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Lingotière de Coulée Continue pour la Coulée Continue en Charge Verticale
des métaux.
La prsente invention concerne la Coule Continue des mtaux,
notamment de l'acier. Elle a trait plus spcifiquement la
technique dite de
s "Coule Continue en Charge Verticale".
Les premiers crits semblent avoir t publis sur cette technique
dj vers la fin des annes soixante, dont le document FR-A-2
000 365 est
un bon exemple. On sait depuis lors qu'elle se distingue
de la Coule
Continue Verticale Classique, aujourd'hui trs largement rpandue
dans le
io monde, essentiellement par le fait que l'lment "actif" de
la lingotire,
savoir l'lment tubulaire mtallique nergiquement refroidi
dans lequel doit
s'initier et crotre la solidification recherche du mtal coul,
est surmont
par une rehausse thermo-isolante devant contenir l'tat liquide
le mtal
en fusion dlivr par un rpartiteur situ au-dessus.
i5 Cet lment "actif" est classiquement un tube, fait d'une seule
pice
(coule de billettes et de "blooms") ou de plaques assembles
(coule de
brames ou gros "blooms"). II est en cuivre, ou en alliage
de cuivre,
nergiquement refroidi par une intense circulation d'eau contre
sa paroi
extrieure afin de pouvoir extraire un flux de chaleur suffisant
pour assurer
20 la solidification du mtal en fusion mis au contact de sa
paroi intrieure.
Ces deux lments contigus dfinissent un passage continu calibrant
pour le mtal coul qui y entre en fusion par le haut et y
sort par le bas
sous forme d'une crote solide venant de la solidification
priphrique du
mtal coul au contact de la paroi froide du corps de lingotire
et
25 enfermant un coeur encore liquide. La solidification se poursuit
alors
jusqu' son terme dans la partie intrieure de la machine de
coule l'aide
de rampes d'arrosage.
L'avantage primordial recherch par la Coule Continue en Charge
Verticale rside dans le fait que l'on parvient ainsi loigner
la surface libre
3o du mtal coul en lingotire (le "mnisque"), laquelle se situe
alors au sein
de la rehausse rfractaire, de l'endroit o nat ncessairement
la
solidification du mtal coul ds le premier contact avec la
paroi froide du
. corps de lingotire, c'est--dire au niveau de l'arte de l'extrmit
suprieure de l'lment en cuivre.
3s On vise ainsi couler en continu des demi-produits de meilleure
qualit mtallurgique et avec des vitesses d'extraction leves,
voire plus
leves qu'en Coule Continue Classique, car le processus de
solidification
s'initie alors dans un environnement calme au plan de l'hydrodynamique,
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toutes les turbulences, notamment celles causées par l'arrivée du métal en
fusion, restant confinées dans le volume tampon offert par la rehausse
réfractaire.
Par ailleurs, on ne connaît pas d'inconvénients significatifs à cette
technique par rapport à la Coulée Continue Classique, dont elle peut être
vue comme une évolution, donc n'impliquant aucun saut technologique
majeur. On peut sans difficultés particulières aménager une machine de
Coulée Continue Classique en une machine de Coulée Continue en Charge,
puisque notamment le répartiteur, bien que placé à faible distance au-
to dessus, reste non rigidement lié à fa lingotière. Pourtant, alors que les
premières publications sur la Coulée Continue en Charge de l'acier sont
contemporaines de la naissance industrielle de la Coulée Continue
Verticale, et que cette dernière a reçu l'extraordinaire développement que
l'on connaît (plus de 80% de la production d'acier mondiale est réalisée
i5 aujourd'hui par Coulée Continue), la Coulée Continue en Charge Verticale
demeure toujours à ce jour à la recherche d'une concrétisation industrielle.
