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Z00~609
1 CL~ 850
PROCEDE ET ENSEMBLE D'ALIMENTATION EN METAL FONDU DE LA
LING~TIERE D'UNE INSTALLATION DE COULE~ CONTINU~ D'EBAUCH~S
MINCES
La présente invention se situe dans le domaine de l'élaboration des
métaux, et concerne plus particulièrement les techniques de coulée continue
des métaux en fusion, notamment de l'acier en vue de l'élaboration d'ébauches -
minces.
Plus précisément, la présente invention concerne un procédé d'alimenta-
tion en métal ~ondu de la lingotière d'une installation de coulée continue
d'ébauches minces, selon lequel on alimente la lingotière en métal f~ndu par
au moins un jet de coulée vertical s'écoulant de l'orifice d'une busette
raccordée à un distributeur de métal en fusion par un tube de coulée, et on
régule le niveau de métal fondu dans la lingotière en agissant sur le débit
de métal entrant dans le tube de coulée.
l5Un tel procédé d'alimentation d'une lingotière est connu par exemple par
le brevet britannique l 083 262.
On connaît aussi des installations d'alimentation en métal fondu d'une
lingotière pour ~a coul~e continue d'ébauches minces.
Dans la plupart des cas, les installations conservent les concepts de
base des machines à coulée continue de brames : lingotière, oscillation de la
lingotière, dispositif de support et refroidissement de 1'ébauche ou brame
sortant de la lingotière par des rouleaux.
L'al~mentation en métal fondu de la lingoti~re se fait généralement par
une ou plusieurs busettes calibrées raccordées à un distributeur de métal
fondu qui pendant la coulée de ce dernier occupe une position fixe au-dessus
de la lingotière. Le haut de la lingotière est évasé de fa~on à pouvoir rece-
voir la busette de coulée. Le niveau de la surface libre du métal dans la
lingotière est détecté par un appareil approprié qui commande un dispositif
de régulation de débit, et donc, pour une vitesse d'extraction du produit
déterminée, du niveau de métal dans la lingotière, la sortie dudit di~positif
agissant sur des moyens de réglage de la section d'entrée de la busette pour
modiPier ladite section d'entrée et par conséquent la perte de charge, et
ainsi le débit de la busette.
En fonctionnement~ l'embouchure des busettes se trouve en position fixe
~ l'intérieur de la lingoti~re, et peut ~tre soit i ergée dans le métal fon-
du, soit ~merg~e au-dessus de la sur~ace libre du m~tal fondu contenu dans la
lingotière de manière ~ fournir un jet de coulée vertical. Le montage à poste
fixe des busettes est con~u par exemple par les brevets britanniques
n 1 083 262 et 1 157 818 et le brevet fran,cais n 1 509 266.
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Il est également connu de protéger la surface libre du métal fondu et le
jet de coulée issu d'une busette émergée par un gaz liquéfié non oxydant a
l'égard du métal coulé, de manière à éviter l'oxydation du métal coulé et la
formation d'inclusions. Le brevet fran~ais n 2 403 849 décrit un mode de
S réalisation d'une telle protection.
Ces procédés et installations connus de coulée continue d'ébauches min-
ces présentent quelques inconvénients. Dans le cas de la coulée avec busette
émergée, le jet de métal délivré par l'orifice calibré de celle-ci tend d'au-
tant plus à perdre de sa cohésion,et de ce fait tend à s'écarter de la tra-
jectoire théorique définie par un cylindre ayant une section très voisine decelle de l'orifice calibré qui a formé ledit jet, que la hauteur de ce
dernier est grande, ce qui nuit à l'homogénéité métallurgique de l'ébauche
notamment lorsque celle-ci est mince.
De plus, il est connu que, dans ce type de coulée, le métal ne remplit
pas totalement le tube de coulée et par dépression produit un effet de pompe
qui aspire l'air ambiant, et donc l'oxygène, par la porosité du tube réfrac-
taire, provoquant ainsi l'oxydation du métal liquide.
En conséquence, dans les installations courantes de coulée continue, la
disposition de busette la plus fréquente est du type "busette immergée", ce
qui ~vite d'avoir à protéger le jet issu de la busette comme indiqué ci-
dessus. Dans ce cas, il est connu que, même dans la coulée de produits de
grande section, le métal a tendance à se solidifier au niveau de sa surface
libre en lingotière, risquant de créer ainsi des ponts de solidification
gênants entre l'extrémit~é immergée de la busette et les parois de la lingo-
tière.
