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BUSETTE POUR L'INTRODUCTION D'UN METAL LIQUIDE DANS UNE
LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE DES METAUX
L'invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier.
Plus précisément, elle concerne les tubes en matériau réfractaire dits
"busettes" qui,
habituellement, sont connectés par leur extrémité supérieure au récipient
servant de
réservoir de métal liquide, et dont l'extrémité inférieure plonge dans le bain
de métal
liquide contenu dans la lingotière où doit s'amorcer la solidification du
produit
métallique. Le premier rôle de ces busettes est de protéger de l'oxydation
atmosphérique le jet de métal liquide sur son parcours entre le récipient et
la lingotière.
Elles permettent également, grâce à des configurations appropriées de leur
extrémité
inférieure, d'orienter favorablement les écoulements du métal liquide dans la
lingotière
pour que la solidification du produit s'effectue dans les meilleures
conditions possibles.
La coulée peut avoir lieu dans une lingotière devant conférer au produit une
section de forme rectangulaire très allongée, qui le fait désigner
habituellement par
l'expression "produit plat". C'est le cas lorsque, en sidérurgie, on coule
l'acier sous
forme de brames, c'est à dire de produits ayant environ 1 à 2 m de large et
une
épaisseur généralement de l'ordre de 20 cm, mais pouvant descendre jusqu'à
quelques
cm sur certaines installations récentes dites "machines de coulée de brames
minces".
Dans ces exemples, la lingotière est composée de parois fixes énergiquement
refroidies
sur leur face qui n'est pas au contact du métal. On expérimente également des
installations permettant d'obtenir, directement par solidification du métal
liquide, des
bandes d'acier de quelques mm d'épaisseur. Pour ce faire, on utilise des
lingotières dont
l'espace de coulée est délimité sur ses grands côtés par une paire de
cylindres refroidis
intérieurement à axes horizontaux parallèles et tournant autour de ces axes en
sens
inverses, et sur ses petits côtés par des plaques de fermeture (appelées faces
latérales)
en matériau réfractaire appliquées contre les extrémités des cylindres. Les
cylindres
peuvent également être remplacés par des bandes sans fin refroidies.
Dans ces types de lingotière, on considère qu'il est préférable d'orienter les
écoulements du métal liquide de manière privilégiée en direction des petits
côtés de
l'espace de coulée. On cherche ainsi, notamment, à obtenir une homogénéisation
thermique du métal de manière à atténuer les variations de l'épaisseur
solidifiée selon le
périmètre de la lingotière. Cette homogénéisation thérmique et l'agitation du
bain
liquide qu'elle nécessite sont particulièrement cruciales dans le cas de la
coulée de
bandes minces, du fait de l'utilisation des faces latérales en réfractaire. En
effet, si on
n'assurait pas un renouvellement forcé du métal avoisinant ces faces
latérales, ce métal
se refroidirait de manière anormalement intense, et on verrait apparaître des
solidifications de métal indésirables sur les faces latérales.
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Pour obtenir l'homogénéisation désirée, on utilise parfois, notamment en
coulée entre cylindres, des busettes en deux parties (voir le document JP-A-
60021171).
La première partie est composée d'un tube cylindrique dont l'extrémité
supérieure est
connectée à un orifice pratiqué dans le fond du répartiteur qui constitue la
réserve
d'acier liquide alimentant la lingotière, orifice qui est obturable à volonté
par
l'opérateur, partiellement ou totalement, grâce à une quenouille ou un système
à tiroir
assurant la régulation du débit de métal. De la section de cet orifice dépend
le débit
maximal de.métal qui peut s'écouler à l'intérieur de la busette. La deuxième
partie, fixée
à l'extrémité inférieure du tube précédent, par exemple par vissage, est
destinée à être
1o immergée dans le bain de métal liquide présent dans la lingotière. Elle est
composée
d'un élément creux à l'intérieur duquel débouche l'orifice inférieur du tube
cylindrique
précédent. L'espace intérieur de cet élément creux a une forme générale
allongée dans
sa partie terminale et est orienté sensiblement perpendiculairement au tube.
Lorsque la
busette est en service, l'élément creux est placé parallèlement aux grands
côtés de la
lingotière, et le métal liquide s'écoule dans la lingotière par deux orifices
pratiqués à
chacune des extrémités de la partie terminale allongée de l'élément creux, et
appelés
"ouïes".
