Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02234432 1998-03-18
SOL 95/094
LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE DES METAUX
L'invention concerne la coulée continue des métaux. Plus précisément, elle
concerne les lingotières sans fond à parois énergiquement refroidies dans
lesquelles
s'amorce la solidification du métal liquide coulé sur les machines de coulée
continue.
Les lingotières de coulée continue de brames d'acier (produits de section
rectangulaire et d'épaisseur faible par rapport à leur largeur) sont
constituées par un
assemblage de quatre plaques en un métal bon conducteur de la chaleur, tel que
le
cuivre ou un alliage de cuivre. Elles sont énergiquement refroidies par une
circulation
de fluide de refroidissement (en général de l'eau), et définissent un espace
de coulée
dans lequel le métal liquide est introduit et initie sa solidification contre
les parois
desdites plaques tournées vers l'espace de coulée. L'eau de refroidissement
des plaques
circule dans des canaux verticaux ménagés à l'intérieur des plaques, et cette
circulation
est orientée du bas vers le haut de la lingotière.
Cette configuration présente cependant l'inconvénient que l'eau ne parvient
pas au niveau des zones extrêmes supérieures des plaques. En conséquence, les
extrémités supérieures des plaques sont insuffisamment refroidies pour
accepter d'être
en contact avec le métal liquide à solidifier. Il faut donc veiller à
maintenir la surface
(dite "ménisque") du métal liquide présent dans la lingotière à un niveau
suffisamment
bas pour que la solidification du produit puisse encore s'amorcer dans des
conditions
satisfaisantes et sans dégradation de la lingotière. On ne peut donc profiter
de
l'ensemble de la hauteur de la plaque pour exécuter la solidification du métal
avec toute
l'efficacité qui serait souhaitable.
Cet inconvénient est surtout sensible dans le cas où la lingotière telle qu'on
vient de la décrire est utilisée sur une installation du type dit de "coulée
continue en
charge". Sur ces installations, la partie métallique refroidie de la
lingotière est, de plus,
surmontée par une réhausse en matériau réfractaire qui prolonge vers le haut
l'espace
de coulée. La fonction de cette réhausse est de créer une réserve de métal
liquide au-
dessus de la partie métallique de la lingotière qui assume toujours seule la
solidification
du produit. Le ménisque est ainsi reporté à l'intérieur de la réhausse, et
cela présente
plusieurs avantages, qui sont notamment les suivants :
- le niveau où s'initie la solidification est fixé en permanence à l'extrémité
supérieure des plaques métalliques de la lingotière, et n'est plus dépendant
des
fluctuations du niveau du ménisque, inévitables sur les machines classiques ;
- l'extrémité de la busette qui alimente la lingotière en acier liquide est,
elle
aussi, maintenue à l'intérieur de la réhausse, et les turbulences liées à
l'arrivée de l'acier
ont ainsi le temps de s'amortir avant que l'acier ne parvienne à l'extrémité
supérieure
des plaques.
CA 02234432 2007-11-09
2.
Ces avantages conduisent tous deux à l'établissement d'écoulements
relativement calmes du métal liquide au niveau où s'amorce sa solidification,
ce qui
contribue à une bonne qualité du produit solidifié, notamment à la régularité
de sa
surface. Cependant, pour en profiter pleinement, il faudrait que la capacité
de
refroidissement de la lingotière dans la partie supérieure des plaques
métalliques soit
optimale pour que la solidification s'initie de manière la plus franche
possible. Or,
comme on l'a dit, ce n'est pas le cas du fait que classiquement, l'eau de
refroidissement
ne parvient pas dans cette zone de la lingotière. Il y a donc risque d'une
surchauffe et
d'une dégradation rapide de la partie supérieure des plaques si une lingotière
de ce type
classique est utilisée avec une réhausse réfractaire.