De plus, la durée de vie de la busette est alors limitée par l'érosionqu'elle subit au niveau du ménisque.
Dans le cas de la coulée continue des ébauches ou brames minces,
l'épaisseur de la chambre de coulée de la lingotière étant très faible par
rapport à sa dimension transversale, c'est-h-dire sa largeur, les parois de
la lingotière sont très proches de la ou des busettes, et le risque de forma-
tion des ponts de solidification est d'autant plus grand. D'autre part, et en
fonction de la forme des orifices de la busette, des courants préf~rentiels
de circulation du m~tal liquide se créent et pour certaines dispositions, il
risque de se former une concentration d'inclusions dans certaines zones et
notammentSO~s le tube de coulée.
La pr~sente invention a pour but de pallier de tels inconvénients et
d'améliorer la qualit~l m~tallurgique de~ ébauches minces obtenues par coulée
continue,
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Le but est atteint selon l'invention, par le fait que dans le procédé
ci-dessus mentionné, on maintient l'extrémité inférieure de la busette à une
distance prédétermin~e constante au-dessus de la surface libre du métal fondu
et contenu dans la lingotière par déplacement vertical du distributeur en
fonction des variations du niveau du métal fondu contenu dans la lingotière
par rapport à un niveau fixe de référence, tout en maintenant ladite extrémi-
té inférieure de la busette à l'intérieur de la lingotière,et on fait subir
au jet de coulée un mouvement horizontal de balayage,parallèlement aux gran-
des pArois de la lingotière, par un déplacement correspondant de la busette,
et du tube et du distributeur qui lui sont solidaires.
Grâce à cette disposition, la hauteur libre du jet sortant de la busette
reste constante et aussi ~aible que possible quel que soit le niveau du métal
fondu dans la lingotière, de sorte que l'effet de brassage provoqué par le
jet de métal fondu dans le métal de l'ébauche en cours de solidification est
toujours homogène.
Les différentes portions des parois de grande dimension de la lingotière
situées au voisinage de la surface libre du métal en lingotière et la dite
surface sont successivement balayées par le jet de coulée. Ceci contribue
également à un brassage homogène du métal en fusion dans la partie supérieure
de l'ébauche en cours de solidification, évite les irrégularités de solidifi-
cation et surtout,en combinaison avec le fait que l'extrémité de la busette
est émergée, évite la formation des ponts de solidification.
Le métal liquide qui entre dans le distributeur doit être de bonne qua-
lité et il convient de ne pas l'altérer.
A cet effet et selon une particularité de l'invention, on entoure le
tube de coulée, la busette et le jet de coulée par une couche de gaz liqué-
fié, non oxydant à l'égard du métal coulé, qui s'écoule le long dudit tube de
coulée et le long de ladite busette, et on en recouvre la surface libre du
métal fondu et contenu dans la lingotière sur une hauteur au moins ~gAle à la
di~tance séparant l'e~trémité inférieure de ladite busette et ladite surface
libre de métal.
On peut ménager ~utour du tube de coul~e et de la busette, à l'aide d'un
manchon appropri~ fi~é au distributeur, une chambre annulaire communiquant
avec une ~iource de gaz liquéfié et débouchant au-dessus ~e la surface libre
du métal fondu et contenu dans la lingotibre par un orifice annulaire, et on
fait circuler ledit gaz liquéfi~ dans ladite chambre annulaire, ledit gaz
liquéfié s'écoulant par ledit orifice annulaire au-dessus de ladite surface
libre de métal.
Le gaz neutre liqu~fié protège ainsi le jet de coulée et le métal de la
lingotière contre toute oxydation par l'oxygène de l'air. De plu~ tan-
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chéité du tube de coul~e est complétée par le mAnchon et le gaz liquéfié con-
tenu dsns l'espace annulaire. L'isolation thermique constituée par le gaz et
le manchon contribue à conserver le tube de coulée à une température aussi
élevée que possible, ce qui contrarie le clépôt d'oxydes, tels que l'alumine,
qui, dans les dispositifs connus, est cause de 1' obturation du tube. Une
subst~nce présentant un pouvoir réfléchissant élevé vis-à-vis du rayonnement
~mis par le métal, peut être incorporée au ~az liqu~fi~. Le tube et la buset-
te sont alors isolés thermiquement afin de! ne pas modifier la température du
métal liquide qui les traverse.