Lorsqu'un débit d'acier important, de l'ordre par exemple de 60 t/h, circule à
l'intérieur de la busette, la vitesse du métal dans la partie tubulaire
atteint facilement
plusieurs mètres par seconde. Dans ces conditions, on n'observe qu'un
remplissage très
partiel de la section de la partie cylindrique de la busette par le métal
liquide. Ce
mauvais remplissage a plusieurs inconvénients. En premier lieu, par un "effet
de
trompe", il tend à favoriser l'aspiration d'air extérieur par les porosités du
réfractaire et
les éventuels défauts d'étanchéité de la connection entre la busette et le
répartiteur, ce
qui détériore la qualité du métal. D'autre part, surtout lorsque le dispositif
obturant le
fond du répartiteur n'est que partiellement ouvert, l'écoulement du métal est
tournoyant
et irrégulier. Cela conduit à une forte instabilité des courants de métal
sortant des
ouïes, instabilité qui est encore accrue lorsqu'on insuffle un gaz neutre dans
la busette
pour atténuer le premier inconvénient que l'on a cité. On peut ainsi observer
des
dissymétries dans les écoulements qui s'établissent sur les portions droite et
gauche de
la lingotière. Cette instabilité et cette dissymétrie provoquent l'apparition
de vagues à
l'intérieur du bain de métal liquide en lingotière qui font varier en
permanence le niveau
de sa surface, ce qui est très défavorable à la régularité de la
solidification du produit.
Ces vagues font également réagir indûment le dispositif assurant la détection
du niveau
de la surface et la régulation de sa position: il va chercher à compenser ce
qu'il prend
pour des variations du niveau moyen du métal en commandant des modifications
rapides et continues du degré d'ouverture de la quenouille ou du tiroir. Et
ces
modifications incessantes vont, en fait, aggraver les instabilités du niveau
de métal.
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Enfin, les vitesses élevées du métal liquide dans la busette favorisent
l'usure des
matériaux réfractaires qui la constituent, en particulier au point d'impact du
jet sur le
fond de l'élément creux horizontal.
Le but de l'invention est de procurer aux métallurgistes des busettes qui
assurent des conditions d'écoulement du métal dans la lingotière plus calmes
et plus
régulières que les busettes habituellement employées lors de la coulée de
produits
métallurgiques en continu.
A cet effet, l'invention a pour objet une busette pour l'introduction d'un
métal
liquide dans une lingotière de coulée continue des métaux, du type comportant
une
1o première partie tubulaire, dont une extrémité est destinée à être connectée
à un
récipient renfermant ledit métal liquide, et dont l'autre extrémité débouche
dans une
deuxième partie creuse, dont au moins une portion de l'espace intérieur est
orientée
sensiblement perpendiculairement à ladite première partie tubulaire, ladite
portion
comportant à chacune de ses extrémités au moins un orifice destiné à déboucher
dans
l'espace de coulée de ladite lingotière, caractérisée en ce qu'elle comporte
un obstacle
placé sur le parcours du métal liquide à l'intérieur de ladite première partie
tubulaire ou
dans son prolongement, ledit obstacle étant constitué par au moins une pièce
perforée
destinée à dévier le métal de sa trajectoire préférentielle à l'intérieur de
la busette.
Selon une première variante de l'invention, ledit obstacle est constitué par
au
moins une pastille perforée par une multiplicité de trous.
Selon une deuxième variante de l'invention, ledit obstacle est constitué par
une
pièce creuse, munie d'un fond, pénétrant dans l'espace intérieur de ladite
deuxième
partie de la busette, ladite pièce creuse comportant des ouvertures sur sa
paroi latérale.
