BIMATERIAL INGOT MOULD FOR THE CONTINUOUS VERTICAL CASTING OF METALS

LINGOTIERE BI-MATERIAU POUR LA COULEE CONTINUE EN CHARGE VERTICALE DES METAUX

Abrégé français

La lingotière selon l'invention comprend un corps en cuivre refroidi (4)
surmonté d'une rehausse réfractaire (9), elle-même constituée de deux
éléments: un manchon supérieur thermo-isolant (16) et un anneau inférieur (17)
en réfractaire compact ayant une bonne tenue mécanique et cerclé par une bague
de sertissage (18) plus étroite que l'anneau, de manière que celui-ci dépasse
de part et d'autre de la bague. On peut ainsi, par des opérations de surfaçage
successives de la face inférieure de l'anneau, puis recommencer après avoir
inverser ses deux faces, prolonger de beaucoup la durée de vie d'usage de
l'anneau avant de devoir le remplacer.

Abrégé anglais

The ingot mould of the invention includes a cooled copper body (4) on top of which is mounted a refractory feeder bush (9) consisting of two components: a heat insulating upper sleeve (16) and a compact refractory lower ring (17) of high mechanical strength enclosed by a crimping bush (18) which is narrower than ring (17) so that the latter projects on either side of the crimping bush. By subjecting the inner surface of the crimping bush to successive surfacing treatments which are repeated after the two surfaces have been reversed, it is possible to extend substantially the useful life of said crimping bush before replacing it.

Revendications

REVENDICATIONS
1. Lingotière bi-matériau pour la Coulée Continue en Charge des
métaux, tel que l'acier, comprenant un corps métallique (4) énergiquement
refroidi et définissant un passage pour le métal coulé (2), dont il assure au
contact de sa paroi intérieure une solidification périphérique (15), et une
rehausse (9) en matériau réfractaire thermo-isolant surmontant le corps
métallique (4) et destinée à contenir à l'état liquide le métal en fusion
introduit en lingotière, lingotière caractérisée en ce que la rehausse (9) est
formée de deux éléments réfractaires distincts empilés et alignés
intérieurement : un manchon supérieur (16) en matériau réfractaire choisi
pour ses bonnes propriétés d'isolant thermique, et un anneau inférieur (17)
en matériau réfractaire choisi pour ses bonnes propriétés de tenue
mécanique, et en ce que l'anneau inférieur (17) est serti dans un moyen de
renfort (18) de hauteur inférieure à celle de l'anneau.
2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le
moyen de renfort (18) est en position médiane centrée selon la hauteur de
l'anneau (17).
3. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le
moyen de renfort est une bague de sertissage (18) encerclant un anneau
de forme circulaire.
4. Lingotière selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le
moyen de renfort est constitué par une bride en U dont les extrémités
compriment les faces en bout d'un segment d'un anneau constitué par
juxtaposition de plusieurs segments.

Description

CA 022~8111 1998-10-0~
WO 97137791 PCT/FR97/00545
Lingotière bi-matériau pour la Coulée Continue en Charge Verticale des
métaux.
L'invention a trait à la Coulée Continue en Charge Verticale des
s métaux, de l'acier en particulier.
Il est connu que la Coulée Continue en Charge Verticale se distingue
sur l'essentiel de la Coulée Continue Verticale Classique par ie fait que le
corps de lingotière, en cuivre ou alliage de cuivre, énergiquement refroidi
par circulation d'eau et définissant un passage pour le métal coulé dont il
0 assure la solidification périphérique au contact de sa paroi, est surmonté
par une rehausse en matériau réfractaire thermo-isolant destinée à contenir
à l'état liquide un volume de métal coulé délivré par le répartiteur placé au-
dessus (BF 2 OOO 365).
On parvient ainsi, grâce à une lingotière ~ bi-matériau o de ce type, à
15 éloigner la surface libre du métal coulé (le ménisque), qui se trouve alors au
sein de la rehausse, de l'endroit où naît nécessairement la solidification du
métal coulé au contact de la paroi froide, à savoir l'arête supérieure de
l'élément en cuivre.
On vise ainsi à couler en continu des demi-produits de meilleure
20 qualité et avec des vitesses d'extraction élevée, voire plus élevée qu'en
Coulée Continue Classique. Toutes les turbulences hydrodynamiques
causées par l'arrivée du métal en fusion en lingotière sont en effet
confinées au niveau de la rehausse réfractaire de sorte qu'en-dessous la
solidification peut commencer et se poursuivre dans un environnement
25 calme dans lequel l'acier coulé progresse vers la sortie de la lingotière sans
gradient significatif de vitesses dans la section ~écoulement de type
"piston")
11 a été envisagé de concevoir la rehausse réfractaire elle-même, en
deux parties distinctes superposées~ Une partie supérieure, le manchon, en
30 réfractaire très isolant thermiquement, donc généralement en réfractaire
fibreux et assez peu dense pour empêcher toute solidification parasite sur
la paroi intérieure du manchon par refroidissement du métal coulé à son

