Installation de coulee continue horizontale des metaux notamment de l'acier

Abstract

 L'installation selon l'invention comprend principalement un récipient métallurgique de coulée (1), une lingotière (7) de coulée continue horizontale et un joint 11 de raccordement étanche entre cette lingotière et ce récipient, le joint (11) étant un corps en matériau réfractaire formé de deux parties contiguës (14) et (15) présentant entre elles une différence de section droite pleine.
En outre, le profil interne du canal (10) ménagé dans le joint est de forme régulière, au moins dans la partie du joint (11) de plus faible section droite pleine et le canal (10) ne présente aucune discontinuité au niveau du raccord joint- lingotière.
De plus, des moyens sont prévus pour refroidir la partie de plus faible section droite pleine (15.)

Description

[0001] La présente invention se rapporte à la coulée continue horizontale des métaux ou alliages, en particulier de l'acier.

[0002] Les installations de coulée continue horizontale de l'acier comprennent essentiellement un récipient métallurgique de coulée recevant le métal liquide et muni à sa partie inférieure d'un orifice de sortie latéral situé en regard d'une lingotière sans fond, énergiquement refroidie, disposée horizontalement et dont le format conditionne celui du produit coulé. Le passage du métal liquide du récipient à la lingotière s'effectue par l'intermédiaire d'un joint constitué par un corps évidé axialement pour permettre la circulation du métal, et présentant d'excellentes propriétés réfractaires, par exemple du nitrure de silicium.

[0003] Habituellement les installations de coulée continue horizontale sont pourvues d'un joint dont l'évidement axial présente une section droite inférieure à celle de la lingotière (voir par exemple le brevet français n° 2.077,534). Ce type de joint, dont. 1' extrémité s'engage à le manière d'un insert dans l'entrée de la lingctière, créé ainsi un décrochement dans la conduite interne du passage du métal en fusion à l'endroit du raccord joint-lingotière. Etant donné l'importance des flux d'échange thermique à cet endroit, la solidification commence déjà au pied du déerochement dans la lingotière, et assure ainsi une bonne étanchéité au niveau du raccord.

[0004] Dans le but de faciliter l'extraction du produit coulé hors de la lingotière, il est connu de soumettre le produit à un mouvement cyclique d'oscillations longitudinales qui consiste à extraire d'une certaine longueur le produit coulé hors de la lingotière, à marquer un temps d'arrêt, éventuellement suivi d'une ccurte poussée sur le produit dans le sens inverse de la coulée, puis à recommencer une phase d'extraction, et ainsi de suite.

[0005] L'un des problèmes essentiels rencontrés dans les installations de coulée continue horizontale rappelées ci-dessus réside dans la présence de défauts en peau du produit solide, ces défauts étant souvent difficilement compatibles avec les exigences actuelles de qualité.

[0006] La recherche des causes de ces défauts a montré que la solidification du métal contre le décrochement mentionné ci-dessus s'effectue selon deux directions principales différentes et à des vitesses différentes, créant ainsi des zones de cristallisation hétérogène. Comme la formation de ces zones est favorisée pendant les phases d'arrêt et de poussée précitées, des défauts correspondants se retrouvent sur la surface du produit coulé, régulièrement espacés d'une distance égale au pas d'avancement effectué pendant la phase d'extraction du produit hors de la lingotière.

[0007] La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients. Plus précisément, l'invention vise une installation de coulée continue horizontale permettant le contrôle du début de la solidification dans le joint et l'obtention d'un métal solide homogène avec de bonnes conditions d'étanchéité entre le joint et la lingotière.

