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PROCEDE ET INSTALLATION DE COULEE CONTINUE DES METAUX
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 un métal en
fusion dans une lingotière, essentiellement constituée
d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage
pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre ou
plus généralement en alliage de cuivre, sont
énergiquement refroidies par circulation d'eau, et de
l0 laquelle on extrait êgalement en continu un produit déjâ
solidifié extérieurement sur quelques centimètres
d'épaisseur. La solidification progresse ensuite vers
l'axe du produit et s'achève 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 dêcoupé à longueur, puis laminé avant
expédition à la clientèle ou transformation sur place, en
barres, fils, profilés, plaques, tôles, etc..
Les dëfauts de surface ou sous-cutanés des produits
issus de la coulée 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 qualité métallurgique des produits laminés.
Au cours de la coulée, le métal en fusion, amené
dans la lingotière par une busette, forme une pellicule
solide lors de son entrée en contact avec les parois
refroidies de la lingotière. Cette pellicule est
' entraînée vers le bas lors de l'extraction du produit,
par mouvements saccadés au rythme des oscillations
verticales de la lingotiêre, et simultanêment son
épaisseur croît du fait de la poursuite de l'extraction
de chaleur réalisée par les parois de la lingotière. I1 y
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a donc continuellement création d'une nouvelle pellicule
de métal solide au niveau de la surface libre du métal
dans la lingotière, cette pellicule se solidifiant sur
tout le périmêtre de la paroi interne de la lingotière et
constituant un anneau solide susceptible de se contracter
du fait du refroidissement subi lors de sa descente dans
la lingotière.
La contraction de anneau 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 0,1~ de carbone ou
d'acier inoxydable AISI 304.
Cette contraction périmétrique tend à provoquer un
écartement de la peau solidifiée par rapport à la paroi
de la lingotiëre, 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 dans
le produit finalement obtenu.
Pour éviter ou limiter ces défauts, une technique
particulière non encore industrialisée, connue sous le
nom de coulée continue en charge verticale, consiste à
placer au dessus des parois métalliques refroidies de la
lingotière une rehausse en un matériau réfractaire
thermiquement isolant, et à maintenir en cours de coulée
la surface libre du bain métallique au niveau de la dite
rehausse (brevet français n°2000365}. Ainsi le métal en
fusion ne se solidifie pas au contact de la rehausse, la
premiêre peau solidifiée commençant seulement à se former
à partir des arêtes supérieures de la paroi mëtallique
refroidie. Et comme ces arêtes sont situées suffisamment
en dessous de la zone agitée voisine de la surface libre,
la création et la croissance de la peau solide est
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réalisêe en continu toujours au même niveau de la
lingotière, dans un environnement calme au plan
hydrodynamique, lâ où la pression ferrostatique exercée
par la masse de métal liquide située au dessus contrarie
les vélléités de décollement de la premiêre peau
solidifiée contre la paroi froide de la lingotière.
Dans cette derniêre technique, un perfectionnement,
connu par le document EP-A-O 620 062, consiste à injecter
dans la lingotière, au niveau de la dite rehausse et au
moins juste à l'interface entre celle-ci et les parois
métalliques refroidies, un gaz inerte sous pression.
Cette injection de gaz, réalisée par une mince fente
annulaire ménagée entre les dites parois et la rehausse,
forme des jets perpendiculaires aux parois et dirigés
vers le métal liquide, qui cisaillent les éventuelles
peaux solidifiëes qui se seraient formées au contact de
la rehausse réfractaire, de manière à assurer un début de
solidification effectif précisément au niveau du bord
supérieur des parois refroidies.
Si cette technique permet en principe de réduire
l'apparition de certains défauts de surface du produit
fini, elle ne permet cependant pas de résoudre les
problèmes concernant l'adaptation du procédé de coulée
aux différentes familles de nuances d'acier coulables en
continu, pour tenir compte des spêcificités de chacune
quant à leur comportement thermomécanique au moment de la
solidification .
