Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
37~
La présente invention se situe dans le domaine de l'éla-
boration des métaux. Elle concerne plus particulièrement les
techniques de Coulée Continue Centrifuge Electromagnétique des
métau~ en fusion, notamment de l'acier.
On sait ~ue le procedé de Coulée Continue Centrifuge
Electromagnétique (C.C.C.E.) se distingue des opérations de cou
lée continue classique (ou statique) par une mise en rotation,
au sein de la lingotière et autour de 17axe de coulée, du metal
en fusion verse en lingotière par un jet de coulée vertical pro~
venant de l'orifice de sortie du répartiteur. Cette mise en ro-
tation est assurée par l~action d'un champ magnetique tournant
autour de l'axe de coulée et généralement produit par un induc-
teur statique polyphasé, immer~é dans la chambre ~ eau de la lin-
gotière.
Il est connu~ dans le cas de l'acier par exemple, que
la mise en oeuvre d'un tel procéde procure, par rapport à la
coulee continue classique, une amelioration de la ~ualite des
produits obtenus, tant en ce qui concerne leur proprete inclusi-
onnaire de peau que leux santé interne (macroségré~ation, poro-
sité axiale, etc...).
Il a été cependant constate que les inclusions non mé-
talliques présentes dans le metal en fusion ont tendance ~ se
concentrer dans la zone centrale des produits coules. Ce phéno-
mène est à l'origine de defauts observes sur les produits après
laminage et, en particulier, de defauts internes (pailles) que
l'on trouve sur la paroi interieure des tubes d'acier fabriques
a partir de produits obtenus par coulee continue centrifuge.
Des etudes ont pu montrer ~ue ces particules non-metal-
liques proviennent de l'entraînement d'une partie des scories
qui surnagent ~ la surface libre du métal en lingotiere, ou se
. . .
3377
forment par reoxydation du métal au contact de l'air ambiant
lors de la coulee en lingoti~re.
Diverses techniques ont déjà été proposées pour tenter
de reduire la quantite de particules non~metalliques au sein du
produit coule.
Certaines d'entre elles consistent essentiellement ~ dé-
centrer le jet de coulée de fa~on à rendre accessible à l'opéra-
teur la zone centrale de la surface libre du métal en lingotière.
Sous l'effet de la rotation, cette surface, habituellement de-
nommée "ménisque", se creuse au centre et les scories qui sur-
nagent, ainsi que les inclusions internes qui decantent en par-
tie en surface, se rassemblent dans cette zone centrale d'o~
elles peuvent alors 8tre facilement retirées (BF n 2 329 383 -
IRSID).
A coté de ces mesures, que l'on peut qualifier de cura-
tivesr on trouve de nombreuses techniques preventives qui
visent à limiter les possibilités de formation des inclusions
en empêchant la réoxydation du métal liquide au moment de la cou-
lée. Ces mesures consistent, pour la plupart, en une application,
~ la coulée continue centrifuge, de méthodes déjà connues et
mises en oeuvre en coulée continue classique. Parmi elles, on
peut citer notamment celle enseignée par le brevet fran~ais n
2 150 723 - SCEC - et qui consiste à protéger de la réoxydation
à la fois le jet de coulée depuis sa sortie du répartiteur par
un manchon refractaire vertical qui debouche sous la surface li-
bre du m~tal en lingotière, et cette surface par une couche de
laitier ou éventuellement par un gaz iner-te de préérence liqué-
fié tel que l'azote ou de llargon liquide.
