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Lingotière de Coulée Continue en Charge Verticale des métaux.
La présente invention concerne la Coulée Continue en Charge
Verticale des métaux, notamment de l'acier.
II est connu que la Coulée Continue en Charge Verticale se distingue
essentiellement de la Coulée Continue Verticale Classique par le fait que le
corps de lingotière refroidi (généralement en cuivre ou en alliage de cuivre)
assurant la solidification périphérique du métal coulé, est surmonté par une
rehausse en matériau réfractaire contenant une réserve de métal en fusion
io maintenu à l'état liquide (FR-A-2 000 365). De cette manière, l'endroit,
dans le corps en cuivre, où commence la solidification du métal coulé est
découplé de celui où se situe la surface fibre du métal en fusion dans la
rehausse, alors qu'ils sont quasiment confondus en Coulée Continue
Verticale Classique.
t5 On vise ainsi à pouvoir couler des produits de bonne qualité avec des
vitesses d'extraction élevées, car la zone de solidification n'est plus
perturbée par les habituelles turbulences d'écoulement du métal arrivant en
lingotière, qui sont alors confinées dans le volume tampon au sein de la
rehausse.
2o II est également connu d'effectuer un balayage au gaz inerte, de
l'argon par exemple, par injection de gaz perdu à l'interface entre le corps
de lingotière et la rehausse. Une telle disposition est, par exemple, décrite
dans la Demande de Brevet EP-A-620 062 au nom du Demandeur. Ce
balayage est destiné à briser le voile de solidification parasite peu
25 homogène qui a tendance à se former par contact du métal en fusion avec
la paroi de la rehausse réfractaire. De cette manière, on crée des conditions
favorables au démarrage d'une solidification franche et régulière du métal
coulé toujours au même endroit de la lingotière, à savoir au niveau de
l'arëte supérieure du corps métallique refroidi à la limite de la rehausse.
so Le Document précité décrit une technologie d'injection montrée sur
la figure 1 jointe. Pour l'essentiel, il s'agit d'une fente annulaire (8),
continue, ou segmentée, débouchant à la périphérie intérieure de la
lingotière. La fente de balayage !8) est parcourue par un courant d'argon
perdu à partir d'une chambre de répartition annulaire (13) ménagée au
3s voisinage de la fente et permettant de maintenir une pression de gaz
identique en tout point du périmètre dans ladite chambre. Des
tubulures (12) à faible perte de charge relient cette chambre (15) à la
source de gaz constitué par un caisson 10 rapporté sur la lingotière.
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Dans ce type de configuration, la perte de charge principale de
l'écoulement du gaz injecté se situe au niveau de la fente de balayage (8)
et est étroitement liée à la géométrie de celle-ci, et plus particulièrement à
l'épaisseur de la fente. Au cas où les surfaces en regard l'une de l'autre (la
s face supérieure du corps métallique refroidi (1 ) de la lingotière et la
face
inférieure de la rehausse réfractaire (2) ne seraient pas rigoureusement
parallèles, une variation locale de l'épaisseur de fente conduit alors à un
débit d'injection d'argon hétérogène sur le pourtour de la lingotière et donc
à des défauts superficiels possibles sur le produit coulé. De tels écarts de
io parallélisme des deux surfaces en vis-à-vis apparaissent en particulier
lorsque le périmètre, ou la section, du produit coulé est grand (gros
"blooms" ou brames) et que des phénomènes de dilatation thermique
différentielle entre les différents matériaux en présence interviennent, et
plus particulièrement au voisinage des angles de la lingotière (ce qui est
1s pratiquement toujours le cas après quelques minutes de coulée).
Le but de la présente invention est d'assurer un débit d'injection de
gaz à balayage régulier et constant sur tout le périmètre de la lingotière
tout au long de l'opération de coulée.
A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière de Coulée
2o Continue en Charge Verticale des métaux, notamment de l'acier,
constituée par un corps métallique refroidi définissant un passage pour le
produit coulé et surmonté par une rehausse en matériau réfractaire, et à
l'interface desquels est ménagée une fente de balayage par laquelle un
courant de gaz inerte perdu est injecté selon le pourtour intérieur de la
25 lingotière, à partir d'une chambre de distribution ménagée au voisinage de
la fente, et alimentée elle-mëme en gaz par des tubulures qui fa relient à
une source de gaz sous pression, lingotière caractérisée en ce que la fente
de balayage est segmentée selon le pourtour de la lingotière à l'aide de
moyens de séparation qui segmentent également ladite chambre de
3o distribution en compartiments contigus selon le pourtour de la lingotière,
et
en ce que des tubulures d'admission calibrées sont prévues au niveau de
chaque compartiment ainsi formé pour le relier à la source de gaz sous
pression.
