Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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TETE DE LINGOTIERE POUR LA COULÉE CONTINUE VERTICALE EN CHARGE
DE PRODUITS MÉTALLIQUES A FORMAT ALLONGÉ.
L'invention concerne la coulée continue en charge des métaux, notamment
l'acier. Elle a trait plus précisément à la coulée en charge de produits de
format
allongé, notamment de large section, comme les brames, appelés plus couramment
"produits plats".
Dans son état actuel de développement, la coulée continue en charge peut
être considérée comme une évolution du procédé de coulée continue classique,
qui
vise à décaler sur la hauteur de la lingotière t'endroit où commence la
solidification
du métal coulé par contact avec la face intérieure de la paroi en cuivre
refroidi, de
l'endroit, situé au dessus, où se trouve la surface libre du métal liquide
coulé (le
"ménisque"). La première solidification, on le sait, procède d'un mécanisme
physique
très sensible, en même temps qu'elle constitue un facteur essentiel de la
qualité du
produit obtenu. Grâce à la séparation des niveaux propre à la coulée continue
en
charge, cette solidification s'opère dans un lieu calme au plan de
l'hydrodynamique,
éloigné de la zone toujours perturbée qu'est la région du ménisque.
Schématiquement, cette séparation des deux niveaux est réalisée en surmontant
le
corps en cuivre refroidi de la lingotière par une rehausse rapportée non
refroidie en
matériau réfractaire à propriétés thermo-isolantes élevées (une masselotte en
quelque sorte), bien alignée intérieurement avec la lingotière et au sein de
laquelle la
couleur va piacer et maintenir le ménisque de l'acier coulé, déversé depuis un
répartiteur disposé au dessus.
La coulée continue en charge de ce type, connue pourtant depuis longtemps
dans ces principes, et décrite par exemple dans le brevet français FR-A-20
09365,
n'a toujours pas à ce jour obtenu de réalisation industrielle à la
connaissance des
déposants. Leurs propres travaux menés plus récemment sur le sujet (voir par
exemple FR-A-27 47061 et FR-A-27 47062) ont montré tout l'intérêt de prévoir
entre
la rehausse isolante en réfractaire et la lingotière en cuivre refroidi qui la
supporte,
un insert également en
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matériau réfractaire, mais dense donc bien plus résistant mécaniquement
que les réfractaires isolants habituels, qui sont généralement des fibreux.
Cette pièce intercalaire doit être en effet à la fois assez bon isolant de la
chaleur pour maintenir à l'état liquide l'acier en fusion qu'elle va contenir
à
l'instar de la rehausse, et présenter de bonnes propriétés de résistance
mécanique pour préserver le plus longtemps possible la géométrie de
l'arête supérieure de la paroi en cuivre sur laquelle elle repose, là
précisément où s'initie la solidification du métal coulé. On sait qu'un
matériau comme le SiAlONO répond assez bien à ce type d'exigences
opposées.
Toutefois, ce type de matériau est onéreux, en particulier quand il
s'agit de le conformer en un anneau épousant le pourtour intérieur de la
lingotière. Son prix peut même devenir prohibitif pour des inserts de grande
longueur, comme c'est le cas avec des lingotières à grand périmètre de
solidification que sont nécessairement les lingotières pour la coulée de
produits à large section, comme les brames. Par ailleurs, et les travaux des
déposants l'ont également confirmé, il importe pour la réussite de
l'opération de coulée de conserver un alignement de l'insert en SiAION
avec la lingotière dans des marges très étroites de tolérance (0.1 mm
maximum). Une telle exigence est d'autant plus sévère à respecter en
l'espèce que les inévitables phénomènes de dilatation différentielle à chaud
des différentes parties en présence au contact du métal en fusion sont une
cause majeure de désalignement. Il est à noter de surcroît que de tels
phénomènes sont d'autant plus conséquents que la lingotière est de grand
format, ce qui est particulièrement le cas, là aussi, de la coulée de brames
d'acier (largeur pouvant classiquement atteindre voire dépasser 1800 mm).
