Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 00/37197 PCT/FR99/03166
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~lnaotièro olurianaulairo de coulée continue en charoe
d'un s~roduit métalluroiaue
L'invention concerne une tëte d'une lingotière de coulée continue en
charge- d'un produit métallurgique, te! qu'un bloom, une billette ou une
brame en acier.
Dans le cas de la coulée continue d'un produit métallurgique, on
coule un métal en fusion dans une partie supérieure ou tëte d'une lingotière
ayant une disposition générale verticale et hors de laquelle est extrait par
le
bas un produit solidifié en périphérie.
Le procédé dit de "coulée continue en charge", qui constitue en fait un
perfectionnement du procédé générai de coulée continue est mis en pauvre
d'une manière telle que le ménisque (surface libre du métal coulé) est re
porté en amont du niveau où commence la solidification du métal à l'intérieur
de la tëte de la lingotière. Pour mettre en ceuvre le procédé de coulée conti-
nue en charge, l'élément tubulaire en cuivre habituel de la lingotière,
refroidi
par circulation interne d'eau de refroidissement, est surmonté, de façon
parfaitement jointive, par une rehausse ron refroidie en matière réfractaire
thermo-isolante servant de réserve de métal en fusion alimentée par le jet de
coulée depuis un répartiteur disposé ~u dessus à faible distance. Grâce à ce
nouveau type de réalisation de la tëte de lingotière, le ménisque de métal
liquide s'y établit, pendant la coulée, à l'intérieur de la rehausse
réfractaire,
alors que la solidification du métal ne commence qu'au niveau de l'élément
tubulaire métallique refroidi, qui lui, Gemme en coulée continue classique.
calibre en forme et en taille le produit culé. De la sorte les remous dans le
métal liquide dus au jet de coulée sont limités à l'intérieur de la rehausse.
Dans l'espace de solidification défini par l'élément tubulaire en cuivre placé
en dessous, l'écoulement de métal coulé peut être ainsi maintenu dans un
état hydrodynamique relativement calme, ce qui permet notamment de ré-
gulariser le profil de solidification de l'ac;er au contact de la paroi
refroidie en
cuivre selon tout le pourtour intérieur de la lingotière. Cependant, pour met-
tre en ceuvre un tel procédé de manière satisfaisante, il est nécessaire
d'éviter toute solidification prématurée du métal coulé au niveau de la re-
hausse afin de pouvoir assurer le démarrage de la solidification plus bas;
précisément à l'endroit du contact avec l~ paroi froide en cuivre .
Pour cela, on a déjà proposé de ménager un interstice de très faible
hauteur (inférieur à 1 mm et généralement de l'ordre de 0,2 mm) entre la
rehausse réfractaire et l'élément tubulaire en cuivre et de réaliser, par
l'intermédiaire de cette fente, une injecticn de fluide, généralement de gaz
inerte te! que de l'argon dans la lingotière selon sa périphérie intérieure.
Pour assurer un débit de gaz en tout peint de la fente, celle ci est alimentée
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en gaz sous pression par l'intermédiaire d'une chambre de répartition qui
l'entoure.
Cette injection de gaz a pour effet de cisailler le voile de solidification .
parasite hétérogène qui pourrait se former au dessus contre la paroi inté-
rieure de la rehausse réfractaire et créer ainsi les conditions favorables à
un
démarrage franc et régulier de la solidification au niveau de l'élément en cui-
vre refroidi situé juste en dessous.
Dans le cas des lingotières non-circulaires, autrement-dit dans le cas
de lingotières dotées d'un élément tubulaire refroidi de forme quadrangulaire
(pour la coulée de brames, ou de blooms ou billettes de section droite car
rée, par exemple) ou plus généralement pluriangulaire (coulée d'ébauches
ayant déjà la forme du produit fini recherché), on a pu constater sur les pro-
duits coulés après solidification complète la présence de défauts de solidifi-
cation le long des arêtes, tels que criques longitudinales, exfoliations,
etc...,
défauts dont l'origine a pu être identifiée comme étant un manque de métal
solidifié en ces endroits déjà au niveau de la lingotière, donc au moment
mëme de la formation de la peau solide.