Le gaz liquéfié de la chambre annulaire peut être avantageusement main-
tenu à une pression voisine de la pression ferrostatique moyenne existant
dans le tube de coulée, suppri~ant au moins en partie les contraintes radia-
les dans le tube dues à la pression ferrostatique, et améliorant par le fait
la durée de la vie du tube et de la busette.
~a présente invention concerne également un ensemble d'alimentation
d'une lingotière étroite du type comportant un distributeur de métal fondu
disposé au dessus de la lingotière et muni d'un tube de coulée, à l'extrémité
inférieure duquel est fixée une busette, et d'une quenouille disposée au-
dessus de l'orifice du tube de coulée et destinée à régler le débit de métal
dans le tube de coulée, et comportant un dispositif de mesure et de régula-
tion du niveau du métal fondu dans la lingotière, couplé avec ladite que-
nouille, l'extrémité inférieure de ladite busette pénétrant à l'intérieur de
la lingotière et étant maintenue au niveau de la surface libre du métal fondu
contenu dans la lingotière, ensemble pr~w notamment pour la mise en oeuvre
du procédé de l'invention~caractérisé en ce qu'il comprend des moysns permet-
tant de déplacer verticalement le distributeur en fonction du niveau de métal
dsns la lingotière et des moyens de déplacer latéralement le distributeur
dans un mouvement horizontal de balayage parallèlement aux grandes parois de
la lingotière.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description qui suit faite en ré~érence aux dessins annexés
dans lesquels :
- la figure 1 représente une coupe longitudinale de la partie haute
d'une installation de coulée continue d'~b~uches mince~ pour mettre en oeuvre
le procéd~ selon l'invention, selon la ligne I-I de la figure 2 ;
- la figure 2 est une coupe transvers&le de la m~me installation, selon
la ligne II-II de la figure 1
- la figure 3 est un sch~ma de principe m~ntrant les dispositifs de
r~gulation en h~uteur du distributeur en fonction du niveau du métal dan~ la
lingotière ;
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- la figure 4 montre le distributeur dans sa position moyenne lors de
son déplacement latéral ;
- la figure 5 montre le distributeur dans l'une des positions extr8mes
de son déplacement latéral ; et,
- la figure 6 est un diagramme montrant les points d'impact des jets de
coulée sur la partie de l'ébauche mince située dans la lingotiere après deux
aller et retour du distributeur.
On a désigné par 1 l'installation d'allmentation d'une lingotière étroi-
te 2 destinée à la production d'ébauches minces 3. L'installation d'alimenta-
tion 1 comprend un distributeur 4 ou répartiteur contenant un bain d'acier en
fusion et présentant un orifice 5 ménagé au travers du fond. Le distribu-
teur ~ alimente de fa~on continue, par un jet de coulée vertical 6, la lingo-
tière 2 à la base de laquelle est retirée également de fa~on continue,
l'ébauche mince 3 partiellement solidifiée. La lingotière 2 peut être soumise
à des oscillations verticales. Le jet de coulée vertical 6 est issu de l'ori-
fice 7 d'une busette 8 fixée à l'extrémité inférieure 9 d'un tube de cou-
lée 10 débouchant à l'orifice 5 au travers du fond du distributeur 4. La par-
tie supérieure 11 de la lingotière 2 est évasée de telle manière que l'extré-
mité inférieure 12 de la busette 8 se trouve dans la lingotière 2 et au-
dessus de la surface libre 13 du métal fondu en lingotière.
Un appareil de mesure 14 de la hauteur de la surface libre 13 du métal
en lingotière fournit des indications à un dispositif de régulation de niveau
en lingotière 15 qui agit sur la quenouille 16 à l'aide d'un vérin 17. ~a
quenouille 16 obture plus ou moins l'orifice 5, créant ainsi une perte de
charge qui modifie la pression ferrostatique dans la busette 8 et par le fait
même, le débit du jet de coulée 6.
