Procédé et dispositif destinés à réduire ou éliminer les oscillations des boucles de recirculation de l'acier liquide en lingotière d'une coulée continue

Abstract

 Dispositif destiné en particulier à la fabrication de brames par coulée continue d'acier liquide comportant une busette immergée (1) amenant l'acier liquide (2) provenant d'un panier répartiteur pour alimenter la lingotière délimitée par les parois (3) selon une largeur et une épaisseur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux plaques (5) disposées de part et d'autre de la busette immergée (1) pour assurer un effet de frein sur l'écoulement et pour éliminer l'effet des rétroactions des boucles de recirculation (6 et 6') sur les jets en sortie d'ouïe.

Description

OBJETS DE L'INVENTION

[0001] La présente invention concerne un dispositif destiné à réduire ou à éliminer les oscillations des boucles de recirculation de l'acier liquide en lingotière d'une coulée continue.

[0002] La présente invention se rapporte également au procédé pour éliminer les oscillations desdites boucles de recirculation d'acier liquide lors de la fabrication des brames en acier.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE A LA BASE DE L'INVENTION

[0003] En parallèle avec le développement technologique de la coulée continue au cours de cette dernière décennie, les exigences de qualité des produits finis sont devenues de plus en plus strictes.

[0004] En particulier, on cherche à obtenir des aciers de composition précise et de haute qualité c'est-à-dire contenant peu d'inclusions ou d'impuretés.

[0005] Il est admis qu'une grande part des défauts présents en surface et à l'intérieur de la brame sont liés à la stabilité du ménisque et aux perturbations de surface, lors de l'écoulement de l'acier liquide en lingotière d'une coulée continue.

[0006] Une bonne stabilité d'un ménisque permet d'améliorer:

• la qualité de surface de la brame par une lubrification optimale de l'interstice entre la peau d'acier et le cuivre afin que l'oscillation de lingotière remplisse son rôle,
• la qualité interne de la brame en diminuant les vitesses de l'acier au ménisque, ce qui diminue l'entraînement de laitier.

[0007] En effet, il a été démontré par la publication de SCHULTE et Al. (1) qu'un des mécanismes d'entraînement de gouttelettes de laitier est dû au cisaillement de l'interface métal/laitier et que ce phénomène est directement fonction de la vitesse du métal au ménisque.

[0008] En outre, les variations de niveau liées aux vitesses de surface telles que décrites par GUPTA et Al. (2) sont d'autant plus importantes que le débit de coulée est grand, que la largeur de la lingotière est faible, que l'immersion est peu profonde et que l'angle de sortie des ouïes est faible.

[0009] La forme classique de l'écoulement en lingotière est la suivante. L'acier liquide en provenance des ouïes de la busette immergée frappe la petite face de la lingotière où il se décompose en deux courants:

• le premier courant remonte rapidement le long de la petite face vers le ménisque où il amorce un mouvement dirigé des petites parois de la lingotière vers la busette immergée, puis est recyclé par le jet issu de la busette. C'est la boucle de recirculation supérieure. Une partie de l'énergie cinétique ascendante est transformée en déformée du ménisque.
• le second courant descend vers le fond de la lingotière en longeant les parois puis remonte lentement dans la partie centrale du puits liquide. C'est la boucle de recirculation inférieure.

[0010] Comme il apparaît dans la figure 1 annexée, les organismes suivants l'I.R.S.I.D.(3), la société B.H.P. (4) et la société HOOGOVENS (1) ont mis en évidence la présence d'un oscillateur fluidique dans le cas d'un écoulement à deux boucles de recirculation (inférieure et supérieure). L'écoulement n'est plus symétrique et fluctue. Une des moitiés de la lingotière est relativement calme et les vitesses en surface faibles, tandis que l'autre partie est animée de mouvement vigoureux et toutes les 20 à 30 secondes, les mouvements s'inversent.

[0011] Cet oscillateur fluidique est l'instigateur de vitesses ponctuellement plus élevées à la surface de la lingotière et de perturbations de surface qui sont liées à la qualité du produit fini.

[0012] Cette oscillation est causée par l'interaction du jet à la sortie de la busette et de l'écoulement dans les boucles de recirculation supérieure qui joue un rôle de rétroaction.

[0013] Ni l'ajustement de la largeur de la lingotière, ni les changements de la profondeur d'immersion de la busette immergée, ni la quantité de gaz injecté (de l'ordre de 5 Nl/min) ne semblent avoir beaucoup d'influence sur cet écoulement particulier.

[0014] BHP (4), dans le cadre des coulées de brame mince a étudié le problème de l'oscillateur fluidique sur modèle à eau (à une échelle 1/6) et montre que la fréquence d'oscillation est directement proportionnelle au taux de remplacement moyen du fluide dans la région d'oscillation. Cette corrélation a été validée avec des essais sur modèle à eau et sur site (tels que résumés à la figure 2). La fréquence d'oscillation est donc déterminée par :

où Q est le débit volumique de coulée (l/min), V le volume présent dans l'oscillation qui représente le volume exprimé compris entre le fond de la busette et la surface libre (en litre), C la vitesse de coulée (m/min) et S la profondeur d'immersion (mm).

[0015] La société Hoogovens (1) met également en évidence ce phénomène d'oscillation du jet qui entraîne la formation des vagues au ménisque, leur fréquence étant de l'ordre de 0,03 Hz. Il est également connu que l'injection d'argon réduit l'amplitude et la fréquence de ces oscillations.

