Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02297274 2007-11-06
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PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA COULEE CONTINUE EN CHARGE DES METAUX.
La présente invention concerne la coulée continue en charge des
métaux, de l'acier en particulier. Elle a trait plus spécialement aux éléments
s constitutifs de la lingotière dont il s'agit de régler minutieusement leur
positionnement relatif lors du montage de l'ensemble.
La coulée continue en charge peut être vue comme une évolution de
la coulée continue classique qui se manifeste par le fait que le ménisque
(surface libre du métal coulé) est repoussé vers le haut par rapport au niveau
to où s'initie la solidification du métal contre le cuivre refroidi de la
lingotière,
alors que ces deux niveaux sont quasiment confondus en coulée continue
classique. Cette originalité est obtenue par la mise en place, sur la partie
en
cuivre refroidi de la lingotière, d'une rehausse jointive en matériau
réfractaire
thermo-isolant destinée à contenir le métal liquide coulé et sur la paroi de
laquelle toute solidification parasite conséquente doit être évitée. Dès lors,
la
solidification du métal coulé peut démarrer correctement sur l'arête
supérieure de cette partie en cuivre. Pour cette raison, une injection d'un
gaz
inerte (de l'argon par exemple) a lieu selon le périmètre intérieur de la
lingotière entre la partie en cuivre et la rehausse sous forme de jets
destinés
~o à cisailler l'éventuel voile de solidification non désiré qui aurait
tendance à se
former déjà au contact de la rehausse réfractaire. On trouve décrit ce type
de dispositions dans le document FR-A-2703609.
Comme le prévoit la demande de brevet FR-A-2747061, on a alors
avantage à ce que le bas de la rehausse soit constitué d'une partie en
réfractaire dense à bonne résistance mécanique, tel que du Sialon . Cette
partie va remplir un rôle de zone de transition entre le cuivre refroidi de la
lingotière et le réfractaire thermo-isolant fibreux de la rehausse placée au
dessus, lequel se dégraderait trop rapidement s'il était placé directement au
contact de l'arête supérieure du corps refroidi en cuivre, là où commence la
solidification franche du métal coulé. En contrepartie, le risque de
solidifications prématurées parasites sur cette partie intermédiaire est
accru,
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2
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= l = f
mais reste sans conséquences grâce au soufflage du gaz de cisaillage à
l'interface avec le cuivre, qui interrompt la propagation vers le bas de ce
processus indésirable.
Le flux de gaz de cisaillage est injecté par une fente de faible
épaisseur (quelques dixièmes de mm à peine suffisent), que l'on réalise par
compression d'un cordon en matière réfractaire fibreuse placé entre l'insert
de Sialon et le corps en cuivre de la lingotière. A l'aide de moyens de
serrage, le cordon est comprimé jusqu'à l'obtention de l'épaisseur de fente
voulue, que l'on calibre à l'aide de cales réglées.
Une répartition homogène du débit gazeux selon le pourtour intérieur
de la lingotière s'avère cependant nécessaire au bon déroulement du
processus de coulée. Or, malgré tout le soin que l'on peut apporter au
réglage de l'épaisseur de fente " à froid " (en l'absence de métal coulé),
cette bonne répartition linéaire n'est généralement pas correctement
assurée. D'une part, il ne peut être tenu compte des disparités locales de
pertes de charge à l'interface cuivre-réfractaire, qui sont liées, entre
autres,
à des variations locales de la micro-rugosité des deux surfaces en vis-à-vis
définissant la fente d'injection. En outre, l'homogénéité est encore moins
bien assurée en fonctionnement "à chaud" (présence du métal coulé) du fait
de phénomènes de dilatation différentielle des matériaux en présence.
Le but de la présente invention est de permettre une répartition
linéaire homogène du débit de gaz de cisaillage injecté à l'interface
"rehausse réfractaire-corps métallique refroidi de la lingotière" en
s'affranchissant du réglage de l'épaisseur de la fente d'injection, et en
conservant cette répartition homogène "à chaud".
Avec cet objectif en vue, l'invention a pour objet un procédé de
réglage de l'injection, en cours de coulée, d'un fluide au travers d'une fente
d'injection ménagée à l'interface "corps métallique refroidi - rehausse
réfractaire" d'une lingotière de coulée continue en charge des métaux et
débouchant selon le pourtour intérieur de cette lingotière, celle-ci étant
pourvue de moyens pour régler localement l'épaisseur de la fente, procédé
caractérisé en ce que, en dehors des périodes de coulée, on injecte à
r;';,rî;jDtD SHEEI.
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3 -
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travers ladite fente un fluide inflammable, que l'on enflamme à sa sortie de
la
fente, et en ce que l'on intervient sur lesdits moyens de réglage de manière
telle que la hauteur des flammes sortant de la fente soit sensiblement
constante selon tout le périmètre intérieur de la lingotière.