Plus précisément le débit d'acier est déterminé par la section de la
busette et la hauteur ferrostatique, c'est-à-dire la hauteur de métal liquide
au-dessus de ladite busette. La quenouille, ou tout autre obturateur adapté,
sert surtout au démarrage et à l'arrêt de la coulée. Ici la quenouille permet
en plus de moduler le débit de la busette, dans une proportion toutefois fai-
ble, en creant une perte de charge qui s'ajoute, par rapport ~ la pression
ferrostatique, ~ la perte de charge créée par la busette.
Le distributeur 4 est porté par un ensemble de vérins 18 et la hauteur
du di~tributeur 4 est r~gulée par un di~positif de régulation de hauteur 19
agis~ant ~ur les vérins 18 et couplé en continu au dispositif de régulation
de niveau en lingotière 15 de telle maniare que la hauteur du jet de cou-
lée 6, autrement dit l~ distance séparant l'orifice 7 de la busette 8 de la
surface llbre 13 du mét~l en lingoti~re, soit constante quel que ~oit le
niveau du métal fondu d~ns la lingotière 2.
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Le nombre de jets de coulée 6 est fonction de la plus grande dimension
de la lingotière ~. A titre d'exemple une ébauche de 1600 mm par 50 mm néces-
site trois jets de coulée déversés par des busettes 8 alignées et régulière-
ment espacées entre les parois de plus grande dimension 20 et 21 de la lingo-
tière 2.
Le diqtributeur 4 est monté mobile horizontalement dans un mouvement de
va-et-vient dans une direction parallèle aux grandes parois 20 et 21 de la
lingotière 2. A cet effet~ les vérins 18 portant le distributeur 4 sont fixés
sur un support 22 qui est déplacé sous l'action d'un organe de commande non
représenté, dans un mouvement de va-et-vient dans le sens de la plus grande
dimension de la lingoti~re 2, de telle manière que les busettes 8 situées
près des extrémités latérales de la lingotière 2 alternativement se rappro-
chent et s'éloignent des extrémités correspondantes de la lingotière 2. La
durée d'un déplacement latéral du distributeur 4 est environ égale au quart
du temps mis par l'ébauche 3 pour traverser la lingotière 2.
A titre d'exemple, pour la coulée d'une ébauche de 1600 m~ x 50 mm avec
un débit 2,8 m/mn dans une lingotière ayant une hauteur active de 1 m et qui
donne une épaisseur de peau de 12 mm en sortie, la course de déplacement du
distributeur 4 est de 510 mm, et le déplacement est réalisé en 5,36 s, ce qui
donne une vitesse de translation de 5,7 m/mn, qui, du point de vue mécanique
est très lente.
La ~igure 6 donne un exemple du balayage du point d'impact A d'un jet de
coulée 6 représenté par une flèche à travers l'ébauche 3 en fonction de
l'avancement de l'ébauche qui est proportionnel au temps. Le ménisque M0
définit une tranche de l'ébauche 3 qui progresse dans la lingotière 3 et qui
se trouve en position M2 au milieu de la hauteur de la lingotière lorsque le
jet de coulée 6 a fait un déplacement latéral complet, aller et retour, dans
la lingotière. Au point A2 soit à 50 cm du point A0, la solidification de la
peau a progressé en ~paisseur de 9 mm et il reste un coeur liquide de l'ordre
de 32 mm entre les deux grandes faces de l'ébauche 3. Le déplacement latéral
des jets de coulée 6 modifie les courants de métal en fusion selon la posi-
tion latérale des jets de coulée 6, provoquant ainsi un brassage du coeur
liquide de l'~bauche 3 et évitant les irrégularités de solidification de la
peau,
~e tube de coulée 10 est fabriqué en une seule pièce dans un matériau
réfractaire et le conduit intérieur du tube, évasé dans la partie haute ne
possède pas de discontinuité entre ses deux extr~mités et le conduit inté-
rieur de la busette 8 est ~galement ~vasé à sa partie sup~rieure, de telle
manière que, en fonctionne~ent le tube de coulée 10 et la busette 8 sont rem~
plis de métal liquide sous la pression ferrostatique. Le débit de la busette
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8 est fonction de la section de l'orifice 7 et de la pression ferrost~tique.
A titre indicatif avec une busette ayant un diamètre de 19 mm et une longueur
de 140 mm fixée à un tube de coulée ayant un diamètre de 50 m~ et une lon-
gueur de 650 mm, le débit en acier est de 600 kg par minute.