[0008] A cet effet, l'invention a pour objet une installation de coulée continue horizontale des métaux, notamment de l'acier, comprenant principalement : un récipient de coulée muni à sa partie inférieure d'un orifice de sortie latéral ; une lingotière sans fond, énergiquement refroidie, disposée horizontalement - ou sensiblement horizontalement - et dont le format interne définit celui du produit coulé, ladite lingotière présentant son extrémité d'entrée en regard de l'orifice de sortie du récipient ; et un joint destiné à assurer le raccordement étanche entre l'orifice de sortie du récipient et l'entrée de la lingotière, ledit joint étant pourvu d'un canal interne pour le passage du métal liquide depuis l'orifice de sortie du récipient jusque dans la lingotière, installation caractérisée en ce que ledit joint est constitué par une pièce de forme en matière réfractaire évidée axialement pour ménager le canal interne, ladite pièce étant formée de deux parties contiguës présentant entre elles une différence de sections droites pleines, la partie de plus grosse section droite pleine étant disposée en regard de l'orifice de sortie du récipient, en ce que des moyens sont prévus pour refroidir la partie de plus faible section droite pleine, disposée en regard de l'extrémité d'entrée de la lingotière, en ce que le profil interne du canal ménagé dans le joint est de forme régulière au moins dans la partie du joint de plus faible section droite pleine, et en ce que la section droite de l'extrémité dudit canal, dans la partie de plus faible section droite pleine du joint, est égale à la section droite interne de la lingotière.

[0009] Conformément à une variante, l'extrémité de la partie de plus faible section droite pleine du joint est engagée dans l'entrée de la lingotière de manière à bénéficier de l'effet refroidissant de cette dernière.

[0010] L'invention sera bien comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront au cours de la description qui suit, donnée en référence aux planches de dessins annexées sur lesquelles :

- la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une installation de coulée continue horizontale de l'acier selon l'invention,

- la figure 2 est une représentation agrandie plus détaillée du joint montré sur la figure 1,

- la figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan XX de la figure 2, montrant le joint en section droite.

[0011] Sur la figure 1 l'installation de coulée représentée comprend essentiellement :

- un récipient métallurgique de coulée 1 (ou répartiteur) dont la cuirasse métallique 2 est revêtue intérieurement d'un revêtement réfractaire 3. Ce récipient reçoit le métal en fusion 4 et comporte un orifice latéral de sortie 5 disposé à proximité de son fond, cet orifice étant ménagé dans une busette en matériau réfractaire 6 ;

- une lingotière horizontale 7, en cuivre ou alliage de cuivre, ouverte à ses deux extrémités et adjacente à l'orifice de sortie 5 du récipient. Ce dernier ainsi que la lingotière, peuvent être de tout type connu ou à venir. La lingotière, dans le présent exemple, est entourée à faible distance par une chemise 8 de manière à définir entre eux un espace 9 pour le passage d'un fluide de refroidissement, généralement de l'eau, qui assure une extraction calorifique permettant d'obtenir, à la sortie de la lingotière, une solidification périphérique suffisante du produit coulé P.

[0012] Le passage du métal liquide, du récipient à la lingotière, s'effectue par un canal de communication 10 reliant l'orifice 5 du récipient à l'entrée de la lingotière. Ce canal est ménagé dans le joint 11 qui, dans cet exemple, s'engage par son extrémité libre 12 dans l'entrée de la lingotière à la manière d'un insert.

[0013] Tout le reste du pourtour extérieur du joint 11 est enveloppé d'un isolant thermique 13 qui est présentement en matière fibreuse à base d'alumine et de silice. Dans cet exemple, le joint 11 est choisi en nitrure de silicium, bien connu pour ses bonnes qualités de réfractaire.

[0014] En se reportant maintenant aux figures 2 et 3, on voit que le joint 11 est constitué d'un corps de forme circulaire évidé axialement pour ménager le canal de passage 10. Ce corps est composé de deux parties contiguës bien différenciées :

- une partie 14 de grande section droite pleine que l'on convient d'appeler "tête" du joint,

- et une partie 15 de faible section droite pleine que l'on convient d'appeler "nez" du joint.

[0015] On a vu en référence à la figure précédente, que l'extrémité 12 du nez pouvait être engagée dans l'entrée de la lingotière, ceci afin de bénéficier localement d'un refroidissement accéléré par l'eau de refroidissement de la lingotière elle-même.