Dans une forme de réalisation de l'invention, l'espace intérieur de l'ensemble
de
la busette a la forme générale d'un T.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à interposer sur le parcours du
métal liquide un obstacle destiné à contrarier son écoulement naturel, en
déviant
brutalement cet écoulement de sa trajectoire préférentielle théorique et en
réduisant
localement la section de l'espace disponible pour le passage du métal. Cela a
pour effet,
à débit de métal égal, de limiter la vitesse de l'écoulement et d'améliorer le
remplissage
de l'espace intérieur de la busette dans son ensemble. On atténue ainsi les
variations
erratiques dans les conditions de l'écoulement du métal hors de la busette, et
la
symétrie des écoulements dans les moitiés droite et' gauche de la lingotière
et la
régularité dans le temps de ces écoulements sont notablement améliorées.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
donnée
en référence aux figures annexées suivantes:
- la figure la qui schématise, vue en coupe longitudinale, une première
variante de l'invention, où l'obstacle est constitué par un empilement de
pastilles
2 6'
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4
perforées, qui sont elle-mêmes représentées en vue de dessus sur les figures
lb, ic et
l d;
- la figure 2 qui schématise, vue en coupe longitudinale, une seconde variante
de l'invention, où l'obstacle est constitué par une pièce creuse prolongeant
la première
partie tubulaire de la busette et orientant le métal vers les parois latérales
de la
deuxième partie de la busette.
Dans un premier exemple de mise en oruvre de l'invention, représenté sur les
figures la-ld,_la busette 1 est formée, comme dans l'Art Antérieur
précédemment cité,
de deux parties principales en un matériau réfractaire tel que de l'aluniine
graphitée, qui
sont ici assemblées l'une à l'autre par vissage de la première dans la
seconde. La
première partie comprend un tube 2 cylindrique ou sensiblement cylindrique,
dont
l'espace intérieur 3 constitue le chemin de passage du métal liquide. Ce tube
2 est
normalement destiné à être maintenu verticalement. Sa partie supérieure non
représentée est destinée à être connectée à un récipient servant de réservoir
de métal
liquide, tel qu'un répartiteur de coulée continue, au droit d'un orifice par
lequel le métal
liquide peut s'écouler avec un débit que l'opérateur règle au moyen d'une
quenouille ou
d'un dispositif à tiroir. L'extrémité inférieure 4 du tube 2 comporte un
filetage 5 sur sa
paroi externe, et ce filetage 5 permet de l'assembler à la deuxième partie de
la busette
1. Cette deuxième partie est composée d'un élément creux 6 qui, dans l'exemple
décrit
et représenté, a extérieurement la forme d'un T inversé. L'espace intérieur 7
de
l'élément creux 6, lui aussi en forme de T inversé, comporte ainsi une portion
cylindrique 8 prolongeant l'espace intérieur 3 du tube 2. La zone supérieure
de cette
portion cylindrique 8 comporte un évasement 9 dont la paroi est filetée, de
manière à
pouvoir y visser l'extrémité inférieure 4 du tube 2. La portion cylindrique 8
débouche
dans une portion tubulaire 10 qui lui est sensiblement perpendiculaire, de
section
approximativement circulaire, ovale ou rectangulaire. Chaque extrémité de
cette
portion tubulaire 29 comporte un orifice 11, 11' appelé "ouïe", par lequel le
métal
liquide peut s'écouler hors de la busette. Pendant la coulée, ces ouïes 10, 11
sont
destinées à être maintenues en permanence sous la surface du métal liquide
remplissant
l'espace de coulée.
Selon l'invention, la portion cylindrique 8 de l'espace intérieur 7 de
l'élément
creux 6 comporte, à l'intérieur de l'évasement 9 et sous le filetage de sa
paroi, un
logement 12, dans lequel, préalablement à l'assemblage des deux parties 2, 6
de la
busette 1, on peut placer un empilement de trois pastilles en matériau
réfractaire: une
pastille supérieure 13, une pastille intermédiaire 14 et une pastille
inférieure 15. Les
dimensions respectives du logement 12 et des pastilles 13, 14, 15 sont
choisies de telle
manière que, après assemblage de la busette 1, l'extrémité inférieure du tube
2 vienne
en butée contre la pastille supérieure 13. La pastille supérieure 13 comporte
un certain
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nombre de perforations 16, réparties sur la portion de sa surface destinée à
être située à
l'aplomb de l'espace intérieur 3 du tube 2. La pastille intermédiaire 14
comporte une
perforation unique 17 de forme, par exemple, carrée ou circulaire, d'ouverture
au
moins égale à celle de l'espace intérieur 3 du tube 2. Son rôle est, en fait,
celui d'une
5 entretoise servant à séparer les pastilles supérieure 13 et inférieure 15.