Comme on le comprend, l'invention consiste donc essentiellement à
ss servir en courant de gaz de balayage une fente d'injection non continue sur
le pourtour de la lingotière par une chambre qui la longe, elle-méme
segmentée en compartiments indépendants selon ce pourtour. De cette
manière, on réalise, depuis la source de gaz sous pression, une pluralité de
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circuits d'injection autonomes, montés en parallèle et comportant chacun
une tubulure d'admission calibrée débouchant dans un compartiment
prolongé par une fente de balayage desservant en gai une portion
seulement du pourtour de la lingotière, la juxtaposition de ces fentes selon
leur longueur assurant la distribution en gaz selon tout le périmètre
intérieur
de la lingotière.
De préférence, la longueur de fente coïncide avec celle du
compartiment associé.
Ainsi, toute perturbation du flux de gaz dans un circuit quelconque
io due à une cause externe, par exemple le rétrécissement accidentel d'une
fente de balayage, n'influe nullement sur le débit dans les circuits voisins.
Globalement, le périmètre d'injection selon le pourtour de la lingotière
devient donc ainsi peu sensible aux défaillances locales, contrairement à
l'art antérieur où une anomalie ponctuelle de la fente de balayage peut
i5 conduire à dégrader les caractéristiques d'écoulement du gaz sur une partie
du pourtour sensiblement plus grande que celle concernée directement par
l'incident.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaîtront plus clairement au vu des planches de dessins annexées sur
20 lesquelles
- la figure 1 représente, en coupe verticale, la partie supérieure d'une
lingotière de Coulée Continue en Charge Verticale pourvue d'un circuit
d'injection de gaz selon l'Art Antérieur déjà évoqué ;
- la figure 2 représente, également en coupe verticale selon le plan B-B' de
25 la figure 3, une vue agrandie du circuit d'injection de gaz dont est
pourvue
la partie supérieure d'une lingotière de Coulée Continue en Charge
Verticale conforme à l'invention ;
la figure 3 représente ie circuit d'injection vu selon le plan de coupe A-A'
de la figure 1.
3o Sur les figures, les mêmes éléments sont désignés par des
références identiques.
On commentera schématiquement la figure 1 uniquement pour situer
l'invention dans son contexte. L'Homme de Métier pourra, s'il le souhaite,
trouver une description plus détaillée de fa constitution complète d'une
3s lingotière de Coulée Continue en Charge Verticale en se reportant, par
exemple, aux Documents E!'-A-620 052 ou FR-A- 2 000 365 mentionnés
au début.
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Sur cette figure, on voit en 1, la partie supérieure du corps
métallique refroidi de ia lingotière, constitué, ici, par un élément tubulaire
en alliage de cuivre énergiquement refroidi par une circulation d'eau sur sa
face extérieure 16, alors que sa face intérieure 17 définit un espace de
s coulée dans lequel de l'acier en fusion 4 se solidifie au contact de la
paroi
froide 17 en formant une croûte 15. Cette croûte 15 forme une enveloppe
qui va croître vers l'intérieur à mesure que le métal coulé est extrait vers
le
bas de la lingotière, et ce, jusqu'à solidification complète du produit sous
l'effet des rampes d'aspersion d'eau dont est équipée la machine de coulée
io en aval de la lingotière.
Le métal en fusion est introduit en lingotière, avec un débit ajusté à
celui avec lequel le métal coulé en sort, à l'aide d'une busette en
réfractaire 5 débouchant dans le fond d'un répartiteur de coulée, non
représenté, placé au dessus. La busette est pourvue à sa partie basse
is d'ouïes latérales 6 par lesquelles s'écoule le métal en fusion dans la
lingotière. En cours de coulée, le contrôle du débit de "métal" permet de
maintenir la surface fibre 7 du métal en fusion à un niveau en hauteur
maîtrisé à une dizaine de centimètres au-dessus des ouïes 6 (compte tenu
des fluctuations dues à !'oscillation verticale de la lingotière).
2o Comme on le comprend, cette partie supérieure du métal coulé (15-
20 cm sous le ménisque) est en fait une réserve de métal en fusion
contenue, non pas dans le corps en cuivre 16, mais dans une rehausse 2
en matériau réfractaire placée sur l'élément 16 et de préférence dans
l'alignement avec la paroi intérieure 17 de celui-ci. C'est cette
particularité
25 gui constitue la caractéristique principale d'une Coulée en Charge selon
l'invention. En effet, les turbulences inévitables dont est le siège le volume
de métal coulé dans l'environnement des ouïes de sortie 6 sont ainsi
confinées dans la partie de l'espace de coulée défini par la rehausse. De la
sorte, la solidification du métal contre la paroi en cuivre refroidi 17 débute
3o et croît dans des conditions hydrodynamiques très favorables, car
l'écoulement du métal y est de type "écoulement piston" (pas de gradient
sensible de vitesse dans la section du produit).
Un courant de gaz de balayage inerte (de l'argon) est toutefois
conseillé sur le pourtour intérieur de la lingotière juste au-dessus de
l'arête
3s supérieure de l'élément en cuivre où s'initie la solidification. Ce courant
de
balayage permet un démarrage franc et régulier du processus de
solidification en brisant le voile de solidification parasite qui peut se
former
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de façon aléatoire et irrégulière contre ta paroi réfractaire de la rehausse 2
et dont des fragments sont illustrés sous la référence 14.