Le but de l'invention est de proposer une configuration de lingotière de
coulée
continue de produits métalliques, notamment en acier, qui présente dans sa
partie
supérieure une capacité de solidification et de refroidissement du métal
liquide
sensiblement accrue par rapport aux lingotières classiquement utilisées. Cette
configuration de lingotière serait particulièrement adaptée pour constituer la
partie
métallique refroidie d'une installation de coulée continue en charge de brames
d'acier.
A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière de coulée continue des
métaux, du type constitué par un assemblage de quatre plaques métalliques
comportant
des canaux ménagés dans leur intérieur, orientés verticalement et destinés à y
faire
circuler un fluide de refroidissement, caractérisée en ce qu'au moins deux
desdites
plaques comportent dans l'intérieur de leur partie supérieure un ou des canaux
horizontaux de circulation de fluide de refroidissement indépendants desdits
canaux
orientés verticalement, lesdits canaux orientés verticalement s'arrêtant en-
dessous de
ladite partie supérieure.
Selon une variante de l'invention, la lingotière est une lingotière de coulée
continue de brames d'acier comportant deux grandes plaques et deux petites
plaques, et
au moins les grandes plaques comportent dans l'intérieur de leur partie
supérieure un
ou des canaux horizontaux de circulation de fluide de refroidissement
indépendants
desdits canaux orientés verticalement, lesdits canaux orientés verticalement
s'arrêtant
en-dessous de ladite partie supérieure.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste à prévoir pour la partie
supérieure d'au moins deux plaques de la lingotière (les grandes plaques pour
une
lingotière de coulée continue de brames) un circuit de refroidissement
indépendant, à
l'intérieur duquel l'eau de refroidissement circule horizontalement. Cette
circulation
s'effectue généralement du centre vers les bords de la plaque.
CA 02234432 2007-11-09
2a
Selon un aspect de la présente invention il est prévu un procédé de lingotière
de
coulée continue de brames d'acier du type constitué par un assemblage de
quatre plaques
métalliques, dont deux grandes (13) et deux petites (14) comportant chacune
des canaux
ménagés dans leur intérieur, orientés verticalement et destinés à y faire
circuler un fluide
de refroidissement, caractérisée en ce qu'au moins lesdites grandes plaques
(13)
comportent en outre chacune dans leur partie supérieure deux canaux
horizontaux (6a,
6b) de circulation de fluide de refroidissement, indépendants desdits canaux
orientés
verticalement, lesdits canaux orientés verticalement s'arrêtant en dessous de
ladite partie
supérieure, lesdits canaux horizontaux (6a, 6b) étant séparés l'un de l'autre
par une
cloison (7) et dont les orifices d'entrée respectifs (8a, 8b) sont tous deux
placés au
voisinage immédiat du plan médian de ladite grand plaque (13) et dont les
orifices de
sortie respectifs (8'a, 8'b) sont placés chacun sur un côté (9) ou au
voisinage immédiat
d'un des côtés de ladite grand plaque (13).
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
donnée en
référence aux figures annexées suivantes :
CA 02234432 1998-03-18
3
- la figure 1 qui montre, vu en perspective, un exemple de plaque destinée à
une lingotière selon l'invention ;
- la figure 2 qui représente, vue en perspective, une lingotière de coulée
continue en charge de brames selon l'invention.
La figure 1 représente la partie supérieure d'une plaque métallique 1 en
cuivre
ou alliage de cuivre pouvant constituer une face d'une lingotière de coulée
continue de
brames d'acier selon l'invention. Sa face interne 2 (orientée vers l'arrière
du plan de la
figure 1) est destinée à être tournée vers l'espace de coulée, et donc à
entrer en contact
avec le métal liquide pour le solidifier et le refroidir. Sa face externe 3
est pourvue de
lo rainures verticales (non représentées) à l'intérieur desquelles circule de
bas en haut l'eau
de refroidissement selon les directions indiquées par les flèches 4. Un
chemisage (non
représenté), pourvu d'orifices d'arrivée et de sortie de l'eau, complète le
circuit de
canalisation de l'eau de refroidissement, à moins que les rainures et les
orifices d'entrée
et de sortie de l'eau ne soient ménagés dans la plaque 1 elle-même.