Celle-ci
comporte également un certain nombre de perforations 18, qui peuvent être
différentes
en nombre et en dimension des perforations 16 de la pastille supérieure 13.
Mais il est
important, pour l'obtention des résultats recherchés, que les perforations 16
et 18
soient sensiblement décalées les unes par rapport aux autres, de manière à ce
qu'une
lo fraction aussi réduite que possible du métal liquide ait la possibilité
théorique de
franchir l'obstacle constitué par l'ensemble des pastilles 13, 14, 15 sans les
heurter.
Pour une meilleure efficacité de l'obstacle, il est également préférable que
la pastille
supérieure 13 ne comporte pas de perforation en son centre, là où la
probabilité de
présence de métal liquide est la plus importante, de manière à freiner le jet
de coulée
aussi précocément que possible.
De manière générale, la section totale des orifices d'une pastille donnée ne
doit
pas être inférieure à la section de l'orifice de sortie du répartiteur, afin
de garantir que
l'on pourra toujours couler avec un débit maximal de métal aussi élevé qu'en
l'absence
d'obstacle.
Optionnellement, comme il est déjà connu, le fond 19 de l'élément creux 6 est
équipé de perforations 20 appelées "trous de fuite". Ces trous de fuite 20 ont
pour
fonctions habituelles de dévier une partie des écoulements de métal en
direction de la
partie inférieure de la lingotière. Cette déviation limite le débit et la
vitesse de sortie du
métal au niveau des ouïes 11, 11' et évite ainsi que le métal ne vienne
percuter
violemment les petits côtés de la lingotière et y perturber les conditions de
solidification. Dans le cas d'une coulée entre cylindres, cela permet
également d'éviter
une détérioration excessive des faces latérales en réfractaire. D'autre part,
ces trous de
fuite 20 assurent une alimentation régulière en métal chaud de la partie
inférieure de
l'espace de coulée, à l'aplomb de la busette 1: là encore, cela va dans le
sens d'une
meilleure maîtrise des conditions de solidification. L'utilisation d'obstacles
selon
l'invention permet de profiter au maximum des avantages procurés par les trous
de fuite
20, dans la mesure où ces trous de fuite 20 sont d'autant plus efficaces que
les
écoulements à l'intérieur de la busette 1, et en particulier dans l'élément
creux 6, sont
plus réguliers. Cela permet, notamment, d'atténuer l'écoulement préférentiel
du métal
par les trous de fuite 20 qui sont les plus proches de l'axe de la busette.
A titre d'exemple, on peut proposer, pour une busette 1 dont le diamètre
intérieur du tube 2 est de 60 mm, et dont les ouïes 11, 11' de l'élément creux
ont une
section circulaire et un diamètre de 30 mm, d'utiliser un obstacle formé de
trois pastilles
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13, 14, 15 de diamètre extérieur 100 mm et d'épaisseur 25 mm, ayant les
caractéristiques suivantes:
- la pastille supérieure 13 possède huit perforations 16 de diamètre 13 mm,
réparties en deux rangées de trois perforations séparées par une rangée de
deux
perforations;
- la pastille intermédiaire 14 possède une perforation unique 17 ayant une
section carrée de 60 mm de côté, ou une section circulaire de 60 mm de
diamètre;
- la pastille inférieure 15 possède cinq perforations 18 de diamètre 19 mm, à
savoir une perforation centrale entourée par quatre perforations disposées en
carré.
Dans cet exemple, lors de la coulée d'acier liquide, si le métal traverse la
busette 1 avec un débit de 60 t/h, en l'absence d'obstacle il ne remplit que
partiellement
l'espace intérieur du tube 2. Mais l'obstacle que l'on vient de décrire est
suffisant pour
freiner l'écoulement de l'acier liquide de manière à réduire sa vitesse à
environ 1 ni/s, et
à obtenir un bon remplissage du tube 2, ainsi qu'une vitesse de sortie du
métal régulière
et assez sensiblement uniforme sur toute la section des ouïes 11, 11', pour ce
même
débit de métal de 60 t/h. Cela procure une stabilité satisfaisante du niveau
du métal
dans la lingotière lorsqu'on ne modifie pas le débit du métal traversant la
busette 1.