Le but de la présente invention est d'apporter une réponse simple,
fiable, et économique aux difficultés précitées rencontrées avec la coulée
de produits de large section.
A cet effet, l'invention a pour objet une tête de lingotière pour la
coulée continue verticale en charge des métaux, de l'acier en particulier,
comportant une rehausse en matériau réfractaire thermo-isolant qui
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surmonte le cristailisoir en métal refroidi de la lingotière (généralement en
cuivre ou en alliage de cuivre) en étant aligné intérieurement avec lui, et
comportant, entre la rehausse et le cristallisoir, un insert en matériau
réfractaire dense ayant des propriétés de résistance mécanique (du SiAION
par exemple) et conformé en anneau de manière à pouvoir épouser la
périphérie intérieure de la lingotière, caractérisé en ce que ledit insert est
constitué de barreaux, chaque barreau étant formé à partir d'un
assemblage rigide d'éléments jointifs juxtaposés et alignés, maintenus
serrés entre eux par un moyen de serrage intégré audit barreau, et en ce
que des moyens d'alignement dudit barreau avec le corps de la lingotière
sont prévus et constitués par un poussoir associé à une butée de
positionnement ménagée sur le corps en cuivre refroidi et contre laquelle
vient s'appuyer ledit assemblage soumis à cet effet à l'action du poussoir
qui tend à le repousser en permanence vers l'intérieur de la lingotière.
Plusieurs assemblages de ce type aboutés les uns à la suite des
autres avec des angles de raccordement appropriés (généralement des
angles droits car les produits coulés en continus sont ordinairement de
section rectangulaire) formeront un insert dans sa géométrie définitive
voulue pour épouser le pourtour de la lingotière.
Dans une forme préférée de réalisation de l'invention, le moyen de
serrage intégré est constitué par un tirant fileté traversier dans le sens
long
associé à des écrous de serrage (plus généralement des patins de serrage)
prévus au moins en appui sur la face frontale libre des éléments situés à
chaque extrémité de l'assemblage. Avantageusement, le tirant traversier
est placé en position excentrée vers la face "froide" de l'assemblage, c'est-
à-dire sa face arrière opposée à la face "chaude" avant destinée à être
mise au contact du métal en fusion à couler.
De préférence encore, des écrous de serrage intermédiaires sont
également prévus en appui contre les faces frontales intérieures des
différents éléments de manière à mettre en compression mécanique chacun
des éléments dans le sens long.
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Conformément à une autre réalisation avantageuse de l'invention,
l'assemblage d'éléments constitutifs de l'insert est pourvu, outre les
moyens de serrage global précités, de moyens de rigidification mécanique
de la face "froide"
Comme on l'aura sans doute déjà compris, l'invention consiste, dans
ses caractéristiques essentielles, à construire un long barreau rectiligne de
réfractaire compact (que l'on supposera être du SiAION par la suite pour
fixer les idées) à partir d'éléments, éventuellement identiques, en tous cas
surfacés au besoin pour permettre bien entendu leur jonction étanche, et
mis bout à bout les uns à la suite des autres sur une distance
correspondant à la longueur voulue pour le barreau, puis réunis en un tout
rendu rigide à l'aide de moyens de serrage propres conçus pour assurer
également un renforcement mécanique de l'ensemble. On réalise ainsi un
barreau de SiAION de longueur voulue bien moins coûteux et bien plus
solide qu'un barreau monolithique équivalent que l'on pourrait se procurer
dans le commerce. Dès lors, cette solidité accrue permet de retenir des
solutions d'alignement rustiques et néanmoins précises et fiables, du type
"butée + poussoir", qui ne pourraient être appliquées sur des organes
fragiles ou cassants.