La présente invention a pour but de résoudre ces
problèmes et vise particulièrement à permettre, dans la
technique de la coulée continue en charge verticale, un
contrôle et une adaptation aisée des conditions
d'extraction du flux thermique, notamment dans la zone où
débute la solidification.
Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet
un procédé de coulée continue des métaux selon lequel on
utilise une lingotière comportant des parois métalliques
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énergiquement refroidies surmontées d'une rehausse en
matériau thermiquement isolant, on maintient au cours de
la coulée, la surface libre du métal en fusion contenu
dans la lingotiêre au niveau de la dite rehausse, et on
injecte dans la lingotière, sur tout son pourtour, un gaz
sous pression, au niveau de la dite rehausse et au moins
à l'interface entre celle-ci et les parois refroidies.
Selon l'invention, ce procédé est caractérisé en ce que
le dit gaz injecté est un gaz ou mélange gazeux ayant une
capacité d'expansion thermique ajustable, pour ajuster,
en fonction de la composition de l'alliage métallique
coulé et des conditions de coulée, la densité du flux
thermique extrait du dit alliage métallique dans la zone
où il commence à se solidifier â une valeur prédéterminée
spécifique de l'alliage coulé.
Le procêdé selon l'invention offre ainsi une
possibilité d'adapter aisément selon les besoins la
densité de flux thermique extrait du métal coulé au
niveau où se forme la peau solidifiée, en particulier en
fonction de la composition du dit métal, notamment de la
nuance dans le cas de la coulée d'acier.
Les inventeurs ont en effet constaté, lors d'essai
de coulée réalisés en injectant un gaz inerte, tel que de
l'argon ou de l'hélium, à l'interface entre la rehausse
et les parois métalliques refroidies, que la densité de
flux extrait était fortement influencée par la capacité
d'expansion thermique du gaz. Ainsi, dans le cas de la
coulée d'un acier à 0,8 % de carbone dans une lingotière
dont les parois refz~oidies étaient en réalisées en
alliage de cuivre non revëtu, et avec une vitesse de
coulée de 1,5 mJmn, la densité de flux extrait sur les 40
premiers millimètres à partir du bord supérieur des
parois métalliques était d'environ 5 MW/m2 lorsque la
température de l'argon injecté était d'environ 500°C, et
était seulement de 4,2 ou même 3,2 MWJm2 lorsque la
température de l'argon injecté était d'environ lo0°C.
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Lors d'un autre essai réalisé avec une lingotière dont
les parois refroidies êtaient revêtues sur leur face
supérieure d'une couche de 1,5 mm de nickel, pour la
coulée d'un acier à 0,09 % de carbone et avec une vitesse
a 5 de coulée de 2 m/mn, le flux extrait était de 5,5 MW/m2
pour une température d'argon injecté de 500°C, et de
seulement 3,5 MW/m2 pour une température d'argon de
100°C.