Selon l'invention, lesdits canaux orientés verticalement s'arrêtent en-dessous
de ladite partie supérieure la plaque 1. Celle-ci comporte dans sa partie
supérieure des
moyens, indépendants des précédents, pour y faire circuler de l'eau de
refroidissement
selon une direction non plus verticale mais horizontale, et assurant une
distribution de
cette eau du centre vers les bords de la plaque 1. A cet effet, dans l'exemple
représenté
sur la figure 1, la plaque 1 présente dans sa partie supérieure un renflement
5 tourné
vers sa face externe 3, et à l'intérieur duquel sont ménagés deux canaux 6a,
6b
horizontaux parallèles à la face interne 2 de la plaque 1. Ces canaux 6a, 6b
sont
juxtaposés et séparés par une cloison 7 de faible épaisseur. Chacun d'entre
eux est
alimenté en eau par un orifice d'entrée 8a, 8b débouchant sur la face externe
du
renflement 5 et placé au voisinage immédiat du plan médian de la plaque 1. De
même,
ils comportent chacun un orifice de sortie de l'eau 8'a, 8'b débouchant chacun
sur une
face latérale 9, 9' de la plaque 1. L'eau de refroidissement circule donc
horizontalement
du centre vers les bords de la plaque 1 à l'intérieur des canaux 6a, 6b.
Prévoir des
circuits de refroidissement indépendants pour chaque moitié de la plaque 1 en
partant
du centre vers ses bords permet d'assurer la symétrie de l'intensité du
refroidissement
sur les deux moitiés de la partie supérieure de la plaque 1.
En variante, il est possible de supprimer la cloison 7 et de ne prévoir qu'un
seul orifice d'arrivée d'eau pour l'ensemble de la plaque 1, placé sur son
plan médian.
Cette solution est acceptable surtout pour les "petites plaques" constituant
les petits
côtés de la lingotière, dont la largeur est de l'ordre de 20 cm (contre 1 à 2
m pour les
"grandes plaques" constituant les grands côtés de la lingotière), et pour
lesquelles il ne
risque guère de se poser de problèmes de symétrie de la répartition de l'eau
et de ses
écoulements par rapport au plan médian de la plaque. D'autre part, vu la
faible
CA 02234432 1998-03-18
4
longueur des petites plaques, il est aussi acceptable que le fluide de
refroidissement y
entre à une de leurs extrémités et en ressorte à l'autre extrémité au lieu d'y
être
introduit de manière centrale. En effet, dans certains cas le réchauffement du
fluide
entre l'entrée et la sortie de la petite plaque ne sera pas suffisant pour
poser de sérieux
problèmes de symétrie dans la solidification et le refroidissement du produit
sur la
largeur de la petite plaque.
Les canaux 6a, 6b ont, par exemple, une hauteur "h" de 40 à 60 mm, et une
largeur "e" qui, de préférence, ne dépasse pas 10 mm pour que le régime
d'écoulement
de l'eau ne soit pas trop turbulent. Des turbulences trop importantes
détérioreraient la
qualité des échanges thermiques entre l'eau et la face interne 2 de la plaque
1.
L'invention permet, comme on l'a dit, d'assurer au niveau du ménisque du
métal liquide présent dans la lingotière un refroidissement intense, même si
ce ménisque
est maintenu à un niveau proche des bords supérieurs des plaques métalliques
refroidies
1 de la lingotière. La solidification du produit peut ainsi s'amorcer plus
franchement
qu'avec les lingotières habituelles. De plus, en agissant sur le débit d'eau
de
refroidissement, on peut si nécessaire moduler de manière sensible
l'extraction de
chaleur entre le centre et les extrémités de la plaque 1 et agir ainsi sur le
gradient de
vitesse de solidification et de refroidissement entre le centre et les bords
de la plaque 1.
On viserait ainsi, si nécessaire, à régulariser l'épaisseur de métal solidifié
sur la largeur
de la plaque 1.