L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages
apparaîtront plus clairement encore au vu de la description qui suit donnée
à titre d'exemple non limitatif de réalisation et en référence à la planche
unique de dessins sur laquelle:
- la figure 1 est une vue en coupe verticale de la tête d'une machine de
coulée continue de brames d'acier selon l'invention, faite suivant le plan
médian perpendiculaire aux grandes faces de la lingotière;
- la figure 2 est une vue en coupe du dessus selon le plan de coupe A-A de
la figure 1.
En se reportant sur la vue générale de la figure 1, on voit que la tête
d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale de brames d'acier
présente, dans le sens d'extraction du métal à produire PI, c'est-à-dire du
haut vers le bas sur la figure, un répartiteur 1 contenant un bain de métal
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en fusion 2, qu'il distribue à une (ou plusieurs) lingotière 3 placée en-
dessous au moyen d'une (ou plusieurs) busette immergée 4 dont les ouïes
de sortie latérale 5 du métal débouchent à une dizaine de cm sous la
surface libre 6 (ou "ménisque") du métal liquide présent dans la
fingotière 3.
Cette lingotière comprend, comme on le voit, deux étages 7 et 8.
L'étage inférieur 7 constitue le cristallisoir, encore dénommé "corps"
de la lingotière. Ce corps en cuivre, ou plus généralement en alliage de
cuivre, refroidi par circulation d'eau présente un passage intérieur 9 pour le
métal coulé, dans lequel ce dernier au contact des parois métalliques
froides va se solidifier progressivement de la périphérie vers le centre à
mesure que le produit coulé PI progresse vers le bas au sein de la
lingotière.
Le cristallisoir 7 est lui même formé de préférence de deux parties
superposées : une partie principale 10, prolongée par le dessus par une
partie accessoire 11 bien ajustée et alignée intérieurement avec la partie
basse 10 pour offrir au produit coulé un passage régulier et continu.
La partie basse 10 est classiquement constituée dans le cas de la
coulée continue de brames par quatre plaques (ou parois) assemblées à
angle droit : deux grandes parois 12 et 12' en regard l'une de l'autre et
deux petites parois d'extrémité, non visibles sur la figure. Ces quatre
parois, dont la face intérieure est destinée à venir au contact du métal
coulé, sont énergiquement refroidies par circulation d'eau le long de leur
face extérieure. Classiquement, une chemise en acier 13 est prévue à
faible distance de chaque plaque 12, 12', pour canaliser une lame d'eau 14
à circulation verticale de préférence. La chemise 13 comporte à ses
extrémités des passages 15 et 15' qui mettent la lame d'eau 14 en
communication avec une chambre d'introduction 16 et avec une chambre
d'évacuation 17 située au dessus, délimitées par une cloison externe 18
placée à distance derrière la chemise 13.
La partie supérieure rapportée 11 forme un anneau refroidi par une
circulation d'eau interne dans un canai 19 ménagé au plus près possible de
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son arête supérieure 20 sur laquelle va s'initier la solidification du métal
coulé. Le rôle de l'anneau 11 est précisément de bien protéger
thermiquement cette arête 20 qui va être très sollicitée thermo-
mécaniquement lors de la coulée en la refroidissant de manière
sensiblement plus efficace que ne peut le faire le circuit de refroidissement
à lame d'eau 14 de la partie principale 10 à plaques assemblées. L'anneau
refroidi 11 est surfacé à sa base de manière à bien épouser la surface
supérieure de l'assemblage tubulaire 10 sur laquelle il repose, et éviter
ainsi
tout risque d'infiltration de métal en fusion.
L'étage supérieur 8 est formé par une rehausse en matériau
réfractaire non refroidi, dont la paroi intérieure, pour les mêmes raisons que
précédemment, est de préférence alignée avec celle du corps du
cristallisoir 7 (et en tous cas, pas en retrait).