Ces écarts importants de la valeur du flux extrait
ne pouvaient pas s'expliquer par l'influence de la seule
température du gaz sur l'acier coulé, lequel est à une
température de l'ordre de 1600°C dans la partie
supérieure de la lingotière. Une hypothèse formulêe par
les inventeurs est que cet écart résulte d'une part de
l'effet de brassage de l'acier liquide provoqué par le
gaz injecté au voisinage direct de l'arrête supêrieure
des parois métalliques refroidies, où s'initie la
solidification, et d'autre part, et de manière
prépondérante, de l'influence des bulles de gaz formées
juste à la sortie des orifices d'injection. Concernant
cette influence, on peut considérer que les dites bulles
ont, juste avant de passer dans l'acier liquide, une
dimension à peu près uniforme, déterminêe par les
dimensions des orifices d'injection, et cela quelle que
soit la température du gaz injecté. Lorsque ces bulles
arrivent dans l'acier en fusion, leur température passe
quasi instantanément à la température de l'acier. I1 en
résulte une augmentation de volume des bulles par
dilatation du gaz dont elles sont formées. L'expansion
volumique des bulles est d'autant plus forte que la
variation de température est grande. I1 en résulte que,
une fois portées à la température de l'acier en fusion,
les bulles sont d'autant plus grosses que la température
du gaz injecté est faible. Or des bulles plus grosses
formées juste à la sortie des orifices d'injection, et
donc juste au niveau de l'arête supérieure des parois
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refroidies, vont en quelque sorte empêcher l'acier
liquide d'arriver en contact direct avec le bord
supérieur de ces parois, et donc réduire de manière
importante le flux thermique extrait par ces parois,
alors que des bulles plus petites empêcheront moins ce
contact direct, ne réduisant donc que peu le flux
extrait. On notera que l'importance de l'effet de ces
bulles est dû au fait que le flux thermique extrait par
les parois refroidies, en cas d'un contact direct du
métal coulé sur ces dites parois, dêcroît très rapidement
en fonction de la distance verticale à partir de la dite
arête, et que l'effet de barrière thermique des bulles de
gaz se produit essentiellement à proximité directe de la
dite arête, et donc justement dans la zone où le flux
thermique normalement extrait par les parois refroidies
est le plus élevé.
Selon une première variante, pour ajuster la
capacité d'expansion thermique du gaz injecté, on règle
donc la température du dit gaz.
Selon une disposition particulière de l'invention,
la température du gaz injecté est rêglable entre 50 et
600° C, cette plage de réglage permettant de fixer la
température du gaz à une valeur prédéterminée telle que
la densité de flux thermique extrait soit comprise entre
2,5 et 6 MW/m2, fournissant ainsi de larges possibilités
d'adaptation en fonction de la composition de l'alliage
mêtallique coulé et des divers autres paramètres de
coulée.
Préférentiellement, la température du gaz est
réglée en mélangeant dans un rapport volumétrique
déterminé du gaz provenant d'une source chaude à
température sensiblement constante, par exemple à 700°C
avec du gaz provenant d'une source froide également â
température sensiblement constante, par exemple à 20°C.
Le débit total de gaz injecté est la somme des débits de
gaz issus respectivement des deux sources. Le rapport
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entre ces débits permet de faire varier la température du
gaz injectê, tout en permettant de conserver un débit
total sensiblement constant. Pratiquement, en tenant
compte des pertes thermiques inévitables, et avec les
. 5 températures des deux sources mentionnées ci-dessus, on
pourra faire varier la température du gaz injecté entre
50 et 600° C.
Selon une disposition particulière, permettant
notamment de réduire le plus possible les pertes
thermiques, le mélange de gaz est effectué dans une
chambre de mélange située dans les parois de la
lingotière et/ou dans la rehausse, la température du gaz
injecté étant ajustée en réglant les débits des gaz
provenant respectivement des sources chaudes et froides
et introduits dans la dite chambre.
Selon une autre variante, le gaz injecté est un
mélange d'au moins deux gaz constitutifs du mêlange, par
exemple de l'argon et de l'hélium, dont on ajuste la
capacité d'expansion thermique en rêglant les proportions
relatives des dits gaz constitutifs. Dans cette variante,
on utilise le fait que les gaz constitutifs du mélange
ont des propriétés physiques diffêrentes, en particulier
des densités diffêrentes, pour ajuster, en fonction de
leurs proportions relatives, la densité du mélange. De
maniëre similaire à l'effet, décrit précédemment, de
l'influence de l'êcart de température entre le gaz
injecté et celle de l'acier sur l'expansion volumique des
bulles lors de leur arrivée au contact de l'acier en
fusion, des propriétés physiques diffêrentes des gaz
injectés, telles que diffusivité thermique et surtout
masse volumique, influencent, pour un même êcart entre la
température du gaz injecté et celle de l'acier en fusion,
l'expansion des bulles des dits gaz. Dans le cas d'un
mélange d'argon et d'hélium, on notera que la masse
volumique de l'hélium est environ dix fois plus faible
que celle de l'argon. I1 s'ensuit que lorsque des bulles
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de ces deux gaz sont soumises à une même élévation de
température, leur expansion volumique est trés
différente. On comprend alors que l'effet de l'expansion
des bulles d'un mélange de ces gaz, injectê à température
sensiblement homogène, varie en fonction de leur
proportion dans le mélange, et qu'il suffit donc de
régler cette proportion pour ajuster l'intensité du flux
thermique extrait de l'acier coulé par les parois
refroidies de la lingotière.