Comme on l'aura compris, l'idée-mêre à la base de l'invention est
qu'on ne recherche plus une épaisseur de fente uniforme sur tout le
périmètre d'injection du gaz de cisaillage, mais une uniformité de la
répartition du débit de gaz selon ce périmètre, que l'on matérialise par un
rideau de flammes dont on règle la hauteur en tout point.
L'invention a également pour objet, un dispositif pour la mise en
oeuvre du procédé et destiné à une lingotière de coulée continue en charge
des métaux présentant, ménagéeà l'interface "corps métallique refroidi-
rehausse réfractaire" une fente d'injection d'un fluide débouchant selon le
pourtour intérieur de la lingotière, dispositif caractérisé en ce qu'il
comprend:
- une ligne d'amenée d'un fluide dans ladite fente d'injection pourvue
d'une vanne de réglage du débit et d'un sélecteur d'arrivée pouvant se
connecter sur la sortie de sources différentes d'alimentation de fluides ;
- et des moyens de serrage élastique permettant de régler la largeur
de la fente d'injection selon le périmètre intérieur de la lingotière.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit donnée en
référence à la planche de dessins unique annexée sur laquelle:
- la figure 1 montre schématiquement, vue en coupe verticale partielle, le
haut d'une lingotière de coulée continue en charge d'acier en situation
dite "à chaud", c'est-à-dire en cours de coulée, et équipée des moyens de
réalisation de l'invention;
- la figure 2, analogue à la figure 1, montre la situation de la lingotière "à
froid", c'est-à-dire vide de tout métal à couler, à un moment avant la coulée
où s'effectuent les réglages de la distribution du débit de gaz de cisaillage
conformément à l'invention.
Sur les figures, les mêmes éléments sont représentés par des
références identiques.
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Comme on le voit, la lingotière est composée de deux étages jointifs
1 et 14, distingués l'un de l'autre sur les figures par la ligne horizontale A-
A
et à l'interface desquels se trouve la fente 20 d'injection du gaz de
cisaillage.
L'étage inférieur 1 constitue le cristallisoir. Il s'agit de la partie
proprement "active" de la lingotière, car c'est là que débute et progresse le
processus de solidification du métal coulé par extraction massive de
chaleur. Cette partie, en cuivre (plus généralement en alliage de cuivre),
énergiquement refroidie par circulation d'eau, présente un passage intérieur
2 pour le métal coulé 3, dans lequel ce dernier, au contact des parois
métalliques froides, va former une croûte solidifiée 4. Une fois correctement
initiée, cette solidification va se poursuivre progressivement de la
périphérie
vers le centre du produit coulé, à mesure que celui-ci avance vers le bas au
sein de la lingotière dans le sens d'extraction indiqué par la flèche 5.
Le cristallisoir 1 est lui même formé de préférence de deux ensembles
superposés: un corps tubulaire principal 6, prolongé par le dessus par un
élément auxiliaire 7, bien ajusté et aligné intérieurement avec le corps 6
afin
d'offrir au produit coulé un passage régulier et continu.
Le corps principal 6 est classiquement constitué, dans le cas de la
coulée de produits de section allongée tels que les brames, par quatre
plaques jointives assemblées à angle droit, ou, dans le cas de la coulée de
blooms ou de billettes, par un élément tubulaire monolithique. Dans tous les
cas, ce corps 6, dont la surface intérieure est destinée à venir au contact
du métal coulé, est énergiquement refroidi par circulation, contre sa face
externe, d'une lame d'eau canalisée dans un passage vertical 8 ménagé à
cet effet grâce à une chemise 9 placée à faible distance de ladite face. La
chemise 9 comporte à ses extrémités une ouverture supérieure 10 et une
ouverture inférieure qui mettent le passage 8 en communication
respectivement avec une chambre d'évacuation haute 10 et une chambre
d'introduction basse non visible sur les figures.
L'élément auxiliaire 7 est formé quant à lui par un anneau refroidi par
une circulation d'eau interne dans un canal horizontal 12 ménagé à
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proximité de l'arête supérieure 13 sur laquelle va s'initier la solidification
du
métal coulé. Le rôle essentiel de l'anneau 7 est précisément de protéger
thermiquement cette arête 13, qui va être très fortement sollicitée au plan
thermo-mécanique lors de la coulée, en la refroidissant plus efficacement
5 que peut le faire le circuit de refroidissement à lame d'eau du corps
tubulaire principal 6.
L'étage supérieur 14 est constitué d'une rehausse en matériau
réfractaire non refroidi, dont la paroi intérieure est également, et pour les
raisons déjà explicitées, alignée avec celle de l'étage 1.