La présente invention a précisément pour but de proposer une solu-
tion permettant de réduire, voire d'éliminer complètement ces défauts de
solidification dans les angles des produits coulés obtenus.
A cet effet, l'invention a pour objet une lingotière de coulée continua
en charge des métaux en fusion, comprenant un élément tubulaire métalli-
que refroidi de forme quadrangulaire définissant la forme et la taille du pro-
duit coulé et dans lequel le métal en fusion se solidifie au contact de la
paroi
métallique intérieure refroidie, ledit élément tubulaire refroidi étant
surmonté
par une rehausse non refroidie en matériau réfractaire thermo-isolant défi-
nissant une réserve de métal en fusion à solidifier, une fente d'injection
d'un
fluide de cisaillage (notamment un gaz inerte sous pression, tel que de (ar-
gon de préférence) selon la périphérie intérieure de la lingotière étant ména-
gée entre l'élément métallique refroidi et la rehausse réfractaire, lingotière
caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens de réduction du débit de
fluide de cisaillage dans les angles.
De préférence, ces moyens sont constitués par un élément consti
tuant un obstacle au passage du gaz dans la fente d'injection et placé dans
chacun des angles de la fente.
L'invention résulte des considérations suivantes. Pour obtenir un effet
de cisaillage satisfaisant du flux de gaz injecté à la base de la rehausse, il
est nécessaire de maintenir un débit de gaz tout le long de la fente afin
qu'il
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n'y ait pas de zones mortes sur lesquelles des fragments de solidification
indésirâble persisteraient donc. Or, même si on alimente la fente à partir
d'un répartiteur périphérique de gaz sous pression, assurant donc des per-
tes de charge égales et, par conséquent. un débit linéique sortant constant
sur toute la longueur de fente, on n'obtient cependant pas un débit de gaz
injecté égal en tout point du périmètre du produit coulé. On observe en effet
un surdébit de gaz dans les angles de la lingotière dû au fait que, la fente
étant bien entendu de même forme rectangulaire que la lingotière, l'intérieur
de celle-ci est alimenté en gaz de manière bidirectionnelle dans ses zones
d'angle. Ce surdébit dans les angles se traduit au voisinage de la fente,
donc en particulier dans la partie supérieure de l'élément en cuivre refroidi
situé juste en dessous par une surpression qui peut provoquer un décolle-
ment local de la peau solidifiée de la paroi froide en cuivre à l'endroit des
arêtes du produit coulé. Ce sont ces décollements qui, en raison de feffon-
drement de l'efficacité de refroidissement du produit dans les angles qui en
résulte, sont responsables de phénomènes perturbateurs de la solidification
du type "manque de métal solidifié", lesquels se concrétisent ensuite sur le
produit coulé obtenu par des défauts de solidification dans les angles le long
des arêtes.
Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à
titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe,
une lingotière de coulée continue en charge d'une billette d'acier de forme
carrée, suivant l'invention.
La figure 1 est une demi-vue schématique, en coupe axiale, de la
partie supérieure de la lingotière, suivant le plant-1 de la figure 3.
La figure 2 est une demi-vue schématique en coupe axiale de la par-
tie supérieure de la lingotière, suivant le plan 2-2 de la figure 3.
La figure 3 est une vue de dessus de la partié inférieure de ia lingo-
tière, suivant le plan 3-3 de la figure 1 ou de la figure 2.
Sur la figure 1 et sur la figure 2, on voit la partie supérieure d'une lin-
gotière de coulée continue en charge désignée de manière générale par le
repère 1 qui comporte un élément tubulaire en cuivre refroidi 6 prolongé vers
le haut, et de manière bien jointive pour éviter les infiltrations de métal en
fusion, par une rehausse 5 en, matériau réfractaire non refroidi.