Au plan du processus de coulée, le montage "cristal{isoir métallique
refroidi 7 surmonté par la rehausse réfractaire isolante 8" définit un
passage calibrant pour le métal coulé PI, dont la portion supérieure 21 au
sein de la rehausse constitue une zone-tampon de confinement des
perturbations hydrodynamiques provoquées par l'arrivée du métal en fusion
dans la lingotière au travers des ouïes 5 de la busette 4, et dont la
portion 9, qui la prolonge vers le bas, est une zone de solidification du
métal coulé.
Cette solidification, comme on le voit, s'initie dès le premier contact
de l'acier coulé avec la paroi métallique froide du cristallisoir 7, à savoir
sur l'arête supérieure 20 de l'anneau en cuivre 11, et se poursuit vers
l'aval en formant une croûte solide 22 dont l'épaisseur croît de la
périphérie vers le centre. A la sortie de la lingotière, la croûte 22, 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 solidification totale du produit coulé PI sous l'effet de
rampes d'aspersion d'eau, non représentées, situées dans fa moitié basse
de la machine. Une fois complètement solidifié, le produit obtenu est coupé
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en tronçons de longueur voulue (les brames) qui sont alors disponibles pour
façonnages ultérieurs (laminage, etc.)
Comme on le voit, cette rehausse réfractaire 8 est elle aussi formée
par deux éléments distincts superposés
- un manchon supérieur 23 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 21. On optera pour
un réfractaire fibreux, par exemple le matériau commercialisé sous la
dénomination A 120K par la firme KAPYROK.
- et un élément inférieur 24, appelé "insert", en matériau réfractaire choisi
pour sa bonne tenue mécanique, donc dense, car il s'agit de résister au
mieux, au voisinage du cristallisoir 7, à l'érosion mécanique de la pointe
supérieure de la croûte solide 22 sur l'arête 20 de l'anneau métallique
refroidi 11, alors que l'ensemble est soumis au mouvement d'oscillation
vertical habituel nécessaire à la réussite de l'opération de coulée ainsi
qu'aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine fonctionnant par
cycles thermiques imposés par le caractère nécessairement séquentiel du
procédé de coulée lui -même. Un matériau tel que du SiAION (Sialon (R)),
avantageusement dopé au Nitrure de Bore, pourra parfaitement convenir.
L'intérêt d'une rehausse 8 en deux parties superposées 23, 24
réside dans le fait de pouvoir améliorer la tenue mécanique de la partie
basse soumise à l'érosion provoquée par les mouvements de "va et vient"
de la pointe de solidification du métal coulé imprimés par les oscillations
verticales de la lingotière. En contrepartie, cet insert inférieur résistant
24
est inévitablement moins isolant de la chaleur que le manchon
supérieur 23. II y a donc, au contact de sa paroi intérieure alignée avec
celle de l'anneau refroidi 11, formation possible d'un voile de solidification
parasite prématurée du métal coulé. Ce voile est un facteur d'hétérogénéité
important à l'égard du processus de solidification contrôlé qui doit avoir
lieu dans le cristallisoir 7.
C'est pour cette raison que l'on a avantage, conformément à une
mise en oeuvre de la coulée en charge déjà connue par ailleurs (FR-A-
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27 03609), d'insuffler un rideau gazeux à la base de la rehausse 8 dans le but
de
briser le voile de solidification parasite né sur l'insert 24 et permettre
alors un
démarrage régulier et franc de la solidification du métal coulé au contact de
l'anneau
refroidi 11. A cet effet, un circuit d'injection de gaz inerte perdu (de
l'argon par
exemple) est prévu entre la rehausse 8 et le cristallisoir 7. Ce circuit
comprend une
fente annulaire 25 ménagée à l'interface rehausse - cristallisoir et
débouchant à une
extrémité sur le pourtour intérieur de la lingotière et reliée à son autre
extrémité à
une chambre de distribution 26 alimentée en argon par une tubulure calibrée
27,
elle-même reliée à une source d'argon non représentée par l'intermédiaire d'un
caisson sous pression 28 enveloppant la rehausse 8. Cette disposition présente
l'avantage d'éviter tout risque d'oxydation du métal liquide coulé au sein de
la
lingotière par l'oxygène de l'air au travers de la masse réfractaire isolante
23
inévitablement perméable quelque peu.