Au plan du processus de coulée, on se limitera ici à rappeler que le
montage "cristallisoir métallique refroidi 1 surmonté par la rehausse
réfractaire isolante 14" définit un passage calibrant pour le métal coulé 3,
dont la portion supérieure 15 délimitée par la rehausse constitue une zone-
tampon de confinement des perturbations hydrodynamiques provoquées par
l'arrivée (non représentée) du métal en fusion dans la lingotière, et dont la
portion 16, qui la prolonge vers le bas, est la zone de solidification du
métal
coulé.
Comme on le voit, cette rehausse réfractaire 14 est, elle aussi,
formée par deux éléments distincts jointifs superposés:
- un manchon supérieur 17 en matériau réfractaire choisi pour ses qualités
thermo-isolantes, car il s'agit d'éviter dans la zone 15 toute solidification
parasite prématurée du métal coulé. On optera de préférence pour un
réfractaire fibreux, par exemple le matériau commercialisé sous la
dénomination A 120K par la firme KAPYROK;
- et un insert inférieur 18 en matériau réfractaire dense, choisi pour sa
bonne tenue mécanique. Il s'agit là en effet de résister, au voisinage du
cristallisoir 1, à l'érosion mécanique de la pointe de la croûte solide 4 sur
l'arête 13 de l'anneau 7, alors que l'ensemble est soumis au mouvement
d'oscillation vertical habituel nécessaire à l'opération de coulée, ainsi
qu'aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine fonctionnant selon
des cycles thermiques imposés par le caractère nécessairement séquentiel
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.. ..
du processus de coulée lui-même. Un matériau tel que du SiAION (Sialon )
avantageusement dopé au Nitrure de Bore, pourra convenir .
L'intérêt d'une rehausse 14 en deux parties superposées réside en
effet dans le fait de pouvoir améliorer la tenue mécanique de la partie
basse 18 soumise à un environnement particulièrement sévère à cet égard
au voisinage de l'arête 13. En contrepartie, cet insert inférieur résistant 18
est inévitablement moins isolant de la chaleur que le manchon supérieur 17
en réfractaire fibreux.
Au contact de sa paroi intérieure, il y a ainsi formation possible d'un
voile de solidification parasite prématurée du métal coulé. Ce voile est un
facteur d'hétérogénéité important, voir rédhibitoire, à l'égard du processus
de solidification contrôlée qui doit avoir lieu dans le cristallisoir 1. C'est
pour cette raison que l'on a avantage, conformément à une mise en oeuvre
préférée de la coulée en charge telle décrite dans le document FR-A-2 703
609 déjà mentionné, d'insuffler un jet gazeux annulaire à la base de la
rehausse 14 dans le but de briser l'éventuel voile de solidification parasite
né sur l'insert 18 et permettre ainsi un démarrage franc et régulier de la
solidification du métal coulé au contact de l'anneau de métal refroidi 11.
A cet effet, un circuit d'injection de gaz inerte perdu (de l'argon par
exemple) est prévu entre la rehausse 14 et le cristallisoir 7. Ce circuit
comprend une fente annulaire 20 ménagée à l'interface "rehausse-
cristallisoir" débouchant sur le pourtour intérieur de la lingotière. A son
autre extrémité, la fente est reliée à une chambre de distribution 19
alimentée en argon par une tubulure calibrée 21, elle-même reliée à une
source d'argon sous pression 22.
Comme on le voit, un entôlage 23 enveloppe à distance la rehausse
14 définissant ainsi avec elle un caisson fermé permettant de limiter le
risque d'oxydation du métal liquide coulé au sein de la lingotière par
l'oxygène de l'air au travers de la masse réfractaire 17 inévitablement
poreuse quelque peu.
Un cordon compressible 24 (en matériau réfractaire fibreux par
exemple) ~ert d'entretoise de réglage de l'épaisseur de la fente 20. A cet
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' = .
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effet, une couronne de serrage 25 permet de comprimer ce cordon à l'aide
d'écrous 28 à serrage élastique vissés sur l'extrémité libre filetée de
tirants
26 pris dans des plots d'ancrage 27 fixés dans l'insert 7. L'élasticité
recherchée du serrage peut être obtenue comme on le voit par des
rondelles Belleville 29 empilées autour des tirants 26 sous la couronne 25
et portant sur un retour entrant 30 de l'entôlage 23 prévu à sa partie
supérieure. Quand on visse les écrous 28, la périphérie intérieure de la
couronne de serrage 25 appuie, par l'intermédiaire d'un joint torique de
compression 32, sur la face supérieure de la rehausse 14 revêtue à cet effet
d'une tôle mécanique de protection 31.