L'élément métallique refroidi 6 et la rehausse réfractaire 5 délimitent,
dans leur partie interne, un espace interne de coulée 3 dans lequel on réa-
lise la coulée et la solidification d'un métal en fusion 4 tel que de l'acier.
Comme il est visible sur la figure 3, l'espace interne de coulée 3 présente
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une section transversale de forme carrée à angles arrondis, dont ie rayon a
été volontairement exagérément agrandi pour mieux faire apparaïtre les
éléments caractéristiques constitutifs de l'invention que l'on précisera à nou-
veau par la suite.
On notera que l'élément tubulaire refroidi en cuivre 6 constitue l'élé-
ment principal de la lingotière. C'est lui qui, étant énergiquement refroidi
par
une circulation interne d'eau (laquelle s'établit ici dans un espace 2 que mé-
nage une chemise métallique 8 entourant à distance l'élément 6), sert clas-
siquement de cristallisoir, contre la paroi intérieure 11 duquel se solidifie
l'acier en fusion 7 en formant d'abord une première peau T dès le premier
contact avec le cuivre froid 11. Ensuite, à mesure que le produit coulé pro-
gresse vers le bas dans la lingotière dans le sens indiqué par la flèche F,
cette peau, sous l'effet du pompage calorique intense due au refroidisse-
ment énergique de l'élément en cuivre 6, s'épaissit de plus en plus. La soti-
dification du produit coulé 7 progresse ainsi de la périphérie vers l'axe cen-
tral jusqu'à solidification complète qui intervient classiquement à une
dizaine
de mètres sous la lingotière, des rampes d'aspersion d'eau étant prévues à
cet effet à la suite de celle-ci pour arroser directement la surface du
produit
coulé à refroidir.
Quant à la rehausse 5, composant spécifique de la coulée dite "en
charge", sa fonction essentielle est de servir de réserve 4 de métal en fu-
sion. Ce métal arrive par un jet de coulée 12 en provenance d'un répartiteur
14 placé à faible distance au dessus et amené par une busette 13 montée
sur l'orifice de sortie du répartiteur. La réserve 4 constitue une masse-
tampon, qui a un rôle déterminant au plan de l'hydrodynamique en permet-
tant aux remous souvent violents de métal liquide dus à la forte quantité de
mouvement du jet d'acier 12 de s'y développer librement et donc de s'y
amortir. Ainsi, (acier liquide qui an-ive ensuite dans le cristallisoir 6 pour
s'y
solidifier est dans un état beaucoup plus calme et surtout éloigné du ménis-
que 15, dont l'agitation est souvent à l'origine des hétérogénéités de
solidifi-
cation de l'extrême peau en lingotière de coulée continue classique. En des
sous de la réserve 4, l'écoulement du métal en fusion s'approche d'un
écoulement de type "piston", c'est-à-dire sans gradient marqué du vecteur
vitesse dans la section, ce qui est extrêmement favorable au bon accomplis
semant du processus de solidification.
La rehausse en matériau réfractaire 5 comporte en règle générale -
mais non représentée sur les figures- une partie supérieure principale en un
matériau réfractaire fibreux choisi pour ses qualités thermo-isolantes afin de
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conserver la réserve de métal en fusion 4 à (état liquide, par exemple le
matériaù commercialisé sous la dénomination A120K par la firme KAPYROK
et un insert annulaire inférieur choisi en un matériau réfractaire dense, tel
que du SiAION ~ pour assurer une meilleure tenue mécanique au voisinage
5 immédiat de l'élément en cuivre refroidi 6 sollicité par le début de
solidifica-
tion.
On observera que la rehausse est fixée en position bien alignée avec
l'élément tubulaire 6 au moyen de pions de centrage non représentés et
d'une bride d'assemblage 9 à tirant 9', cette bride portant sur une plaque
métallique 5a recouvrant la partie réfractaire. Un caisson en tôle 10 est
avantageusement prévu pour le passage des tirants et pour rigidifier le
montage..