La présente invention a pour but une technique de pro-
tection à caractère preventif, comme celles évoquées ci-avant,
377
mais qui permet d'améliorer encore la qualité du produit coulé
sur le plan de la propreté inclusionnaire et d'éviter la mise
hors service rapide du manchon réfractaire par l'érosion due au
métal liquide en rotation plus ou moins rapide.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de cou-
lée continue centrifuge de métau~ en fusion, selon le~uel on ali
mente la lingoti~re en métal liquide par un jet de coulée verti-
cal provenant du répartiteur et on soumet le métal liquide au
sein de la lingotière à l'action d'un champ magnétique tournant
autour de l'axe de coulée/ procédé caractérisé en ce que l'on
entoure le jet de coulée, depuis sa sortie du repartiteur, par
un manchon ré~ractaire qui debouche au-dessus de la surface libre
du metal liquide en lingotiere, et en ce que l'on recouvre la-
dite surface, ainsi que la partie inferieure du ~et de coulée,
non-entourée par ledit manchon, par une couche de ~az neutre li-
quéfie, tel que de l'azote ou de l'argon liquide.
Conformément à une mise en oeuvre avantageuse de l'in-
vention, le gaz neutre liqué~ié est versé sur la partie inféri-
eure du jet de coulée à sa sortie du manchon réfractaire.
Selon une autre variante le ga~ liquéfié est versé sur
la surface libre du métal en lingotiere, et au ~oisinage immédiat
des parois de celle-ci.
Conformément à une autre mise en oeuvre de l'invention,
le point d'impact du jet de coulée sur la surface libre du mé-
tal en lingotiere es~ décentré; de préférence, il se situe
mi distance entre le bord et le centre de la lin~otière.
Une des difficultés du procédé de coulée continue cen-
tri~uge, en l'état actuel de son développement, reside dans 1
~ait que les techniques de protection contre la reoxydation
telles qule]les sont mises en oeuvre en coulee continue statique
peuvent difficilement y etre simplement transposées. .
En effet, d'une part la pratique de la poudre de couver-
ture, telle qu'elle slopère en coulée continue classique est,
sinon à exclure, du moins ~ déconseil].er fortement ici, car en
raison de la forme concave que prend le ménisque sous l'effet
de la rotation du métal, la poudre a tendance, en particulier
pour les ~itesses de rotation élevées, à se rassembl.er dans la
partie centrale du ménisque. Ceci conduit, en premier lieu, ~
une réoxydation périphérique sur le métal dénudé et, en second
lieu, à un risque de pollution supplémentaire de la zone axiale
du produit par entrainement des poudres au sein du métal par
effet de vortex, ce quil on le voit bien, va à l'encontre du but
recherché. ~'autre part, l'utilisation d'une busette immergée
conduit à des difficultés en raison des phénomènes d'usure rapide
sous l'action des mouvements de rotation du métal en lingotière,
ce qui va également a l'encontre du but visé en raison de l'en-
traînement possible des débris de la busette dans le centre du
produit.
Comme on le comprend, la présente invention consiste donc
en une p.rotection de la surface libre du métal liquide, laquelle
se caractérise, d'une part, par la mise en place d'une busette
longue (ou manchon réfractaire) qui enveloppe le jet de coulée
depuis sa sortie du répartiteur jusqu'à un niveau situee au-
dessus du niveau du ménisque du métal en lingotière, et d'autre
part, par une couche de gaz inerte liquéEié recouvrant le mé-
nisque et la partie inférieure libre du jet à l'extérieur de la
busette. Ce gaz liqu~fié peut 8tre un gaz neutre comme l'azote
à -136 C, ou l'argon à -186 C, ou tout autre gaz non-o~ydant à
l'égard du métai coulé.
De cette -Ea~on, le métal en lingotière est bien protégé
,
contre la réoxydation, car on constate que le gaz liquefié
versé en lingotière s'etale et recouvre parfaitement le menisque
auquel il adhère et dont il suit les mouvements. Il en est, bien
entendu, de même en ce qui concerne la partie inferieure libre
du jet de coulee.
La partie supérieure du jet étant confinée dans une bu-
sette dont l'extremite ne plonge pas dans le bain métallique en
lingotière, la dégradation de la proprete du métal par l'usure
de la busette n'est plus à craindre.