Les essais menés par les demandeurs ont permis de mettre à jour un
problème majeur qui peut expliquer cette absence de sanction industrielle
l'instabilité dans le temps de la géométrie à l'interface "élément en cuivre
2o refroidi-rehausse réfractaire". Cette géométrie, en effet, se dégrade par
déformation de l'extrémité supérieure de l'élément refroidi.
En Coulée Continue Verticale Classique, les déformations sont
provoquées par des remontées intempestives de métal liquide pouvant aller
jusqu'à des débordements hors de la lingotière. Elles sont rarement
25 conséquentes à l'égard de la poursuite de l'opération de coulée. En Coulée
Continue en Charge, au contraire, en raison du report du ménisque en
amont de l'élément refroidi, la situation est en permanence analogue à celle
du type "débordement". Les déformations de l'extrémité supérieure de
l'élément en cuivre, là précisément où s'initie la solidification recherchée
du
3o métal coulé, deviennent alors rédhibitoires (infiltrations du métal en
fusion
sous la rehausse, défaut d'alignement avec la rehausse, etc... ).
L'invention a précisément pour but d'éviter les déformations thermo-
mécaniques de l'extrémité supérieure de l'élément refroidi en cuivre au
cours de la coulée.
35 A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière pour la Coulée
Continue en Charge Verticale des métaux, de l'acier en particulier,
comprenant un élément métallique tubulaire (en cuivre ou alliage de cuivre)
refroidi, notamment par circulation d'eau contre sa paroi extérieure, et
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destin assurer la solidification priphrique du mtal coul
au contact d~
sa paroi intrieure, et une rehausse non refroidie en matriau
rfractaire
thermo-isolant surmontant l'lment mtallique refroidi, destine
contenir
du mtal en fusion, et dfinissant avec lui un passage calibrant
continu
pour le mtal coul, lingotire caractrise en ce qu'un anneau
mtallique,
refroidi par circulation annulaire de fluide de refroidissement,
est rapport
entre l'lment mtallique tubulaire et la rehausse thermo-isolante,
et dont
la paroi intrieure est pleine et aligne avec ledit lment tubulaire
mtallique sans discontinuit entre eux de manire respecter
le caractre
io continu du passage offert par la lingotire au mtal coul.
De prfrence, cet anneau est fait du mme mtal que l'lment
tubulaire refroidi, c'est--dire en cuivre ou alliage de cuivre.
De prfrence encore, cet anneau est mont amovible de manire
pouvoir tre aisment remplac.
Conformment une variante de ralisation avantageuse, l'anneau
comporte un circuit de refroidissement interne constitu par
une chambre
de circulation annulaire d'un fluide de refroidissement qui
longe la paroi
intrieure de l'anneau sur le pourtour de ta lingotire, et
de prfrence au
voisinage immdiat de cette paroi.
2o Comme on l'aura sans doute dj compris, l'invention consiste
donc
dans ses caractristiques essentielles insrer entre le tube
de lingotire et
la rehausse rfractaire, un corps froid, l'anneau, lequel constitue
en fait un
prolongement de l'lment tubulaire principal dont il est fait
de la mme
matire, mais ayant son propre circuit de refroidissement,
et dont la
relative faible hauteur (par rapport celle du tube) permet
une efficacit de
refroidissement bien suprieure ce que pourrat faire au mieux
le systme
de refroidissement du tube, au niveau de ses extrmits, notamment
de
l'arte de son extrmit suprieure tourne en regard de la rehausse.
Pour
fixer les ides, le tube d'une lingotire de coule continue
fait
3o habituellement 0.7 1.0 mtre de long, alors que l'anneau selon
l'invention prsente, par exemple, 4 10 centimtres de haut.
Au point de vue du processus de coule, cela revient translater
le
plan de dmarrage de la solidification au niveau de l'arte
suprieure de
l'anneau. Autrement dit, pour assurer la fonction de dmarrage
de la
solidification, on substitue l'lment tubulaire refroidi de
la lingotire un
anneau autonome, de prfrence dmontable, galement refroidi,
mais
dont l'effet de refroidisssement ses extrmits est naturellement
plus
efficace en raison de sa faible hauteur, comparativement
celle de
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l'élément tubulaire principal de la lingotière et donc de ia possibilité d'y
installer une lame d'eau de refroidissement circulant horizontalement et non
plus verticalement.