Il est important que l'air ne pénètre p~s dans la busette, car l'air a
trois effets néfastes, l'un sur la qualité métallique de l'ébauche, l'autre
sur la production d'oxydes dans la busette qui tendent à réduire la section
de l'orifice 7, et enfin, dans une certaine mesure, il refroidit le tube.
Pour éyiter ces inconvénients, déjà fortement diminués par la forme don-
née au tube de coulée 10 et à la busette 8, le tube de coul~e 10 est entouré
par un manchon 25 de forme générale cylindrique qui est fixé de fa~on étanche
sur la face inférieure 26 de la cuve du distributeur 4. Le diamètre interne
du manchon 25 est supérieur au diamètre externe du tube de coulée 10, de
manière à ménager une chambre annulaire 27 entre le manchon 25 et le tube de
coul~e 10. Le manchon 25 possède dans sa partie supérieure 28, un orifice 29
communiquant avec une source de gaz neutre liquéfié non représentée sur le
dessin.
L'extrémité inférieure 9 du tube 10 a une forme effilée ou tronc,onique
et l'extrémité inférieure 30 du manchon 25 a une paroi interne 31 ayant une
forme conique adaptée à la paroi externe de l'extrémité inférieure 9 du tube
de coulée, de telle manière que la chambre annulaire 27 débouche près de la
pointe inférieure du tube 10 par une ouverture annulaire 32 située autour de
la busette 8.
A l'extrémité inférieure 30 du manchon 25, sont formés deux prolonge-
ments 33 diamétralement opposés par rapport à la busette 8. Les prolonge-
ments 33 s'étendent ver~icalement à une petite distance de la busette 8 et se
trouvent entre les parois de grande dimension 20 et 21 de la lingotière 2, et
leurs pointes inférieures 34 se trouvent à peu près au même niveau que le
niveau de l'orifice 7 de la busette 8.
~insi 9 l'ouverture annulaire 32 de la chambre annulaire 27 débouche au-
dessus de la surface libre du métal en lingotière 13, et au-dessus des por-
tions de paroi 35 de 1Q lingotibre situées au voisinage de la busette 8.
On fait circuler dans la chambre annulaire 27 un gaz neutre liquéfié,
par exemple de l'azote liquide ~ -196C, de préférence sous pression de
manière ~ équilibrer la pression ferrostatique d l'intérieur du tube de cou-
lée 10. Le gaz liqu~ié remplit la chambre 27 et s'écoule par l'ouverture
annulaire 32 soit sur les portionsi de paroi 35 de la lin~oti~re, soit direc-
tement le long des deux prolongements 33 du manchon 25 pour enfin recouvrir
l~ surface libre 13 du mtal en lingoti~re sur une épaisseur telle que le jet
de coul~e 6 soit entièrement immergé dans la couche de gaæ liqu~fié.
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Le métal fondu de la lingotière et le jet de coulée 6 sont ainsi inté-
gralement protég~s de l'oxygène de l'air. De plus, la busette 8 et la partie
inférieure du tube de coulée 10 sont totalement entourées par une couche de
gaz liqué~ié assurant la protection thermique du métal contenu dans le tube -
10 et dans la busette 8 et assurant une étanchéité complémentaire de l'ensem-
ble.
Bien entendu, l'invention est applicable à tous les types d'installa-
tions de coulée continue d'ébauches minces comportant une lingotière étroite,
que les parois de celle-ci soient fixes, ou qu'elles soient soumises à des
oscillations verticales, ou encore qu'elles accompagnent le produit pendant
son extraction. On range dans cette dernière catégorie notamment les instal-
lations dites de "coulée entre cylindres", dans lesquelles la lingotière est
délimitée par les surfaces externes refroidies de deux cylinâres parallèles
en rotation en sens inverses, et par des plaques d'extrémités obturant laté-
ralement l'espace de coulée. Sur ce type d';nstallation, un changement appor-
té à la vitesse de coulée peut se traduire par une hausse ou une baisse sen-
sible du niveau du métal dans la lingotière : il est donc particulièrement
intéressant de maintenir constante la distance entre la busette d'alimenta-
tion et la surface du métal au moyen de l'installation qui vient d'être
décrite.