De plus, il devient alors possible, si on le desire, de
"pêcher" les scories, qui se rassemblent au centre du menisque,
selon la pratique habituelle, au travers de la couche de gaz li-
quefi~ dont la transparence au rayonnement du bain démeure suf-
fisante pour permettre ]'observation visuelle du menisque. Dans
ce cas, il est necessaire de prevoir, pour des raisons evidentes
d'encombrement, une partie libre de hauteur suffisante du jet de
coulée.
Par ailleurs la "pêche des scories peut être facilitée,
comme cela se pratique en coulee continue en je-t totalement libre,
par un décentrage du jet de coulée, ce qui ne serait ~uère envi-
sageable dans le cas d'u~e busette immergee car son usure serait
plus rapide encore, en raison de la vitesse linéaire croissante
du metal en rotation lorsqu'on s'eloigne du centre de la ]ingo-
tière. Un autre interet du decentrage du jet, est que l'on peut
operer la "pêche" des scories en presence d'un jet dont la par-
tie in~erieure libre peut alors être limitee au strict minimum,
compte tenu des variations ine~itables de la hauteur du menisque
en cours de coulee. Une hauteur trop importante de la partie
libre du jet protegee au gaz liquefie, est en effet ~ eviter,
car le profil du jet etant rarement parfaitement cylindri~ue,
f~ 3 ~J~
. ~
le risque de projection de métal liquide, dù ~ l'emprisonnement
du gaz liquéfié dans le métal, augmente avec la hauteur de la
zone du jet ~ protéger.
D'autres travaux du demandeur ont montré que l'une des
conditions opératoires optimales, ayant trait ~ l'injection du
métal en fusion en lingotière, consistait à localiser le jet de
coulée ~ mi-distance entre le centre et les parois de la lingo-
tière~ Des conclusions analogues ont été obtenues dans le cas
de la coulée continue centri-fuge electromagnéti~ue en jet libre,
o c'est-à~dire sans protection du métal contre la réoxydation
(BF n 2 32~ 383 déjà cité).
Outre sa fonction première ~ui est de protéger le métal
en fusion contre la réoxydation, la busette, entourant la partie
supérieure du jet de coulée, présente, par rapport à une protec-
tion totale du jet par du gaz liquéfié, un certain nombre d'avan-
tages supplémentaires qui peuvent s'énumérer comme suit:
- en premier lieu, elle permet une économie de gaz liqué-
fié, la consommation de ce dernier étant en effet d'autant plus
: réduite que la surface à protéger est plus faible,
- en second lieu, elle procure une protection thermique
meilleure qu'une couche de ga~ liquéfie naturellement perméable
au rayonnement du métal en fusion,
~ en-in, un avantage important réside dans la possibilité
d'avoir des jets de coulée de fort diamètre apparent J permettant
ainsi, en association avec une protection du ménisque par un yaz
neutre liquéfié, et pour la première fois semble-t-il, la coulée
continue centrifuge d'aciers fortement calmés par un desoxydant
énergique tel que l'aluminium, (c'est-~-dire des nuances d'aciers
contenant moins de 10 3% d'oxygène environ, et jusqu'à 0~1 % et
plus d'aluminium), sans craindre des bouchages precoces de l'ori-
-- 6 --
~'
3~
fice de coulee du repartiteur. La forme geom~trique du jet decoulée importe peu, et le debit de métal peut alors être régle
par tout moyen approprié de la pratique courante, par exemple
par une quenouille plongeant dans le répartiteur et dont le tam-
pon terminal obture plus ou moins llorifice de sortie ménagé dans
le fond du répartiteur.
L'invention sera bien comprise et d'au-tres aspects t
avantages apparaîtront plus clairement au vu de la description
qui suit donnée en référence aux planches de dessins annexées sur
lesquelles .