L'invention a aussi pour objet une installation de
coulêe continue des mëtaux comportant une lingotière dont
les parois sont formées par des parois métalliques
refroidies surmontées par une rehausse en matériau
thermiquement isolant, et des orifices d'injection
débouchant dans la lingotière pour injecter dans la
lingotière un gaz sous pression sous forme de jets
répartis sur le pourtour de la lingotière au niveau de la
rehausse et au moins à l'interface entre la dite rehausse
et la paroi métallique, caractérisée en ce qu'elle
comprend des moyens de fourniture du dit gaz, reliés aux
dit orifices, permettant d'ajuster la capacité
d'expansion thermique du gaz injecté.
Les dits moyens de fourniture de gaz peuvent
comporter des moyens de réglage de la température du gaz
injecté, ou des moyens de réglage de la proportion
relative d'au moins deux gaz constitutifs d'un mêlange
gazeux formant le gaz injecté.
Préférentiellement, en vue de pouvoir régler
aisément la température du gaz injecté ou la proportion
des gaz constituant le mélange injecté, l'installation de
coulée comporte deux sources de gaz reliées â une chambre
de mélange, elle même reliée aux dits orifices, et des
moyens de réglage des débits de gaz provenant
respectivement des dites sources et introduits dans la
chambre de mélange.
Selon une disposition, la chambre de mêlange est
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située à l'extérieur de la lingotière et reliée à un canal
de répartition aménagë dans.la paroi de la lingotière.
Selon une autre disposition, la chambre de mélange
est située dans la paroi de la lingotière. Dans ce cas,
particulièrement adapté au cas du réglage de la
température du gaz injecté, la chambre de mêlange peut
notamment être constituée par une première chambre de
répartition aménagée dans la rehausse et reliée â la
source de gaz chauds et une deuxième chambre de
répartition aménagée dans les parois métalliques et
reliëe à la source froide.
Pour faciliter la réalisation, la chambre de
mélange ou 1e canal de répartition peuvent aussi être
aménagés entiërement dans les parois métalliques
refroidies. Dans ce cas, afin de réduire au minimum le
refroidissement du gaz lors de son passage dans la dite
chambre de mélange ou dans le dit canal, les parois de .
ces derniers peuvent être revêtues d'un matériau
thermiquement isolant.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront
dans la description qui va être faite à titre d'exemple
de deux ~variantea de réalisation d'une installation de
coulée continue en charge verticale d'acier, conformes à
l'invention.
On se reportera aux dessins annexés dans lesquels .
-la figure 1 est une représentation schématique
d'une première variante, montrant la partie'supérieure de
la lingotière en coupe longitudinale partielle,
-la figure 2 illustre une deuxième variante de
réalisation.
Les parois 1 de la lingotiére représentée figure 1
sont constituées de parois mêtalliques 2, en cuivre ou
alliage de cuivre, surmontées d'une rehausse 3 en
matériau réfractaire thermiquement isolant. Les parois
métalliques 2 sont énergiquement refroidies par une
circulation interne d'eau dans des canaux 4, représentés
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schématiquement sur la figure. La rehausse 3 est
constituée d'une partie supérieure 5, d'une hauteur de
200 mm par exemple, en un matériau três isolant et d'une
partie inférieure 6 en un matériau réfractaire
5 êventuellement moins isolant mais présentant une
meilleure résistance mécanique, par exemple le matériau
connu sous la désignation SiAlON, et ayant par exemple
une épaisseur de 20 mm.