Conformément à l'invention, l'insert en SiAION 24 est, non pas d'une seule
pièce, mais réalisé à partir d'éléments jointifs juxtaposés maintenus
rigidement
serrés entre eux par un moyen de serrage intégré à l'insert. Un mode de
réaiisation
est visible sur la figure 2, qui montre un barreau constitutif de l'insert tel
qu'il apparaît
sur chacune des grandes faces de la lingotière. Bien entendu, l'insert fait le
tour de
la périphérie intérieure de la lingotière. Il présente donc, une fois monté,
sous la
forme d'un cadre rectangulaire dont les côtés, petits ou grands, sont formés
par des
barreaux rectilignes conformes à celui, 29, montré sur la figure 2.
Comme on le voit, un barreau 29 est constitué par assemblage d'éléments
jointifs juxtaposés 30 maintenus rigidement serrés entre eux par un moyen de
serrage intégré au barreau lui-même. Dans l'exemple décrit, ce moyen de
serrage
propre au barreau est une bride composée d'un tirant 31 traversant de part en
part
chaque élément en passant dans un passage 32 ménagé à cet effet dans chacun
d'eux, ce tirant, fileté au moins à ses extrémités dépassant de l'ensemble,
est
associé à des écrous de serrage 33 vissés sur ces extrémités de manière à
venir en
appui sur les faces frontales libres des éléments 30 en bout. Un tel moyen de
serrage
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est dit "à action globale" parce que, tel un étau, il met en compression
mécanique l'ensemble des éléments en agissant uniquement sur les
éléments en bout du barreau. Bien entendu, on peut prévoir en outre de
précontraindre chaque élément individuellement à l'aide du tirant 31. Il
suffit pour cela de disposer d'un tirant fileté sur toute sa longueur et
d'ajouter des écrous intermédiaires à la jonction entre deux éléments 30.
On a avantage, comme le montre la figure 2, de conformer les faces
frontales jointives des éléments 30 pour favoriser leur emboîtement et par
conséquent leur alignement de même que l'étanchéité des zones de
jonction à l'égard des infiltrations possibles de métal liquide coulé compte
tenu de la pression ferrostatique dans la lingotière au niveau en hauteur où
se situe l'insert 24.
De préférence, le tirant est en position décalée vers la face "froide"
du barreau (vers le bas de la figure). Par opposition à la face "chaude"
destinée à venir au contact du métal en fusion, on qualifie de "face froide"
la face de l'insert opposée à celle-ci et donc la moins sollicitée
thermiquement. L'excentration de la localisation du tirant 32 vers cette
face froide a pour but d'éviter que le tirant, généralement en acier, ne
s'échauffe trop en étant trop près de la face chaude, ce qui aurait pour
conséquence une possible décohésion de l'ensemble suite à des
phénomènes de dilatation différentielle trop importants.
Une telle mise en compression préférentielle de la face froide
présente un autre intérêt. Comme l'insert réfractaire 24 est par destination
une pièce de transition entrE le cristallisoir métallique refroidi 7 et le
manchon réfractaire isolant 23, il est nécessairement un mauvais
conducteur de la chaleur. On aura donc toujours un gradient thermique
significatif entre sa face chaude et sa face froide. Il sera donc toujours
également le siège de phénomènes de dilatation différentielle importants
dans son épaisseur. Une mise en précontrainte de compression
préférentielle de sa face froide contribuera ainsi à contrecarrer les
velléités
de fissurations ultérieures, qui sinon pourraient être provoquées par sa
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mise en traction lors de la dilatation de la face chaude au contact du métal
en fusion.