Malgré tes qualités thermo-isolantes du matériau réfractaire utilisé
pour la rehausse 5, des pellicules de solidification parasite 16 de métal
coulé
plus ou moins étendues peuvent se former sur la paroi intérieure de la re-
hausse. Mëme localisées sur le pourtour, elles peuvent être néfastes au bon
déroulement de la solidification dans le cristallisoir 6 pour peu que ces frag-
ments 16 parviennent à s'étendre jusqu'au niveau du bord de l'élément re-
froidi 6 où débute la solidification. Pour rompre avant ce stade l'éventuel
voile de' solidification indésirable formé prématurément dans la rehausse, on
pratique à la base de celle-ci une injection périphérique d'un fluide de ci-
saillage. On utilisera à cet égard de préférence un gaz, et de préférence en-
core un gaz chimiquement inerte à l'égard du métal coulé, tel que de l'argon.
A cette fin, une fente 18,de faible épaisseur par exemple de l'ordre de
0,2 mm, est ménagée entre la rehausse 5 et l'élément en cuivre refroidi 6.
Cette fente s'ouvre librement vers l'intérieur de la lingotière et débouche à
son autre extrémité dans une chambre annulaire étanche 19 ménagée dans
la rehausse. Cette chambre 19, qui longe la fente 18 tout du long, sert à bien
répartir le débit linéique de gaz devant sortir de la fente. Elle esi reliée
par
une conduite 20 à une source externe de gaz sous pression 21. La fente 7 8
présente une forme annulaire analogue à la forme quadrangulaire de la lin-
gotière, donc de celle que prend le produit coulé 7 une fois solidifié en peau
au sein de l'élément en cuivre 6. En particulier, elle présente donc un con-
tour à quatre angles, comme montré sur la figure 3, où l'arrondi des angles a
été délibérément exagéré pour les raisons prémentionnées.
Du fait qu'au voisinage de chacun des angles 3a, 3b, 3c et 3d de la
lingotière ie gaz de cisaillage introduit dans l'espace de coulée 3 est amené
à partir de deux côtés à angle droit de la fente 18, l'alimentation
bidirection-
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nelle et convergente des zones d'angle de l'espace de coulée 3 produit un
sursoufffage de gaz dans ces zones, entraînant un risque d'éloignement lo-
cal du métal coulé de la paroi en cuivre 11 au niveau du bord supérieur de
celui-ci, là où se forme l'extrême peau , et par conséquent, des manques de
métal solidifié, par rapport au reste du pourtour, au voisinage des arêtes du
produit coulé en cours de solidification au sein de l'élément en cuivre 6. en
raison du manque de refroidissement efficace du produit en ces endroits.
De manière à éviter cette suralimentation en gaz des zones d'angle
on dispose, conformément à (invention, dans les angles de la fente 18 des
éléments d'obstruction du passage du gaz, comme il est visible sur les figu
res2et3.
Les éléments d'obstruction 17, placés dans des angles de l'interstice
18, peuvent ëtre constitués par des pelotes de matériau réfractaire fibreux
souple qui, après serrage de la rehausse contre le dessus de l'élément mé-
tallique 6, viennent boucher localement le passage par écrasement., de
l'extérieur vers l'intérieur de la lingotière. Chacun des éléments
d'obstruction
17 est alors avantageusement délimité vers l'extérieur par le contour interne
de la chambre de répartition 19, vers l'intérieur par un angle de l'espace de
coulée 3, et latéralement par deux côtés rectilignes convergeant en direction
de l'espace de coulée 3, en faisant un angle a avec la perpendiculaire à ia
surface interne plane de l'espace de coulée 3, à l'extrémité correspondante
de l'angle arrondi 3a (ou 3b,3c,3d, respectivement) de l'espace de coulée
délimitant vers l'intérieur l'élément d'obstruction 17.