Les parois 1 de la lingotière définissent un
10 passage pour le produit coulé, dans lequel l'acier en
fusion 7 est classiquement amené par une busette 8
comportant des ouïes 9 situées à hauteur de la dite
rehausse 3.
La lingotière comporte par ailleurs des orifices
d'injection de gaz, débouchant à la surface intérieure
des parois 1, à l'interface entre la rehausse 3 et la
paroi mêtallique 2, constitués préférentiellement par une
fente continue sur le pourtour de la lingotière, assurant
ainsi une injection régulière de gaz sur tout ce
pourtour.
Cette fente étroite 10 a une hauteur de quelques
dixiëmes de millimètres, par exemple 0,2 mm, déterminée
par une entretoise 11 insérée entre la partie inférieure
6 de la rehausse et la paroi métallique 2, du coté
extérieur des parois. La fente 10 débouche à la surface
intérieure des parois de la lingotière, sur tout le
pourtour de celle-ci.
Un canal de répartition 12 est aménagé dans la
paroi métallique 2, sous forme d'une rainure réalisée sur
la face supérieure de la dite paroi métallique et
communiquant avec la fente 10 sur tout le pourtour de la
lingotière.
L'installation de coulée comporte par ailleurs une
source chaude 13 de gaz inerte, par exemple de l'argon,
chauffé à une température d'environ 700°C par des moyens
de chauffage connus en soi, et une source froide 14 du
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même gaz, maintenu à la température ambiante, par exemple
20°C. Ces deux sources de gaz sont reliées par des
conduits pourvus de vannes de réglage 15, 16 à une
chambre de mélange 17 elle même reliée au canal de
répartition 12.
Lors d'une coulée, le gaz sous pression provenant
de la chambre de mélange 17 se répartit dans le canal 12
et est injecté dans la lingotière par la fente 10. La
température du gaz ainsi injectée peut être réglëe au
moyens des vannes 15 et 16 en agissant sur le rapport des
débits de gaz provenant respectivement de chaque source.
Le canal de rêpartition 12 pourrait également être
réalisé dans la rehausse réfractaire 3, ce qui prêsente
l'avantage de limiter les pertes thermiques du gaz du
fait de la température élevée, de l'ordre de 800°C, de la
dite rehausse. I1 est cependant plus aisê de réaliser
l'usinage du canal de répartition dans la paroi
métallique 2, et dans ce cas, pour limiter le
refroidissement du gaz au contact du métal de la paroi,
dont la température est seulement de l'ordre de 100°C,
les parois du dit canal pourront être revêtues d'un
matériau isolant, tel que du zircone ou du nitrure de
bore.
Dans la variante de réalisation représentée figure
2, en plus de la rainure 12 réalisée dans la paroi
métallique 2, une seconde rainure 22 est réalisée dans la
partie inférieure 6 de la rehausse, en face de la rainure
12 et en communication également avec la fente 10. La
source chaude 13 de gaz est reliée via la vanne 15
directement à cette rainure 22, et la source froide 14
est reliée via la vanne 16 à la rainure 12. Le volume
défini par ces deux rainures constitue à la fois une
chambre de répartition et une chambre de mélange située
entièrement dans la paroi 1 de la lingotière.
L'invention n'est pas limitée aux variantes
décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemple, et en
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particulier la température du gaz injecté pourra être
réglée par d'autres moyens que le mélange de gaz chauds
et froids indiqué ci dessus.
Dans le cas où on utilise un mélange d'argon et
d'hélium dont on ajuste les proportions, on pourra
utiliser par exemple une installation telle que celle
représentée figure 1, en remplaçant respectivement les
sources chaude 13 et froide 14 par des sources d'argon et
d'hêlium, les vannes de réglage 15 et 16 permettant alors
de rêgler les débits respectifs de ces deux gaz qui se
mélangent dans la chambre 17.