L'excentration du tirant de serrage 31 présente encore l'avantage
supplémentaire de pouvoir réduire au besoin l'épaisseur de l'insert 24, par
5 exemple à l'occasion d'opérations de reconditionnement de la face chaude
après usage.
Conformément à une réalisation préférée, des moyens de
raidissement de la face froide du barreau sont prévus. Pour éviter tout
risque de flambage, qui donnerait au barreau une forme "banane" en raison
1o de l'effet de "porte-à-faux" du serrage par le tirant 31 excentré, on a
avantage à raidir la face froide du barreau 29. Cette fonction peut être
assurée simplement par une coquille 34 mieux visible sur la figure 2. Cette
coquille en forme de "L" à angle légèrement aigu, est en acier à ressort : la
plaque de fond 35 vient s'appliquer étroitement contre la face froide du
barreau en y étant maintenue élastiquement par sa joue latérale 36 ancrée
dans la matière de l'insert 24 à l'aide de son bord plié 37 en prise dans une
encoche prévue à cet effet sur la face latérale (ici la face supérieure) du
barreau.
La mise en place correcte du barreau 29 au sein de la lingotière
consiste à permettre à sa face chaude 36 de venir affleurer la surface
intérieure de la lingotière et ce de façon bien régulière sur toute sa
longueur, laquelle peut atteindre et même dépasser 1,5 m, selon la largeur
de la brame coulée. Conformément à une caractéristique essentielle de
l'invention, ce résultat est atteint grâce à des moyens d'alignement du
barreau consistant à le pousser élastiquement en permanence vers
l'intérieur de la lingotière contre un arrêtoir solidaire de l'anneau en
cuivre 11 supérieur du cristailisoir 7. Concrètement, de tels moyens
peuvent être simplement constitués, d'une part, par une batterie à
ressorts 38 disposée en regard de la face froide du barreau et sur laquelle
les ressorts agissent en prenant leur appui fixe sur la cloison du caisson
28, et, d'autre part, par une butée d'arrêt 39 venue par usinage de la face
supérieure de l'anneau refroidi 11. Dans l'exemple décrit, cette butée se
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présente sous la forme d'une languette de manière à constituer en même
temps une cloison délimitant la chambre 26 de répartition du flux d'argon
débouchant sur le pourtour intérieur de la lingotière juste en dessous de
l'insert réfractaire 24.
Bien entendu, la face inférieure du barreau 29 doit être également usinée
en correspondance pour offrir un épaulement 40 visible sur la vue de la
figure 1 venant coopérer avec la butée 39.
Il 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 ses
1o caractéristiques essentielles données dans les revendications jointes sont
reproduites.
Ainsi, il n'y a pas de limitation dans le nombre ou la longueur des
éléments unitaires 30 constitutifs d'un barreau 29, et qui peuvent par
ailleurs être tous de même longueur ou non. De même, si on l'estime
préférable à un barreau unique, plusieurs barreaux tels que 24 peuvent être
mis bout à bout pour occuper la largeur d'une grande face de la lingotière.
Par ailleurs, il n'est pas indispensable que le tirant de serrage
traverse les éléments 30. II est en effet possible, sous réserve
d'encombrement compatible en cet endroit de la lingotière, de prévoir un
tirant externe longeant la face froide du barreau et muni à ses extrémités
de deux mors à la manière d'un serre-joint classique.
Il doit par ailleurs être noté que si l'invention a été initialement faite
spécifiquement pour la coulée de brames et autres formats allongés, elle
n'en demeure pas moins applicable à la coulée de produits de format
quelconque dans la mesure bien entendu où de tels produits peuvent être
coulés selon la technique de la coulée continue en charge.
De même l'invention s'applique à la coulée continue non seulement
de l'acier, mais tout autre métal apte à être coulé en continu et notamment
les métaux à plus bas point de fusion que l'acier que sont l'aluminium ou le
cuivre.