Dans ce dernier, en effet, les contraintes technologiques du circuit
s de refroidissement (chemise à eau reliant deux chambres à ses extrémités),
liées à la nécessité d'assurer en priorité un refroidissement intense sur
toute sa hauteur utile pour y extraire le flux de chaleur global considérable
qu'impose la progression de la solidification périphérique du métal coulé qui
le parcourt tout du long, atteignent en contrepartie leur limite pour
io empêcher une déformation des extrémités du tube si la température à ces
endroits s'élève au niveau de celle de l'acier en fusion.
L'invention surmonte cet obstacle au moyen d'un corps rapporté,
également intensément refroidi, mais de faible hauteur de sorte à pouvoir y
installer une circulation horizontale du fluide de refroidissement et assurer
15 ainsi à la fois un refroidissement efficace de sa propre arête supérieure
au
contact de ia rehausse réfractaire pour empêcher sa déformation à cet
endroit au contact du métal en fusion, et de l'extrémité supérieure du tube
de la lingotière avec lequel il est en contact étroit par sa face inférieure.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages
2o ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit donnée à
titre
d'exemple de réalisation en référence à la planche unique de dessins
annexée sur laquelle
- la figure 1 montre schématiquement, en coupe verticale, la partie
supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale d'acier
2s selon la conception habituelle de l'art antérieur connu ;
- la figure 2 est une vue partielle agrandie de la partie haute d'une machine
du _ type précité mais montrant dans le détail (a conception selon
l'invention, selon un mode de réalisation le plus complet.
Sur les figures, les mêmes éléments sont désigné par des références
so identiques.
En se rapportant sur la vue générale de la figure 1, on voit que la
partie supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale
d'acier est constituée, dans le sens d'extraction du métal à produire, c'est-
à-dire du haut vers le bas sur la figure, d'un répartiteur 1 (ou "tundish")
3s contenant un bain de métal en fusion 2, qu'il distribue à une (ou
plusieurs)
lingotière 3 placée en-dessous au moyen d'un (ou plusieurs) orifice de
sortie prolongé par une busette guide 20.
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La lingotire comprend, comme on le voit, un lment tubulaire
n
cuivre 4 nergiquement refroidi par circulation d'eau le long
de sa face
extrieure. Classiquement, une chemise en acier 5 est prvue
cet effet,
autour et faible distance du tube 4, pour canaliser une lame
d'eau
s circulation verticale 21. La chemise 5 prsente ses extrmits
des
ouvertures 22 qui mettent la lame d'eau 21 en communication
avec une
chambre d'introduction 6 et avec une chambre d'vacuation 7,
dlimites
par un manteau 8 entourant distance la chemise 5.
L'lment tubulaire interne 4 est surmont d'une rehausse 9 en
io matriau rfractaire non refroidi, dont la paroi intrieure est
de prfrence
aligne avec celle du corps 4 (et en tous cas, pas en retrait).
Au plan du processus de coule, le montage, "lment mtallique
refroidi 4 surmont par la rehausse rfractaire isolante 9",
dfinit un
passage calibrant pour le mtal coul dont la partie suprieure
12 au sein
is de la rehausse constitue une zone-tampon, de confinement des
perturbations hydrodynamiques provoques par l'arrive du jet
11 de mtal
en fusion dans la lingotire, et dont la partie infrieure 13,
qui la prolonge,
est une zone de solidification du mtal coul.