[0016] Conformément à une caractéristique de l'invention, le profil interne du canal 10 ménagé dans le joint 11 est uniforme, au moins dans la partie 15 de plus faible section droite pleine, et la section droite interne de l'extrémité 12 est égale à la section droite interne de la lingotière, de manière que le passage du métal liquide ne présente aucune discontinuité au niveau de la jonction entre le joint 11 et la lingotière 7.

[0017] Dans le but de faciliter l'extraction du produit coulé, le profil interne du canal 10 est légèrement divergent dans le sens de la coulée. L'évasement du canal 10 dans le sens de coulée permet également de compenser les éventuelles usures qui pourraient se produire sur les parois du canal 10. Dans l'exemple décrit ci-dessus, le canal 10 possède une pente de 10 %, ainsi que cela se pratique habituellement.

[0018] Conformément à une variante préférée de l'invention et représentée sur la figure 2, la section droite pleine du nez du joint décroît régulièrement en s'éloignant de la tête du joint. De plus, pour des raisons pratiques de réalisation que l'on comprendra facilement, la tête et le nez du joint sont de préférence séparés par une zone 16 de variation brusque de section droite pleine.

[0019] On peut très bien envisager une séparation brutale des deux parties du joint, qui formerait un angle proche de 90° dans une coupe longitudinale, telle que la figure 2.

[0020] Contrairement aux dispositifs actuels de coulée continue horizontale, où l'on essaie d'obtenir le début de la solidification du métal dans la lingotière, l'installation de coulée continue horizontale selon l'invention assure le début de cette solidification dans le joint.

[0021] En effet, l'étude des échanges thermiques dans le joint conforme à l'invention a montré que la densité de flux calorifique extrait est très faible dans la tête du joint, puis croît rapidement au passage de la zone 16 pour être très élevée dans le nez. De plus, conformément à l'invention, des moyens sont prévus pour refroidir la partie de plus faible section droite pleine. Comme nous l'avons vu précédemment, dans cet exemple, ces moyens peuvent être avantageusement constitués par le dispositif de refroidissement de la lingotière 7 lui-même. Par conséquent, le premier dépôt de métal solide est favorisé dans la portion du canal 10 situé dans le nez du joint.

[0022] Par contre, la solidification est rendue impossible dans la partie du canal 10 située dans la tête du joint, où le flux d'échange thermique est rendu pratiquement négligeable en raison de la masse importante de matière constitutive du joint en cet endroit.

[0023] On comprend aisément que les résultats obtenus sont dus pour partie aux caractéristiques structurelles du joint, i.e. à la différence des sections droites pleines entre la tête 14 et le nez 15 et pour partie aux moyens de refroidissement dont est muni le nez 15. On peut de la sorte définir le joint en deux parties de la manière fonctionnelle suivante : une partie "retardatrice" de la solidification (le tête) tournée du côté du récipient de coulée, suivie d'une partie au contraire "accélératrice" de la solidification (le nez) placée en regard de la lingotière.

[0024] Dans le cas d'un joint en nitrure de silicium, les dimensions du joint plus particulièrement recommandées sont telles que, l'épaisseur AA' de l'extrémité de la tête 14 est égale ou supérieure à 15 mm, l'épaisseur BB' de l'extrémité du nez 15 est égale ou inférieure à 5 mm et la longueur totale AB du joint,-se situe de préférence entre 30 et 150 mm.

[0025] En effet, le nitrure de silicium tout en étant un excellent matériau réfractaire, possède également une conductivité thermique faible, mais qui ne doit pas être négligée si l'on souhaite garantir à coup sûr le début de la solidification dans le nez du joint.

[0026] Dans l'exemple présenté sur la figure 2, l'épaisseur AA' est de 24 mm, l'épaisseur BB' est de 2 mm et la longueur totale AB du joint est de 40 mm, dont 28 mm pour la longueur de la tête 14 du joint et 12 mm pour la longueur du nez du joint.

[0027] Par ailleurs, les résultats obtenus sont également dus à l'absence de discontinuité, ou de décrochement, dans la partie du canal 10 dans lequel la solidification du métal est favorisée, à savoir dans le nez du joint et au niveau du raccord joint-lingotière.