Dans le cas où l'angle arrondi de l'espace de coulée de la lingotière
présente un rayon voisin de 6,5 mm, la largeur de l'élément d'obstruction 17,
dans sa zone la moins targe, adjacente à un angle de l'espace de coulée,
doit être de préférence comprise entre 4 et 6,5 mm. Si cette largeur est infé-
rieurs à 4 mm, on supprime mal le surdébit local de gaz injecté dans !'angle.
Dans le cas où la largeur est supérieure à fi,5 mm, il existe une zone au voi-
sinage de l'angle, où le débit linéique de gaz injecté est nul.
Par ailleurs, l'angle a entre le côté rectiligne de l'élément d'obstruc-
tion~17 et la perpendiculaire à la surface interne de l'espace de coulée sera
avantageusement compris entre 0 et 45°. Au-delà de ces valeurs
d'inclinaison des côtés de l'élément d'obstruction 17, le débit linéique de
gaz
injecté, c'est-à-dire le débit par unité de longueur du contour intérieur de
la
lingotière au niveau de la fente 18 s'annule dans une zone au voisinage des
angles.
On a déterminé qu'une valeur de l'angle a voisine de 20°
permettait
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d'obtenir un débit linéique constant suivant le pourtour intérieur de la lingo-
tière, dàns le cas de la coulée de produits de forme rectangulaire ou carrée.
Dans certains cas, en fonction de la forme plus ou moins complexe des pro-
duits à couler, les deux côtés latéraux rectilignes des éléments d'obstruction
17 peuvent faire des angles a et a' différents avec les perpendiculaires à la
surface interne plane de l'espace interne de coulée 3, aux extrémités des
angles.
En utilisant des éléments d'obstruction de la fente 18 présentant les
caractéristiques géométriques et dimensionnelles données ci-dessus, on
peut obtenir un débit linéique de gaz inerte dans l'espace interne de coulée,
au niveau de la fente 18, parfaitement constant. On supprime ainsi les dé-
fauts de solidification observés le long des arêtes du produit coulé une fois
solidifré.
L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit.
Par exemple, on peut utiliser, comme élément d'obstruction de la fente 18
dans ses zones d'angle, des matériaux différents de fibres réfractaires. Ces
éléments peuvent être totalement imperméables au gaz, ou encore légère
ment poreux.
II est possible également d'obstruer la fente 18 dans ses zones
d'angle et de supprimer le débit de gaz dans ces zones en prévoyant une
légère surépaisseur de ia rehausse 5 dans les zones d'angle s'étendant sui
vant la largeur de la fente 18, entre l'espace interne de coulée 3 et la cham
bre de répartition 19. Cette surépaisseur peut ëtre réalisée par usinage, par
exemple par fraisage, de la face inférieure de la rehausse 5 adjacente à
l'élément 6. Réciproquement, la surépaisseur d'angle peut être prévue sur
l'élément 6 dont on usinerait à cet effet la face supérieure tournée vers la
rehausse 5. De préférence, la zone en surépaisseur présentera une forme
analogue à la forme des éléments d'obstruction 17 telle que représentée sur
la figure 3. Cette surépaisseur peut être de préférence de l'ordre de 0,2 mm.
II est possible également d'obstruer partiellement la chambre de ré-
partition 19 dans des zones voisines de ses angles, de manière à limiter ou
à supprimer l'alimentation des zones d'angle de la fente 18. L'obstruction de
la chambre de répartition peut être réalisée, par exemple, en introduisant
dans les zones d'angle de la chambre de répartition des bouchons traversés
par des canaux dans le sens de circulation du gaz dans la chambre de ré-
partition ou encore des bouchons présentant une certaine porosité.
Dans la mesure où est respectée sa définition donnée par les reven-
dications jointes, l'invention s'applique à toute tête de lingotière pluriangu-
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taire de coulée continue en charge d'un produit métallurgique, tel qu'une
billette,-un bloom ou une brame, ébauches de forme déjà proche du produit
fini (poutrelles, rails, profilés divers, ... ). Par ailleurs, elle peut
s'appliquer
aussi bien dans le cas de la coulée continue d'acier que dans le cas de la
coulée continue de métaux non ferreux.