- la figure 1 représente schematiquement la partie haute
d'une installation de coulée continue centrifuge électromagné-
tique de barres d'acier équipée de mo~ens pour mettre en oeuvre
le procédé selon l'inven-tion, conformément à une variante consis-
tant en une alimentation centrale d'azote liquide dirigée sur le
jet de coulée,
- la figure 2 représente une autre variante de mise en
oeuvre du procédé selon l'invention sur le meme type d'instal-
lation de coulée que celui de la figure 1, mais consistant en
lme alimentation périphéri~ue d'azote liquide, au voisinage im-
médiat des parois de la lingotière.
Sauf indications expresses, la description se fera en
référence simultanée aux deux figures dont les mêmes éléments
sont désignés par des références identiques.
On a désigné en 1 un répartiteur contenant un bain
d'acier en fusion et présentant un orifice de coulee 2 menage
au travers du fond. Le repartiteur alimente de façon continue,
par un jet de coulée vertical et décentré 3, une lingotière re-
froidie de coulée continue 4, ~ la base de laquelle est retirée,
également de façon continue, une barre 5 parti~llement solidifiée.
-- 7 --
Selon une technologie bien connue, la lingotière 4 est consti-
tuée d'un caisson ~ double paroi équipé intérieurement d'une
chemise tubulaire 6 qui définit, avec la paroi interne 7 en
cuivre ou alliage de cuivre, un espace annulaire 8 pour la cir-
culation de l'eau de refroidissement. Une cloison étanche 9 sé
pare la lingotière en deux chambres superposées 10 et 11 présen-
tant chacune une ouverture, respectivement 12 et 13. L'eau de
refroidissement pénètre par l'ouverture 12 dans la chambre in-
férieure 10, remonte dans l'espace annulaire 8, inonde la
char~re superieure 11, de laquelle elle es~ évacuée par l'ouver-
ture 13. Comme on le voit, la chambre superieure 11 est occupée
par un inducteur électroma~nétique statique 14. Cet inducteur
est constitué de plusieurs bobines à noyau magnétique intérieur
qui se distribuent régulièrement autour de la paroi interne 7.
L'indu~teur est relié de fa~on connue à une alimentation élec-
trique triphasée non représentée afin de créer un champ magné-
tique uniforme orienté perpendiculairement à l'axe de coulée re~
présenté en 15, et tournant autour de cet axe avec une vitesse
angulaire ~onction de la ~réquence du courant électrique alimen-
tant les bobines.
D'autre part, un circuit d'alimentation 25 en huile decolza est prévu pour lubrifier la paroi interne 7 de la lingo-
tière en contact avec le produit coulé.
Ce qui vient d'être dit fait déjà partie de l'état de la
technique dans le domaine considéré, et on pourra trouver, si on
le désire, de plus amples détails en se reportant par exemple au
Brevet ~ran~ais n 2.315.344 - IRSID.
Sous l'action du champ magnetique tournant, le métal
liquide 16 contenu dans la lingotière est mis en rotation autour
de l'axe de coulée dans le sens du champ indique par la flèche.
-- 8 --
Il en résulte la formation d'un ménisque 16 de Eorme concave
tel que represent~ sur la figure.
Comme on le voit, le jet 3 est entouré par une busette
réfractaire 17, solidaire du fond du répartiteur 1, centree sur
l'ouverture 2, et d'un diamètre interne légèrement supérieur à
celui de cette ouverture. Par rapport aux dispositions habitu-
elles en la matière, cette busette ne se distingue ni par sa
forme ni par sa constitution. Sa caractéristique distinctive es-
sentielle consiste en ce que son extrémite inferieure 18 debouche
au-dessus de la surface libre 16 du métal en lingotière~ La par-
tie inferieure 19 du jet restee libre~ c'est-~-dire en-dessous
de la busette et ayant une longueur de quelques centimètres
(par exemple 5 cm), ainsi ~ue le ménisque 16~ sont recouverts
d'une couche d'azote liquide 20 qui les protège contre la re-
oxydation en les isolant du contact de l'air ambiant.