Comme on le voit, ce courant de balayage est réalisé par un circuit
d'alimentation comprenant, depuis une source de pression d'argon 10, des
tubulures calibrées 12 reliant cette source à une chambre interne 13 de
distribution parcourant le pourtour de la lingotière et de laquelle part une
fente 8 débouchant dans la lingotière entre la rehausse 2 et le corps au
centre 1.
Dans l'exemple de réalisation montré sur la figure, cette fente est
io ménagée entre les deux éléments précités grâce à une cale-entretoise
calibrée 19 insérée à la périphérie de l'élément en cuivre 1.
En se référant à présent aux figures 2 et 3, on voit que,
conformément à l'invention, la solution proposée aux problèmes que pose
le circuit de balayage ci-avant à la régularité de distribution du débit de
is sortie du gaz selon le pourtour intérieur de la lingotière consiste
- à reprendre la configuration en deux chambres en cascade,
- et à sectoriaüser la seconde chambre en compartiments juxtaposés selon
le pourtour de la lingotière, de même que la fente de balayage associée à
cette chambre.
2o Une première chambre 20 sert à contenir un volume d'argon sous
une pression donnée. Les tubulures calibrées 12 relient cette chambre à la
seconde chambre 13 dont le rôle, on l'a vu, est de distribuer le gaz dans la
fente de balayage 8 qui débouche à la surface intérieure 17 de la Lingotière
1 selon le pourtour de celle-ci.
La fente de balayage 8 est fractionnée en secteurs juxtaposés,
séparés entre eux par des cloisons 21 qui partagent de la même manière la
seconde chambre de distribution 13 en compartiments 13'-13"...
juxtaposés selon le pourtour de la lingotière et en coïncidence avec fa
partition de la fente. A cette fin, chaque cloison 21 comprend une partie
3o avancée 21 a de faible hauteur, correspondant à l'épaisseur de la fente 8
dans laquelle elle prend position, et une partie-mère 21 b dont la surface
correspond à la section de la chambre 13 à cloisonner.
Chaque cloison 21 est de préférence une pièce usinée puis
rapportée, par soudure par exemple, dans la chambre 13 entre deux
35 arrivées des tubulures calibrées 12'-12".
On réalise ainsi une pluralité de circuits autonomes de distribution du
gaz en lingotière montés "en parallèle" sur la nourrice unique représentée
par la chambre de pression 20, et composé chacun, d'un compartiment
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13', prolongé en aval par un secteur 8' de fente 8 et alimenté par uné
tubulure 12' calibrée, piquée sur la chambre générale 20. Celle-ci est
dimensionnée pour assurer une homogénéité de pression du gaz sur le
pourtour de la lingotière. Quant à ia chambre intermédiaire 13, sa
segmentation en compartiments individuels 13'-13"..., associés chacun à
un secteur particulier 8'-8"... de la fente 8, procure une homogénéité
d'injection du gaz dans chaque circuit unitaire 12'-13'-8' ainsi formé.
On constate que l'introduction de la segmentation conformément à
l'invention permet de diviser dans un rapport de cinq, voire de huit,
io ('influence des variations locales d'épaisseur de la tente 8 sur le débit
global de gaz injecté en lingotière. Autrement dit, en segmentant la partie
"aval" du circuit d'injection conformément à l'invention, chaque circuit
élémentaire ainsi constitué est alimenté de façon identique et constante par
la chambre générale sous pression 20 et l'ensemble devient peu sensible
i5 aux variations locales d'épaisseur de fente, ou de façon plus générale, à
toute perturbation localisée du circuit d'injection pour cause externe au
circuit.
II devient ainsi possible d'injecter du gaz sur une grande longueur de
pourtour de lingotière (plusieurs mètres de long] et de façon homogène
2o tout du long. Ce résultat montre l'intérêt que l'on peut trouver dans
l'application de l'invention à la Coulée Continue des grands formais
(brames ou "blooms") en particulier.
ll va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit mais
s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où est
25 respectée sa définition donnée par les revendications jointes.
En particulier, les tubulures calibrëes 12 peuvent, elles aussi, être
conformées en fente.
De même, la chambre intermédiaire 13 peut être indifféremment
ménagée dans la rehausse réfractaire 2 (fig. 1 ) ou dans l'élément en
3o cuivre 1 (fig. 2 et 3). Bien entendu, il sera souhaitable d'étanchéifier
les
circuits et chambres qui sont ménagées dans la partie réfractaire.
Quant aux cloisons 21, qui fractionnent à la fois la fente 8 et la
chambre 13, il est bien entendu que tout autre moyen que celui décrit,
remplissant cette double fonction pourra convenir, comme des plaquettes
35 (équivalant 21 b1 de partiellisation de la chambre 13, associées à des
nervures (équiv. 21a) ménagées sur la face supérieure de l'élément en
cuivre et coopérant avec la partie réfractaire au-dessus pour définir les
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fentes, sachant que l'ordre de grandeur de !'épaisseur de la fente c~e
balayage peut être de 0.1-0.3 mm environ.