En l'espèce, le caisson entourant la rehausse 14 est fermé à sa partie
supérieure en regard de la couronne de serrage 25 au moyen d'un bouchon
annulaire 33 fixé sous ladite couronne et dont la largeur est ajustée pour
pouvoir occuper l'ouverture laissée entre le retour 30 et la rehausse 17
. Un joint torique d'étanchéité 34 est prévu dans une gorge ménagée
sur le bord intérieur du retour 30 pour permettre au bouchon 33 de pouvoir
librement coulisser lors des réglages. Un évent 35, à sortie obturable non
représentée, est avantageusement prévu au travers du bouchon 33 et de la
couronne 25 pour permettre la purge du caisson comme explicité plus loin.
Comme on le voit sur la figure 1, au cours de la coulée du métal 3,
un flux d'argon de cisaillage est insufflé en lingotière à l'interface
"rehausse
14 - cristallisoir 1" au travers de la fente 20. Celle-ci est alors alimentée
par
la source 22 par l'intermédiaire d'une ligne d'arrivée comprenant un
sélecteur "deux voies" 36 suivi d'un organe 37 de réglage du débit.
Le sélecteur "deux voies" 36 a pour fonction de pouvoir basculer au
choix sur la source d'argon 22 utilisée au cours de la coulée, ou sur une
source annexe 38 contenant un fluide combustible inflammable que l'on
injectera par la fente 20 durant les périodes inter-coulées conformément à
l'invention. Ce fluide inflammable est par exemple du gaz naturel.
Comme illustrée par la figure 2, la situation "à froid" est mise à profit
pour commencer par régler l'épaisseur de la fente 20 à une valeur de
quelques dixièmes de mm, par exemple 0,2 mm, en comprimant plus ou
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ô
. , .
moins le cordon-entretoise 24 à l'aide de la couronne de serrage 25
comme exposé auparavant. Le sélecteur 36 étant dans la position de la
figure 2, du fluide inflammable issu de la source 38 est alors injecté par la
fente 20 sous un débit, d'abord faible, contrôlé par la vanne de réglage 37.
Ce gaz est enflammé à l'air à la sortie de la fente 20. Celle-ci est alors
utilisée à la manière d'un brûieur qui produit sur le pourtour intérieur de la
lingotière un rideau de flamme 39 dont la hauteur peut être variable selon
l'endroit en fonction globalement du débit local de combustible qui sort de la
fente à l'aplomb de l'endroit considéré. La répartition du débit de fluide
io inflammable selon ce pourtour est alors réglée par intervention sur les
écrous de serrage 28 jusqu'à ce que la hauteur des flammes 39 soit à peu
près constante sur tout le périmètre quant l'ouverture de la vanne 37 est
ajustée pour permettre une hauteur de flammes de quelques centimètres.
L'expérience montre en effet qu'une hauteur de flammes de 2 à 3cm suffit
pour assurer ensuite un flux d'argon de cisaillage satisfaisant au travers de
la fente 20 ainsi réglée.
Dans cette opération, on ne cherche donc plus une épaisseur de
fente 20 constante sur tout le périmètre d'injection, mais une homogénéité
linéaire du débit de gaz de cisaillage selon ce périmètre, homogénéité qui se
matérialise par une hauteur de flamme. On notera que l'utilisation d'un
serrage élastique 29-28,26, permet de conserver en présence d'acier coulé
(fig. 1), le réglage défini " à froid "(fig. 2). L'invention permet ainsi de
prendre en compte les dilatations différentes des différents matériaux
intervenant dans la fabrication de la lingotière.
Par ailleurs, on aura également noté qu'un "rinçage" des
canalisations et du caisson étanche entourant la rehausse 14 est
systématiquement réalisé en injectant l'argon, grâce au système de purge
représenté par l'évent 35 qui permet de s'assurer de l'absence de traces de
fluide inflammable restant éventuellement dans le caisson.
En outre, l'invention présente l'avantage annexe de pouvoir s'assurer
"à froid" de l'étanchéité du circuit d'injection complet. Pour cela, lors de
l'injection du fluide inflammable, une flamme peut être manuellement
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4 .
= .,,
s i =
promenée tout le long du circuit. La moindre fuite éventuelle est alors
immédiatement détectée.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit ci-
avant, mais présente de multiples variantes et équivalents de réalisation
dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les revendications
qui suivent. En particulier, par le vocable "fente" utilisé pour qualifier
l'injecteur de sortie du gaz de cisaillage dans la lingotière, il faut
entendre
aussi bien une fente continue selon le périmètre, qu'une fente discontinue,
et donc également une série d'orifices calibrés distribués selon le pourtour
io intérieur de la lingotière et pourvus de moyens de réglage des pertes de
charge à leur niveau.