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contact, et une partie inférieure de taille plus réduite alignée intérieurement
avec le corps de lingotière, I'anneau, en matériau réfractaire compact donc
présentant une bonne tenue mécanique afin de résister à l'érosion
mécanique causée par la proximité de la pointe de solidification naissante
5 sur l'arête supérieure du corps en cuivre au contact de l'extrémité de la
rehausse Un exemple de matériau réfractaire compact pouvant convenir à
cet effet est du SiAlON ~ou Sialon~)
D'autres matériaux peuvent également convenir, mais ils ont tous
l'inconvénient d'être coûteux en usage car, même très résistants, ils
10 finissent par s'user, ce qui conduit nécessairement au remplacement de
l'anneau utilisé par un anneau neuf à plus ou moins brève échéance
Le but de la présente invention est de proposer une solution qui
permette de prolonger très sensiblement la durée d'usage d'un anneau
réfractaire de ce type, afin de rendre abordable le coût d'exploitation d'une
15 machine de Coulée Continue en Charge. Iié au renouvellement de cet
anneau.
A cet effet, I'invention a pour objet une lingotière bi-matériau pour la
Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, tel que l'acier,
comprenant un corps métallique ~en cuivre ou alliage de cuivre)
20 énergiquement refroidi et définissant un passage pour le métal coulé dont il
assure, au contact de sa paroi intérieure, une solidification périphérique, et
une rehausse en matériau réfractaire thermo-isolant surmontant le corps
métallique refroidi et destiné à contenir à l'état liquide du métal en fusion
coulé depuis un répartiteur placé au-dessus, lingotière caractérisée en ce
25 que la rehausse est formée de deux parties réfractaires distinctes
superposées: un manchon supérieur en matériau réfractaire ayant de
bonnes propriétés d'isolant thermique et un anneau inférieur en matériau
réfractaire ayant de bonnes propriétés de tenue mécanique et aligné
intérieurement avec le corps de lingotière, et en ce que l'anneau est serti
30 dans un moyen de renfort de hauteur inférieure à celle de l'anneau.
Dans le cas de la coulée de produits longs que l'on considèrera
uniquement par la suite, ce moyen de renfort est avantageusement

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constitué par une bague de sertissage, en acier de préférence, entourant
l'anneau .
Comme on l'aura compris, I'invention consiste donc à sertir l'anneau
en réfractaire dur (en SiAlON), -qui, sinon, risquerait de se fissurer, voire
éclater après quelques coulées seulement- par une bague de renfort, en
acier par exemple, qui n'enveloppe que la partie médiane du pourtour de
l'anneau, afin de laisser une portion libre de celui-ci dépasser au-dessus et
en-dessous de la bague de renfort.
Grâce à un tel montage, I'arête inférieure de l'anneau au contact du
0 métal coulé peut être aisément restaurée par surfaçage de la face tournée
vers le corps métallique refroidi si une dégradation ou un écaillage de
l'anneau est constatée.
En outre, compte tenu de la symétrie possible du montage, après
que les utilisations successives aient épuisé les capacités de régénération
de la face inférieure de l'anneau, il est aisé de retourner celui-ci en
inversant face supérieure et face inférieure pour une nouvelle série de
coulées. On parvient ainsi à doubler la durée de vie en usage de l'anneau
en réfractaire compact et donc à diviser par deux son influence dans le
coût d'exploitation de la machine de coulée.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaîtront plus clairement au vu de la description qui suit donnée à titre
d'exemple de réalisation en référence a la planche unique de dessins
annexée sur laquelle:
- la figure 1 montre schématiquement, en coupe verticale, le haut d'une
machine de Coulée Continue en Charge Verticale pour la coulée de billettes
d 'acier.
- la figure 2 montre, en coupe verticale partielle, le détail de la partie
supérieure d'une lingotière de Coulée Continue en Charge Verticale,
conforme à l'invention.
Sur les figures, les memes éléments sont désignés par des
références identiques.

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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 de
l'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")
S 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.
La lingotière comprend, comme on le voit, un corps tubulaire en
cuivre 4 énergiquement refroidi par circulation d'eau le long de sa face
lO extérieure. Classiquement, une chemise en acier 5 est prévue pour
canaliser cette circulation et communique à ses extrémités avec une
chambre d'introduction 6 et avec une chambre d'évacuation 7, délimitées
par un manteau 8 entourant à distance le corps métallique refroidi 4.
Ce dernier est surmonté d'une rehausse 9 en matériau réfractaire
5 non refroidi, dont la paroi intérieure est de préférence alignée avec celle du corps 4.
Au plan du processus de coulée, le montage, "corps métallique
refroidi 4 précédé de la rehausse réfractaire isolante 9", définit un passage
pour le métal coulé dont la partie supérieure au sein de la rehausse est une
20 zone 12 de confinement des perturbations hydrodynamiques provoquées
par l'arrivée du jet 11 de métal en fusion dans la lingotière, et dont la partieinférieure, qui la prolonge, est une zone 13 de solidification du métal coulé.
Cette solidification, comme on le voit, s'initie dès le premier contact de
l'acier coulé avec la paroi intérieure du corps en cuivre refroidi 4, à savoir
2s sur l'arête supérieure 14 de celle-ci, et se poursuit vers l'aval en formant
une croûte solide 15 dont l'épaisseur croît de la périphérie vers le centre. A
la sortie de la lingotière, la croûte 15, épaisse d'un peu plus d'un
centimètre, est suffisamment solide pour résister à la pression ferrostatique
du coeur encore liquide et poursuit sa croissance centripète jusqu'à
30 solidification totale du demi-produit coulé 10 sous l'effet des rampes
d'aspersion d'eau non représentées situées dans la moitié basse de la
machine. Une fois complètement solidifié, le demi-produit est coupé en