Cette solidification, comme on le voit, s'initie ds le premier
contact
2o de l'acier coul avec la paroi intrieure du corps en cuivre
refroidi 4,
savoir sur l'arte suprieure 14 de celle-ci, et se poursuit
vers /'aval en
formant une crote solide 15 dont l'paisseur crot de la priphrie
vers le
centre. A la sortie de la lingotire, la crote 15, paisse d'un
peu plus d'un
centimtre, est suffisamment solide pour rsister la pression
ferrostatique
25 du coeur encore liquide 24 et poursuit sa croissance centripte
jusqu'
solidification totale du demi-produit coul 10 sous l'effet
des rampes
d'aspersion d'eau, non reprsentes, situes dans la moiti basse
de la
machine. Une fois compltement solidifi, le demi-produit est
coup en
tronons de longueur voulue (billettes, "blooms" ou brames,
selon le
3o format de la section coule) et ces tronons sont alors disponibles
pour
faonnages ultrieurs (laminage, etc.).
En se reportant prsent sur la figure 2, on voit que, conformment
l'invention, l'lment tubulaire 4 est surmont par un anneau
16, qui le
prolonge, galement en alliage de cuivre et galement refroidi,
mais au
3s moyen de son propre systme de refroidissement. Ce dernier,
dans
l'exemple dcrit, est constitu par une chambre 17 longeant
la paroi
intrieure pleine 18 de l'anneau faible distance. Cette chambre,
ici de
forme circulaire, comporte ses entre/sortie voisines l'une
de l'autre de
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part et d'autre d'une cloison qui obture la chambre. On réalise ainsi un
circuit de refroidissement en forme d'anneau horizontal et dans lequel
s'établit une circulation annulaire, donc horizontale de fluide de
refroidissement (de l'eau par exemple) entourant le produit coulé.
Sur la figure, seules ont été représentées les tubulures d'entrée 19 et
de sortie 19' de l'eau de refroidissement reliant la chambre circulaire 17 à
l'extérieur.
L'anneau refroidi 16 est surfacé à sa base de manière à bien épouser
la surface supérieure de l'élément 4 sur laquelle il repose, et éviter ainsi
io tout risque d'infiltration de métal en fusion.
L'ensemble métallique refroidi, formé par l'anneau 16 et l'élément
tubulaire 4 constitue la partie "active" proprement dite de la lingotière. A
l'égard du métal coulé, ces deux éléments juxtaposés sans discontinuité
entre eux, n'en font qu'un, car c'est là que s'initie la solidification du
métal
i5 coulé et sa croissance à mesure que le produit coulé 15 progresse vers le
bas à l'intérieur de cet ensemble. Le plan de démarrage de cette
solidification est, non plus le plan passant par l'arête supérieure 14 de
l'élément 4, mais celui passant par l'arête supérieure 23 de l'anneau 16.
Cet ensemble 16-4 est surmonté par la rehausse thermo-isolante 9
2o vue précédemment.
Conformément à une réalisation préférée de l'invention, cette
rehausse 9 est elle aussi formée par deux éléments distincts superposés:
- un manchon supérieur 25 en matériau réfractaire choisi pour ses qualités
thermo-isolantes, car il s'agit d'éviter toute solidification parasite
25 prématurée du métal coulé dans la zone de turbulence 12. On optera pour
un réfractaire fibreux, par exemple le matériau commercialisé sous la
dénomination A 120K par la firme française KAPYROK.
- et un élément inférieur, la bague 26, en matériau réfractaire choisi pour
sa bonne tenue mécanique, car il s'agit de résister au mieux, au voisinage
3o du cristallisoir 4-16, à l'érosion mécanique de la pointe supérieure de la
croûte solide 15 sur l'arête 23 alors que l'ensemble est soumis au
mouvement d'oscillation vertical habituel nécessaire à la réussite de la
coulé ainsi qu'aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine
fonctionnant par cycles thermiques imposés par le caractère
35 nécessairement séquentiel du procédé de coulée. Un matériau tel que du
SiAION (Sialon) de préférence dopé au Nitrure de Bore, pourra parfaitement
convenir.