L'invention peut, en particulier, trouver une application privilégiée au cas
des
lingotières de coulée continue en charge de brames, comme représenté
schématiquement sur la figure 2. La lingotière est ici composée de deux
parties
superposées définissant en leur intérieur un espace de coulée 10 de section
transversale
rectangulaire :
- une partie métallique 11 en cuivre ou alliage de cuivre, composée de
l'assemblage de quatre plaques selon l'invention, similaires à celles qui ont
été
précédemment décrites et représentées sur la figure 1;
- une partie en matériau réfractaire 12, dite "réhausse", qui prolonge la
partie
métallique 11, dont les fonctions ont été exposées dans le préambule de la
description.
La partie métallique 11 résulte de l'assemblage de deux grandes plaques (dont
l'une 13 est seule visible sur la figure 2) et de deux petites plaques (dont
l'une 14 est
seule visible sur la figure 2). Les grandes plaques sont similaires à celle
représentée sur
la figure 1, à ceci près que les orifices de sortie 15, 15' de l'eau de
refroidissement
débouchent sur la face externe de la grande plaque, au voisinage immédiat de
ses côtés
et non sur ses côtés eux-mêmes. Par ailleurs, elles comportent chacune deux
canaux de
circulation de l'eau, et donc deux orifices distincts 16, 16' d'entrée de
l'eau. En
revanche, dans l'exemple représenté sur la figure 2 (qui, de ce point de vue,
n'est pas
CA 02234432 1998-03-18
limitatif), les petites plaques 14, si elles comportent deux orifices 17, 17'
de sortie de
l'eau, ne comportent chacune qu'un seul canal de refroidissement s'étendant
sur toute sa
largeur, donc un seul orifice 18 d'entrée de l'eau situé dans le plan médian
de la petite
plaque 14. Comme on l'a dit, du fait de la faible largeur des petites plaques
(20 cm
5 environ), une hétérogénéité de la répartition droite/gauche de l'eau de
refroidissement
n'est guère à craindre, et cette configuration donne ici un résultat tout à
fait acceptable.
En-dessous de leur partie supérieure qui comporte les organes de
refroidissement que l'on vient de décrire, les plaques 13, 14 de la partie
métallique 11
de la lingotière sont refroidies de manière conventionnelle.
Sur la figure 2, on a aussi représenté la busette 19 en matériau réfractaire
qui
alimente la lingotière en métal liquide à partir d'un récipient (non
représenté) auquel
son extrémité supérieure est connectée. Comme c'est habituel en coulée
continue en
charge, l'extrémité inférieure de la busette 19 est maintenue à l'intérieur de
la partie en
réfractaire 12. Dans l'exemple représenté, le métal pénètre dans l'espace de
coulée par
deux ouïes 20, 20' opposées qui traversent l'extrémité inférieure de la paroi
de la
busette 19 et sont orientées chacune vers un petit côté de l'espace de
coulée,.
Grâce à l'invention, le métal liquide peut subir un refroidissement très
intense
dès qu'il entre en contact avec la partie métallique 11 de la lingotière, et
cela permet un
franc amorçage de la solidification dès ce niveau, qui contribue à une bonne
qualité de
surface du produit coulé. De plus, on évite ainsi une surchauffe de la zone
supérieure
de la partie métallique 11 de la lingotière.
En variante, on peut prévoir pour la coulée continue classique que seules les
grandes plaques de la lingotière comportent des canaux de refroidissement
horizontaux
dans leur partie supérieure, les petites plaques ayant un circuit de
refroidissement de
conception classique par canaux verticaux uniquement. En coulée continue en
charge,
cette solution ne serait pas acceptable, car elle conduirait à des problèmes
de dilatations
différentielles entre les différentes parties de la lingotière et de la
réhausse qui
compromettraient la bonne tenue de l'ensemble, celui-ci devant être refroidi
de manière
homogène sur tout son périmètre.
On peut également imaginer d'adapter le principe de la lingotière selon
l'invention à la coulée continue de produits métalliques se distinguant des
brames
d'acier par leur format et/ou leur composition.