[0028] Finalement, l'installation selon l'invention permet d'assurer un démarrage régulier de la solidification du métal en fusion, ce qui a pour principal avantage, l'obtention d'un métal solide homogène, exempts des défauts superficiels rencontrés habituellement.

[0029] Selon une variante préférée, la tête 14 du joint, est, comme on le voit sur la figure 1, enveloppée dans un isolant thermique 13 qui, au besoin, contribue à éviter une initiation précoce de la solidification en cet endroit.

[0030] Comme déjà dit auparavant, conformément à une disposition avantageuse représentée sur la figure 1, on introduit le nez 15 du joint dans l'entrée de la lingotière. Le système de refroidissement de la lingotière est alors judicieusement mis à profit pour générer un flux d'échange thermique suffisamment important dans la partie terminale du nez de joint pour y assurer le début de solidification. Cette disposition permet d'obtenir à coup sur le résultat recherché sans devoir mettre en oeuvre des moyens de refroidissement supplémentaires dans l'installation de coulée. Dans ce cas, comme on le voit sur la figure 1, l'entrée de la lingotière est avantageusement conformée en entonnoir 17 qui épouse étroitement la surface externe de l'extrémité 12 pour assurer entre eux un bon contact thermique. Ceci étant, il demeure bien entendu possible de prévoir un système spécifique de refroidissement du nez de joint que l'on règlera indépendamment de celui de la lingotière. De la même façon, il est possible de renforcer le pouvoir retardateur de la solidification dans la partie 14 de plus grosse section droite pleine en munissant celle-ci d'un système de chauffage en association ou non avec la garniture isolante 13. On peut envisager, par exemple, un anneau inductif autour de la tête 14 du joint, ou l'utilisation d'une résistance noyée dans le réfractaire de cette partie 14, ou encore tout autre moyen de chauffage ayant une action localisée à la tête du joint. On aura compris que la mise en place de ces moyens de chauffage permet, si on le souhaite, de réduire l'épaisseur AA'. Les travaux menés en ce sens ont montré que l'épaisseur AA' pouvait alors être réduite jusqu'à 5 mm, sans préjudice pour la tenue mécanique du joint. Ces dispositions conduisent aux mêmes résultats que ceux précédemment cités, à savoir le début de la solidification du métal dans le nez 15 du joint 11.

[0031] En conséquence, dans une opération de coulée continue, le métal en fusion se solidifie initialement dans la conduite ménagée dans le joint, tout d'abord dans le nez du joint où une fois initiée, elle se poursuit régulièrement pour devenir maximale dans la lingotière où le refroidissement est le plus énergique. Le joint selon l'invention permet d'obtenir un métal solidifié de façon homogène grâce aux conditions initiales de solidification régulière du produit coulé, et d'éviter toutes infiltrations de métal à la jonction du joint avec la lingotière.

[0032] En outre, l'invention trouve son application pour la coulée continue horizontale de tous métaux et alliages.

[0033] Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes.

[0034] En particulier, si l'extrémité 12 du joint est engagée dans l'entrée 17 de la lingotière, on adoptera, au moins pour cette partie 12, une forme extérieure analogue à celle du passage interne de la lingotière, par exemple une forme carrée pour les lingotières à format carré ou une forme circulaire pour les lingotières à format rond.

[0035] De même, la longueur du joint n'est nullement une caractéristique essentielle ou déterminante de l'invention. Ainsi, la limite inférieure de 30 mm recommandée pour un joint en nitrure de silicium peut être encore réduite si l'on utilise un matériau réfractaire possédant une conductibilité thermique inférieure à celle du nitrure de silicium, par exemple de l'alumine.

[0036] En ce qui concerne la limite supérieure de 150 mm, recommandée pour le joint en nitrure de silicium, on comprend qu'elle est avantageuse si l'on souhaite équiper le joint n d'un système de chauffage de la tête 14 ou d'un système autonome de refroidissement du nez 15, ou de ces deux systèmes à la fois.