On va à présent decrire les moyens mis en oeuvre pour
introduire cette couche liquide en lingotière. On a re~érencé en
21, un recipient, par exemple un vase de Dewar, dans lequel de
l'azote liquide 22, venant d'une source sous pression 23, est
amene par une conduite ~4. Le gaz liqué~ié alimente, par l'in-
termédiaire d'un conduit d'évacuation ~7, un dispositif 28 de
type connu~ denommé "séparakeur de phases", dont le role est de
séparer la phase gazeuse de la phase liquide du gaz liquéfie.
Ce dispositi~ se presente sous l'aspe~t d'un corps tubulaire de
forme annulaire. Il comporte sur sa partie superieure une série
d'évents 30 pour l'échappement de l'azote gazeux, et sur sa par-
tie inferieure une serie d'ajutages calibrés 31 pour le déverse-
ment en continu d'un débit d'azote liquéfié sur le métal liquide.
Dans le cas d'une alimentation centrale, telle que sché-
matisée sur la ~igure 1, le separateur de phase 28 est dispose
3~7~7
autour de l'extrémité 18 de la busette, au voisinage immédiatdu jet de coulée. Sa fixation est assurée par des brides d'at-
tache 26 qui le rendent solidaire du fond du répartiteur. Les
ajutages 31 sont dirigés vers l'extrémité de sortie du jet de
la busette 17 et l'azote liquide, versé en continu, coule, par
gravité, le long de la partie libre 19 du jet, puis se répand
sur le ménisque 16 en se propageant radialement jusqu'à venir en
contact avec la paroi interne 7 de la linyotière. Il se forme
ainsi, sur le menisque, une couche de gaz liquéfié dont l'épais-
seur est de l:ordre de 1 à 3 cm suivant le debit d'azote choisi.De cette fa~on, toutes les surfaces libres du métal en fusion
sont efficacement protégées contre l'action oxydante de l'atmos-
ph~re.
Dans le cadre d'une alimentation périphérique, telle que
représentée sur la figure 2, le séparateur de phase référencé 28'
est cette fois fixé par des cales 29 sur le couvercle de la lin-
gotière, et les ajutages 31 sont orientés de manière à déverser
l'azote liquide, à la périphérie du métal coulé, au voisinage
immédiat de la paroi interne 7 de la lingotière. La gaz liquéfié
converge alors vers le centre du ménisque et la protection de la
partie in~érieure 19 du jet est réalisée lorsque la couche de
gaz liquéfié est sufisamment épaisse pour immerger l'extrémité
18 de la busette.
Chacune des deux variantes de réalisation, alimentation
centrale (fig. 1) ou alimentation périphérique (fig. 2), pré-
sente ses propres particularités énumérées ci-après.
- L'alimentation centrale de gaz liquéfié (fig. 1) per-
met d'éviter la nécessité de maintenir sur le ménisque une ~ouche
de gaz liquéfié don-t l'épaisseur à llendroit du jet soit au moins
égale a 1a hauteur de la partie libre 19 du jet, pour assurer la
-- 10 -- ~
protection de cette dernière. Elle presente donc l'avantage de
pouvoir opérer avec une couche de plus faible épaisseur, par
exemple 2 cm, tout en conservant une partie libre 19 substan-
tielle, par exemple de 5 à 10 cm, si on le désire.
Elle impose toutefois la présence du séparateur de
phases 28 au-dessus du métal coulé en lingotière, ce qui peut
pour des raisons d'encombrement constituer une certaine gêne,
en particulier pour la coulée de petits ~ormats.
Une telle solution apparait donc mieux approprié à la
coulée de produits ~ format dejà assez important, par exemple
des blooms.
- L'alimentation périphérique (fig. 2) impose, comme on
l'a vu, la présence sur le ménisque d'une couche d'azote liquide
importante, ce qui nécessite davantage de précautions, notamment
de sécurité, en raison des risques de débordement de gaz liqué-
fi~ hors de la lingoti~re. Elle se caractérise néanmoins par un
encombrement minimal, indépendant du format des produits coules,
d'o~ certains avantages, notamment à l'egard de 1'opérateur de
coulée pour lequel l'observation visuelle de l'intérieur de la
lingotière ait partie d'opérations de routine souvent utiles
et même indispensables pour la bonne exécution de la coulée
tréglage de la vitesse par exemple).
