer sensiblement le flux global extrait par l'ensemble de la pièce annulaire 3.
La figure 3 représente une variante de réalisation de la lingotière, les mêmes repères que ceux de la figure 1 êtant utilisés pour désigner des éléments correspondants. Dans cette variante, une couche 15 de nickel supplémentaire est déposée sur la surface latérale 16 intérieure de la pièce annulaire 3, cette pièce
12 annulaire étant usinée préalablement au dêpôt du nickel de manière que, après formation de cette couche 15, la surface interne 17 de celle-ci reste sensiblement coplanaire et dans le prolongement de la surface interne de la partie inférieure de la lingotière.
Préférentiellement, l'épaisseur de la couche de nickel 15 décroît progressivement du haut vers le bas sur la hauteur de la pièce annulaire 3.
La figure 4, similaire à la figure 2 dans le cas de cette deuxième variante, montre que le flux thermique extrait (courbe 24) globalement par la dite pièce annulaire est très fortement réduit par rapport au cas où
il n'y aurait pas de revêtement de nickel (courbe 23).
La figure 5 représente schématiquement en perspective une portion de la partie supérieure d'une paroi de lingotière selon un autre mode de réalisation, dans lequel des rainures verticales 31 sont rêalisées sur la face interne 32 de la pièce annulaire 3, comme on le voit, représenté à échelle agrandie, sur la figure 6. Les rainures 31 peuvent avoir par exemple une profondeur et une largeur de 0, 2 mm et être distantes l' une de l' autre de 1,5 mm.
En variante, comme illustrée figure 7, les rainures peuvent être comblées par un dépôt 33 d'un métal faiblement conducteur, par exemple du nickel. Dans ce cas, les rainures peuvent avoir par exemple une largeur de 1 mm et une profondeur de 0,5 mm, et être distantes l'une de l'autre de 2 mm. Le dépôt de nickel réalisé dans les rainures permet d'éviter la pénétration d'acier coulé
en fond de rainure. La réduction de flux thermique extrait dans cette variante est alors identique à celle qui serait produite par une réduction de la surface d'ëchange proportionnelle à la surface occupée par les rainures regarnies en dit métal peu conducteur.
Bien que, pour simplifier le dessin, on n'ait pas représenté sur la figure 5 de fente d'injection de gaz
Préférentiellement, l'épaisseur de la couche de nickel 15 décroît progressivement du haut vers le bas sur la hauteur de la pièce annulaire 3.
La figure 4, similaire à la figure 2 dans le cas de cette deuxième variante, montre que le flux thermique extrait (courbe 24) globalement par la dite pièce annulaire est très fortement réduit par rapport au cas où
il n'y aurait pas de revêtement de nickel (courbe 23).
La figure 5 représente schématiquement en perspective une portion de la partie supérieure d'une paroi de lingotière selon un autre mode de réalisation, dans lequel des rainures verticales 31 sont rêalisées sur la face interne 32 de la pièce annulaire 3, comme on le voit, représenté à échelle agrandie, sur la figure 6. Les rainures 31 peuvent avoir par exemple une profondeur et une largeur de 0, 2 mm et être distantes l' une de l' autre de 1,5 mm.
En variante, comme illustrée figure 7, les rainures peuvent être comblées par un dépôt 33 d'un métal faiblement conducteur, par exemple du nickel. Dans ce cas, les rainures peuvent avoir par exemple une largeur de 1 mm et une profondeur de 0,5 mm, et être distantes l'une de l'autre de 2 mm. Le dépôt de nickel réalisé dans les rainures permet d'éviter la pénétration d'acier coulé
en fond de rainure. La réduction de flux thermique extrait dans cette variante est alors identique à celle qui serait produite par une réduction de la surface d'ëchange proportionnelle à la surface occupée par les rainures regarnies en dit métal peu conducteur.
Bien que, pour simplifier le dessin, on n'ait pas représenté sur la figure 5 de fente d'injection de gaz
13 inerte, il est clair qu'une telle injection sera aussi préférentiellement utilisée dans la mise en oeuvre d'une telle lingotière.
Les essais expérimentaux réalisês par les inventeurs ont donnês des résultats particulièrement satisfaisants sur le plan métallurgique pour le produit coulé, puisqu'il a pu être observé une réduction du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification de plus de 50% et on a pu obtenir un produit ne présentant plus de défauts de surface de type dépressions et criques, en particulier sur des nuances d'aciers à
0,1% de carbone, particulièrement sensibles à de tels défauts.
L'invention n'est pas limitée aux différentes variantes qui ont été décrites ci-dessus uniquement à
titre d'exemple. En particulier, on pourra utiliser un métal de revêtement peu conducteur autre que le nickel.
Bien qu'il soit préférable, pour réduire les coûts de maintenance, de réaliser la réduction de flux thermique extrait au niveau d'une piêce supérieure indépendante des parties inférieures constituant les parois de la lingotiëre, les différents modes de réalisation décrits ci-dessus pourraient également être mis en oeuvre directement sur les dites parois métalliques uniquement sur une hauteur limitée à partir de leurs bords supérieurs.