Les pastilles doivent être en un matériau réfractaire tel que de la zircone,
en
tout cas compatible avec la nature du métal coulé pour éviter qu'elles ne
soient
attaquées chimiquement par le métal de manière excessive.
Bien entendu, le type précis d'obstacle à pastilles qui vient d'être décrit
n'est
qu'un exemple non limitatif. On peut imaginer, notamment de n'utiliser qu'une
seule
pastille perforée si cela s'avère suffisant pour obtenir un résultat
acceptable dans des
conditions de coulée usuelles, ou au contraire d'utiliser plus de trois
pastilles pour
accentuer l'effet de freinage du jet de coulée. De même, la présence d'une
pastille
intermédiaire 14 à large perforation unique 17, ne servant donc que
d'entretoise entre
deux pastilles 13, 15 à petites perforations multiples, n'est pas à proprement
parler
obligatoire. Mais elle permet de limiter l'usure de la pastille inférieure 15,
en évitant une
concentration exclusive des écoulements de métal sur les zones pleines de
cette pastille
qui font face aux perforations de la pastille supérieure 13.
Dans un deuxième exemple de mise en uvre de l'invention, représenté sur la
figure 2 (sur laquelle les éléments communs à ceux de la figure la sont
repérés par les
mêmes signes de référence), l'obstacle inséré dans la busette 1 est constitué
par une
pièce tubulaire 21, munie d'un fond 22 à l'une de ses extrémités. A son
extrémité
ouverte, cette pièce tubulaire 21 comporte un épaulement 23 qui peut venir
s'insérer
dans le logement 12 ménagé dans l'élément creux 6 et qui contenait les
pastilles 13, 14,
15 dans l'exemple de mise en oruvre de l'invention précédent. Sur sa paroi
latérale 24,
la pièce tubulaire 21 comporte des perforations 25, 26, 27 qui permettent au
métal
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7
liquide de passer de l'espace intérieur 28 de la pièce tubulaire 21 à l'espace
intérieur 7
de l'élément creux 6, après avoir perdu une grande partie de son énergie
potentielle.
Dans l'exemple représenté sur la figure 2, ces perforations 25, 26, 27 sont au
nombre
de six réparties en trois niveaux sur la hauteur de la pièce tubulaire 21, et
sont de forme
approximativement ovale. Elles permettent préférentiellement d'orienter le
métal liquide
sur la paroi latérale de la portion cylindrique 8 de l'espace intérieur 7 de
l'élément creux
6. De cette manière, le choc du métal contre cette paroi latérale procure une
absorption
d'énergie qui s'ajoute à celle subie à l'intérieur de la pièce tubulaire 21.
De même, pour
obtenir un temps de séjour du métal dans la busette 1 aussi long et uniforme
que
lo possible, il est préférable que, comme représenté, l'orientation de ces
perforations soit
perpendiculaire à l'orientation des ouïes 11, 11'.
A titre d'exemple, une pièce tubulaire 21, dont l'espace intérieur 28 aurait
une
longueur de 84 mm, un diamètre de 30 mm, des perforations 25, 26, 27 de 10x20
mm,
aurait sur la vitesse et la régularité des écoulements de métal une influence
sensiblement comparable à celle des pastilles 13, 14, 15 de l'obstacle décrit
et
représenté sur les figures la à ld, s'il était inséré dans une busette 1
identique.
Bien entendu, les exemples décrits ci-dessus ne sont pas limitatifs. On
pourrait, par exemple, imaginer d'insérer l'obstacle à l'intérieur même du
tube 2, et non
pas simplement dans son prolongement. On pourrait aussi insérer dans la
busette 1 une
pluralité d'obstacles similaires à ceux que l'on a décrits, ou différents dans
leur forme
mais pouvant remplir les mêmes fonctions.
L'invention n'est pas limitée dans son application au domaine de la coulée
continue des produits plats en acier (brames, brames minces, bandes minces),
même si
elle y trouve une application privilégiée. Elle peut être appliquée à bien
d'autres
exemples de busettes de coulée continue de tous métaux en tous formats, pour
lesquelles on souhaite obtenir un ralentissement des écoulements procurant un
meilleur
remplissage de la busette et, partant, une plus grande stabilité des
écoulements du
métal liquide qui en sort.