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De prfrence, un circuit d'injection de gaz inerte perdu (de
l'argon
par exemple) est prvu entre la rehausse 9 et l'ensemble mtallique
16-4.
Ce circuit comprend une fente annulaire 28 mnage l'interface
rehausse 9 - ensemble mtallique 16-4 et dbouchant une extrmit
s selon le pourtour intrieur de la lingotire et relie son autre
extrmit
une chambre de distribution 29 alimente en argon par une tubulure
calibre 30, elle-mme relie une source d'argon sous pression
non
reprsente.
L'intrt d'une rehausse en deux parties superposes rside. dans
le
io fait de pouvoir amliorer la tenue mcanique de la partie basse
soumise
l'rosion provoque par les mouvements de "va et vient" de la
pointe de
solidification du mtal coul voisine imprims par les oscillations
verticales
de la lingotire.
En contrepartie, cette bague infrieure rsistante 26 est
i5 invitablement moins isolante de la chaleur que la partie haute.
II y a donc
formation possible, au contact de sa paroi intrieure aligne
27 avec celle
de l'anneau refroidi 16, d'un voile de solidification parasite
prmature du
mtal coul. Ce voile est un facteur d'htrognit important l'gard
du
processus de solidification contrle dans l'ensemble mtallique
refroidi 16-
20 4. C'est pour cette raison que, conformment une mise en oeuvre
avantageuse de l'invention et dj connue par ailleurs (FR-A-93
03871 ), un
rideau d'argon est insuffl la base de la rehausse 9 dans
le but de briser
le voile de solidification parasite n sur la bague 26 et permettre
un
dmarrage rgulier et franc de la solidification du mtal coul
au contact de
25 l'anneau refroidi 16.
On aura compris qu'un avantage dterminant de l'invention rside
dans le fait que, la partie suprieure la plus sollicite de
la lingotie tant
ralise sous forme d'une pice rapporte (l'anneau 16), cette
partie peut
tre aisment remplace par une pice neuve en cas de besoin et
dans des
3o conditions conomiques compatibles avec une mise en oeuvre
industrielle
de la Coule Continue en Charge, ce qui n'est pas le cas du
remplacement
de l'lment tubulaire interne 4.
Conformment une autre ralisation avantageuse, on rduit la
tendance au collage de la crote 15 contre la paroi de la lingotire
en
35 compltant la lubrification connue, ralise par injection d'un
lubrifiant au
travers de l'lment en cuivre 4 (voir par le FR-A-91 01551
) par une mise
en vibration l'aide d'un transducteur ultra-sons et appliqu
sur
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l'extrémité libre du retour supérieur 32 de l'élément refroidi 4. Ce
transducteur pourra être du type "piezoélectrique".
L'obliquité de la direction d'application des ultra-sons (Cf. fig.2) n'est
pas obligatoire. Elle présente l'avantage néanmoins de conjuger un effet
s vibratoire vertical avec un effet vibratoire horizontal, tous deux
contribuant
à réduire les frottements du produit coulé 10 dans la lingotière.
Pour plus de détails, on pourra se reporter au document FR-A-
89 07839.
II va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais
io s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où ses
caractéristiques essentielles données dans les revendications jointes sont
reproduites.
En particulier, l'invention s'applique aux produits longs, comme aux
produits plats. Aussi, les termes utilisés ci-avant comme "anneau",
15 "annulaire" ou "bague", bien qu'ils évoquent une forme circulaire, doivent
être compris dans une assertion plus générale englobant les lingotières
dont l'élément tubulaire interne refroidi est constitué par des plaques
assemblées (lingotière pour la coulée continue de brames ou de gros
blooms par exemple).
2o De même l'invention s'applique à la coulée continue non seulement
de l'acier, mais tout autre métal coulable en continu et notamment les
métaux a plus bas point de fusion que l'acier que sont !'aluminium ou le
cuivre.