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tronçons de largeur voulue (billettes, "blooms" ou brames, selon le format
de la section coulée) et ces tronçons sont alors disponibles pour
façonnages ultérieurs ~laminage, etc.).
En se reportant à présent plus particulièrement sur la figure 2, on
voit que la rehausse réfractaire 9 est, elle-même, formée par empilage de
deux éléments distincts:
- un élément supérieur, le manchon 16, en matériau réfractaire choisi pour
ses qualités thermo-isolantes, car il s'agit d'éviter toute solidification
parasite prématurée du métal coulé dans la zone de turbulence 12. On
0 optera pour un réfractaire fibreux à base d'alumine, par exemple le
matériau commercialisé sous la dénomination A 1 20K par la firme française
KAPYROK s.a
- et un élément inférieur, I'anneau 17, en matériau réfractaire choisi pour
sa bonne tenue mécanique, car il s'agit de résister au mieux, au voisinage
lS du cristallisoir 4, à l'érosion mécanique de la pointe supérieure de la croute
solide 15 sur l'arête 14 alors que l'ensemble est soumis à un mouvement
d'oscillation vertical qui, comme on le sait, est nécessaire à la réussite de
l'opération de coulée, aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine
fonctionnant par cycles thermiques rythmés par le caractère
nécessairement séquentiel du procédé de coulée.
Cet anneau 17, par exemple en SiAlON, dopé au nitrure de bore de
préférence, tel que commercialisé par la firme VESUVIUS sous la
référence 531, est serti dans une bague métallique 18 par montage à
chaud en atelier. Ceci évite le risque de fissuration et d'éclatement de
I'anneau qui peut apparaître, sinon après un faible nombre de coulées,
voire après chaque coulée. Conformément a l'invention, cette bague de
sertissage est dimensionnée en largeur et placée autour de l'anneau de
manière à laisser ce dernier dépasser de part et d'autre des limites de la
bague .
Pour fixer les idées, on pourra par exemple cercler un anneau 17 de
trois centimètres de hauteur à l'aide d'une bague en acier 18 de deux
centimètres et demi de large placée sur le pourtour de l'anneau en position

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centrale (et de préférence symétrique) de manière à laisser dépasser
l'anneau de la bague sur une distance de deux millimètres et demi de part
et d'autre.
Comme on l'a dit, cette disposition permet, en cas de dégradation ou
d'écaillage, de restaurer par surfaçage la face 19 de l'anneau tournée en
regard du corps métallique 4. Ordinairement, une opération de surfaçage
consomme en épaisseur de 0,1 à 0,2 mm de matière.
Et, une fois parvenu au terme des surfaçages successifs possibles,
au ras de la bague 18 donc, il est aisé de retourner l'anneau et de se
lo replacer ainsi dans la même situation que la situation de départ pour une
nouvelle série de coulées avant de devoir changer l'anneau usagé pour un
anneau neuf.
Il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple décrit ci-
avant mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure
où sont respectées les caractéristiques essentielles de celle-ci, données
dans les revendications jointes.
En particuiier, par "bague" au sens du présent mémoire, il faut
entendre non seulement un cerclage continu que l'on peut mettre en place
autour d'un anneau 17 de forme circulaire dans le cas de la Coulée
Continue Verticale de produits longs ~blooms, billettes), mais également
tout moyen de bridage assurant à l'anneau réfractaire un renfort mécanique
lui permettant de mieux résister aux importantes sollicitations thermo-
mécaniques qu'il subit en raison du caractère cyclique des opérations de
coulée.
Dans le cas de la coulée continue de produits plats ou à grande
section allongée, les brames notamment, et mettant en oeuvre un anneau
réfractaire non plus continu sur le pourtour de la lingotière, mais formé
d'une juxtaposition de segments par exemple, ce moyen de renfort pourra
alors être constitué avantageusement d'une bride en U comprimant par ses
extrémités, les faces en bout de chaque segment, la partie centrale courant
sur la face extérieure du segment.

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Par ailleurs, bien que préférée, la disposition montrée sur les figures
laissant apparaître un alignement entre la rehausse et le corps métallique
refroidi, n'est pas indispensable à la mise en oeuvre de l'invention.

Dessin représentatif