De même, si le gaz de balayage à la base de la rehausse et un moyen "curatif" à l'encontre des effets, sur le processus de solidification du produit coulê, des solidifications parasites locales sur la paroi réfractaire de la rehausse, ce moyen peut être complété
par un moyen "préventif" consistant à chauffer la rehausse. Ainsi, selon l'invention, on pourra avoir avantage â incorporer à la rehausse 7, comme cela est schématiquement représenté figures 8 et 9, une résistance êlectrique chauffante, par exemple sous la forme d'un
Les essais expérimentaux réalisês par les inventeurs ont donnês des résultats particulièrement satisfaisants sur le plan métallurgique pour le produit coulé, puisqu'il a pu être observé une réduction du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification de plus de 50% et on a pu obtenir un produit ne présentant plus de défauts de surface de type dépressions et criques, en particulier sur des nuances d'aciers à
0,1% de carbone, particulièrement sensibles à de tels défauts.
L'invention n'est pas limitée aux différentes variantes qui ont été décrites ci-dessus uniquement à
titre d'exemple. En particulier, on pourra utiliser un métal de revêtement peu conducteur autre que le nickel.
Bien qu'il soit préférable, pour réduire les coûts de maintenance, de réaliser la réduction de flux thermique extrait au niveau d'une piêce supérieure indépendante des parties inférieures constituant les parois de la lingotiëre, les différents modes de réalisation décrits ci-dessus pourraient également être mis en oeuvre directement sur les dites parois métalliques uniquement sur une hauteur limitée à partir de leurs bords supérieurs.
De même, si le gaz de balayage à la base de la rehausse et un moyen "curatif" à l'encontre des effets, sur le processus de solidification du produit coulê, des solidifications parasites locales sur la paroi réfractaire de la rehausse, ce moyen peut être complété
par un moyen "préventif" consistant à chauffer la rehausse. Ainsi, selon l'invention, on pourra avoir avantage â incorporer à la rehausse 7, comme cela est schématiquement représenté figures 8 et 9, une résistance êlectrique chauffante, par exemple sous la forme d'un
14 ruban de graphite 71 (type PAPYER (marque déposêe) ou SIGRAFLER (marque déposée)), que l'on peut plier, sans risque de le casser, afin de l' enrouler autour du passage du mêtal coulé 2 (voir figure 9). Ce ruban chauffant 71 peut être moulé dans le réfractaire de la rehausse ou de préférence placé dans une gorge annulaire 72 creusée à
cet effet dans la rehausse, qui est alors réalisée par exemple en deux parties 73, 74 superposées. Dès lors, si l'on prend soin de choisir comme gaz de balayage un gaz inerte, comme de l'argon, aucun problème d'oxydation de la résistance chauffante en graphite n'est rencontré.
cet effet dans la rehausse, qui est alors réalisée par exemple en deux parties 73, 74 superposées. Dès lors, si l'on prend soin de choisir comme gaz de balayage un gaz inerte, comme de l'argon, aucun problème d'oxydation de la résistance chauffante en graphite n'est rencontré.
Claims (13)
1. Procédé de coulée continue des métaux en fusion dans une lingotière comportant des parois métalliques (1) énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une extraction de flux thermique du métal coulé provoquant un refroidissement et une solidification progressive du dit métal (2), procédé
selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois, caractérisé en ce que l'on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse (7) thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé (2) à
l'intérieur de la dite rehausse, et en ce qu'au niveau de la dite rehausse (7) et au moins au niveau de son bord inférieur, on injecte un gaz débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.
selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois, caractérisé en ce que l'on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse (7) thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé (2) à
l'intérieur de la dite rehausse, et en ce qu'au niveau de la dite rehausse (7) et au moins au niveau de son bord inférieur, on injecte un gaz débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée s'étendant à partir du bord inférieur de la dite rehausse.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique sensiblement constante sur toute sa hauteur.
4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas.
5. Procédé selon la revendication 1 en ce que le dit métal est de l'acier.
6. Lingotière de coulée continue comportant des parois métalliques (1,3) s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé
(2) et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposées de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens (6, 15, 31) pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers la surface interne des parois, lingotière caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse (7) en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut, et des moyens d'injection (10) pour injecter au niveau de la dite rehausse et au moins au niveau de son bord inférieur, un gaz sous pression débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.
(2) et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposées de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens (6, 15, 31) pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers la surface interne des parois, lingotière caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse (7) en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut, et des moyens d'injection (10) pour injecter au niveau de la dite rehausse et au moins au niveau de son bord inférieur, un gaz sous pression débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.
7. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche (6, 15) d'un métal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois (1, 3).
8. Lingotière selon la revendication 7, caractérisée en ce que la dite couche (6) est située au dessus des parois (3).
9. Lingotière selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la dite couche (15) s'étend sur la face interne (16) des dites parois (3).
10. Lingotière selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'épaisseur de la dite couche (15) diminue du haut vers le bas.
11. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures (31) s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne (32) des dites parois (3).
12. Lingotière selon la revendication 11, caractérisée en ce que les dites rainures (31) sont comblées au moins partiellement par un matériau (33) ayant une conductibilité
thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois.
thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois.
13. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que des moyens de chauffage par résistance électrique (71) sont incorporés à la rehausse (7).
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