Cette seconde solution appara;t donc adaptée à la coulée
de produits de petits formats, tels que les billettes.
De toute façon, ~uel que soit le mode d'alimentation
adopte~ centrale ou périphérique/ on a avantage, lorsqu'il n'y
a pas, par ailleurs, d'indications contraires, à op~xer avec
une partie libre du jet de hauteur aussi réduite que possible,
et ceci pour au moins deux raisons : la première, dejà évoquée
précédemmentJ réside dans le fait que le jet à la sortie de la
77
busette etant relati~ement perturbe, donc peu homogène et de
profil non parfaitement cylindrique, le risque de projection de
métal en fusion par micro-explosions dues à l'emprisonnement du
gaz liquéfié dans le métal pourrait croltre avec l'importance de
la zone du jet à proteger. La seconde reside dans le fait que, J
plus la portion de jet à proté~er est réduite, plus cette pro-
tection est aisée et efficace. A la limite donc, il serait sou
haitable que l'e~trémité de la bùsette affleure le ménis~ue. En
pratique cela n'est cependant guère envisageable en raison des
10 fluctuations inevitables de la position du menisque sur la hau-
teur de la lingotière. Toutefois, l'amplitude de ces mouvements
verticaux dépasse rarement 3 à 5 cm environ, de sorte qu'une
hauteur de cet ordre pour la partie libre du jet convient par-
faitement. De toute façon, si la presence d'une enveloppe liquide
sur la totalite de la partie libre du jet est souhaitable, elle
n'est pas pour autant toujours indispensableO En effet, par éva-
poration de l'azote liquide sur le ménisque, il s'établit de
fa~on naturelle au-dessus de ce dernier, et donc autour de la
partie libre du jet de coulee, une atmosphère protectrice qui
20 remédie dans une certaine mesure aux lacunes éventuelles de llen-
veloppe liquide.
On va maintenant donner quel~ues indications concernant
les débits conseilles de ~aæ li~uéfié à utiliser.
Compte tenu de la température de coulée de l'acier li-
quide, la~uelle est voisine de 1550 C au niveau du répartiteur,
des debits situés entre 18 et 24 litres par minute et par m2 de
surface à protéger, donnent de bons résultats.
Dans le cas de la coulée de barres circulaires de 20 cm
de diamètre par exemple, la sur~ace à proteger est de l'ordre de
30 0,04 m , en tenant compte de la surface de la partie inférieure
- 12 -
3~
libre 19 du jet de coulee~ Le debit d'azote liquide sera donc,
en prenant pour débit nominal 20 1/mn/m2, 20 x 0,04, soit 0,8 l/mn.
Bien entendu, l'invention ne saurait se limiter à l'exem-
ple decrit, mais s'étend à toute variante de réalisation. Il en
est ainsi, par exemple de la nature du gaz liquéfié~ dans la me-
sure ou ce dernier ne présente pas des proprietes oxydantes à
l'egard du métal en fusion. C'est le cas de l'azote, mais égale-
ment de l'argon, de l'hélium ou d'autres gaz inertes.
De même encore, l'application du procedé n'est nullement
limitee ~ la coulee continuecentrifuge de l'acier mais s'etend
à tout autre metal. Elle demeure neanmoins assujettie ~ la pre-
sence d'un jet de coulee vertical car sinon la protection de ce
dernier, tant par un manchon réfractaire que par une enveloppe
de ga~ liquéfié, serait pratiquement irréalisableO A ce titre, le
procédé selon l'invention se trouve particulièrement bien appro-
prié à la Coulée Continue Centrifuge Electromagnétique.