[0037] Par ailleurs, le matériau réfractaire constituant le joint n'est pas nécessairement du nitrure de silicium. On peut prévoir dans une installation conforme à l'invention, par exemple un Joint en nitrure de bore qui, tout en étant un bon réfractaire, possède une conductivité thermique proche de celle du nitrure de silicium. On peut également prévoir un joint en alumine qui, par contre, possède une conductivité thermique nettement inférieure à celle du nitrure de silicium. Ainsi, dans le cas d'un joint en alumine, il est possible de réduire l'épaisseur AA' de la tête du joint jusqu'à 5 mm sans préjudice pour le pouvoir retardateur de solidification de cette partie du joint.En outre, dans le cas d'un joint en alumine, une épaisseur BB' de la tête du joint n'excédant pas 1 ou 2 mm est recommandée si son refroidissement est assuré par le système de refroidissement de la lingotière.Selon la conductivité thermique du matériau réfractaire choisi pour le joint, l'homme de métier pourra facilement déterminer les épaisseurs des parties de plus grosse section droite pleine et de plus faible section droite pleine pour réaliser un joint conforme à l'invention.

[0038] Il en est de même d'ailleurs de la taille ou du profil du passage axial ménagé dans le joint, en retenant toutefois que, conformément à l'invention, ce passage axial ne doit pas présenter de discontinuité de format avec celui de la lingotière, au moins dans le nez du joint.

Revendications

1) Installation de coulée continue horizontale des métaux, notamment de l'acier, comprenant principalement un récipient de coulée muni à sa partie inférieure d'un orifice de sortie latéral, une lingotière sans fond, énergiquement refroidie, disposée horizontalement ou sensiblement horizontalement et dont le format interne définit celui du produit coulé, ladite lingotière présentant son extrémité d'entrée en regard de l'orifice de sortie du récipient, et un joint destiné à assurer le raccordement étanche entre l'orifice de sortie du récipient et l'entrée de la lingctière, ledit joint étant pourvu d'un canal interne pour le passage du métal liquide depuis l'orifice de sortie du récipient jusque dans la lingotière, installation caractérisée en ce que ledit joint est constitué par une pièce de forme (11) en matière réfractaire évidée axialement pour ménager le canal interne (10), ladite pièce étant formée de deux parties contiguës (14,15) présentant entre elles une différence de sections droites pleines, la partie (14) de plus grosse section droite pleine étant disposée en regard de l'orifice de sortie (5) du récipient de coulée (1), en ce que des moyens sont prévus pour refroidir la partie (15) de plus faible section droite pleine, disposée en regard de l'extrémité d'entrée (17) de la lingotière (7), en ce que le profil interne du canal (10) du joint (11) est de forme régulière, au moins dans la partie (15) de plus faible section droite pleine, et en ce que la section droite interne de l'extrémité (12) de ladite partie (15) du joint est égale à la section droite interne de la lingotière (7).

2) Installation de coulée continue horizontale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité (12) de la partie (15) de plus faible section droite pleine du joint (11) est engagée dans l'entrée de la lingotière (7).

3) Installation de coulée continue horizontale selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie (15) de plus faible section droite pleine du joint (11) décroît régulièrement en s'éloignant de la partie (14) de plus grosse section droite pleine.

4) Installation de coulée continue horizontale selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la partie (14) de plus grosse section droite pleine du joint (11) est munie de moyens de chauffage.

5) Installation de coulée continue horizontale selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie (14) de plus grosse section droite pleine du joint (11) comporte une isolation thermique extérieure (13).

6) Installation de coulée continue horizontale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le joint est en alumine et en ce que les épaisseurs des parties de plus grosse section droite pleine (14) et de plus faible section droite pleine (15) présentent des valeurs qui sont respectivement supérieures à 5 mm et inférieures à 2 mm.

7) Installation de coulée continue horizontale selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le joint est en nitrure de bore ou en nitrure de silicium et en ce que les épaisseurs des parties de plus grosse section droite pleine (14) et de plus faible section droite pleine (15) présentent des valeurs qui sont respectivement supérieures à 15 mm et inférieures à 5 mm.

Dessins