[0016] Cependant, il n'existe à ce jour pas de système permettant d'éliminer l'oscillateur fluidique. En effet, certaines méthodes et techniques permettent de diminuer les vitesses en surface et par conséquent, d'atténuer plus ou moins efficacement les effets néfastes de l'oscillateur fluidique. Cependant, ces techniques sont toujours associées à des inconvénients majeurs pénalisant la productivité. Parmi ces méthodes et techniques, on peut citer :

• l'augmentation de l'injection d'argon mais qui sera associée à une augmentation des défauts internes de la brame (bulles d'argon et inclusions);
• la modification de la forme géométrique des ouïes de la busette (ouïes inclinées vers le bas) mais qui sera associée à une diminution de la température au ménisque et entraînera dès lors des défauts de surface sur la brame (criques et inclusions);
• utilisation d'un frein électromagnétique, système très efficace mais restant très complexe et très coûteux;
• la diminution de la vitesse de coulée ou de la largeur de la brame mais qui occasionne par conséquent, une diminution de la productivité.

[0017] Finalement, il convient de mentionner la publication JA 4-28495-A (5) qui décrit un dispositif de contrôle du niveau de l'acier liquide lors de la coulée continue. En vue de calmer les perturbations du niveau qui fausseraient la mesure, il est proposé dans ce document d'installer une plaque qui permet d'interrompre les vagues de surface de l'acier liquide, associée à un capteur de mesure du niveau d'acier.

BUTS DE L'INVENTION

[0018] La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif permettant de réduire ou d'éliminer les oscillations des boucles de recirculation de l'acier liquide en lingotière d'une coulée continue, sans présenter les inconvénients de l'état de la technique.

[0019] Un but particulier de la présente invention, vise à fournir un procédé et un dispositif de conception simple et peu coûteux qui permet d'améliorer de manière significative les qualités internes et de surface de la brame obtenue, tout en permettant avantageusement d'augmenter la productivité des lignes de coulée continue par la levée des contraintes de production.

ELEMENTS CARACTERISTIQUES DE L'INVENTION

[0020] L'invention concerne un dispositif destiné en particulier à la fabrication de brames par coulée continue d'acier liquide comportant une busette immergée (1) amenant l'acier liquide (2) provenant d'un panier répartiteur pour alimenter la lingotière délimitée par les parois (3) selon une largeur et une épaisseur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux plaques (5) disposées de part et d'autre de la busette immergée (1) pour assurer un effet de frein sur l'écoulement et pour éliminer l'effet des rétroactions des boucles de recirculation (6 et 6') sur les jets en sortie d'ouïe.

[0021] La busette est disposée au centre de la lingotière et partage celle-ci en deux demi-largeurs.

[0022] Le fait de placer les plaques de chaque côté de la busette permet de minimiser, voire d'éliminer les oscillations des boucles de recirculation de l'acier liquide sur les deux demi-largeurs de la lingotière.

[0023] La largeur des plaques dans le sens de l'épaisseur de la lingotière peut varier selon les conditions opératoires. Cependant, il est préféré que la largeur des plaques soit d'environ un tiers de la largeur de la lingotière, ce qui permet d'une part d'assurer un effet de freinage sur les boucles de recirculation supérieures (6 et 6') d'acier et d'autre part de maintenir le ménisque (4), c'est-à-dire le niveau supérieur de l'acier liquide à bonne température par passage latéral d'acier liquide et ainsi éviter les défauts de surface sur la brame.

[0024] De manière générale, les plaques sont disposées dans chaque demi-lingotière dans une zone ne s'approchant pas de plus de 10 cm de la busette ou de la petite face.

[0025] De préférence, les plaques sont disposées aux alentour d'un quart à un tiers de la largeur totale de la lingotière. Avantageusement, les plaques selon l'invention sont immergées à une profondeur d'au moins trois centimètres et de préférence, d'au moins cinq centimètres pour obtenir un effet de freinage suffisant sur l'écoulement de l'acier liquide

[0026] De plus, il peut être prévu d'équiper lesdites plaques de capteurs de contrainte qui mesurent le sens et l'importance de l'écoulement de l'acier liquide dans la lingotière de façon à permettre, par évaluation de ces valeurs, d'optimiser le positionnement desdites plaques au sein de la lingotière.

[0027] Selon une autre forme d'exécution du dispositif selon l'invention, les plaques sont rigidement fixées aux bords de la lingotière ou à toute autre structure de support, de sorte que les plaques offrent une résistance suffisante à l'écoulement de l'acier liquide.

[0028] En outre, l'épaisseur et la composition des plaques seront telles qu'elles assureront une tenue mécanique suffisante de l'ensemble et une résistance à l'érosion.

[0029] Un dernier aspect de la présente invention concerne le procédé pour éliminer les oscillations des boucles de recirculation de l'acier liquide dans la lingotière lors de la fabrication de brames.

[0030] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des revendications illustrant une forme d'exécution préférée de l'invention.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0031] 

La Fig. 1 représente les mouvements d'oscillation obtenus dans le cas d'un écoulement à deux boucles de recirculation inférieure et supérieure par un oscillateur fluidique (état de la technique).

La Fig. 2 représente la corrélation entre la fréquence d'oscillation (Hz) et le taux de remplacement moyen du fluide dans la région d'oscillation (1/s). On constate que la fréquence d'oscillation est proportionnelle au taux de remplacement moyen du fluide dans la région d'oscillation (état de la technique).

La Fig. 3 représente de manière schématique le dispositif de l'invention en vue de face et de profil.

La Fig. 4 représente l'oscillation fluidique d'un dispositif de l'état de la technique comparée aux résultats obtenus par l'utilisation du dispositif de l'invention.

DESCRIPTION D'UNE FORME D'EXECUTION PREFEREE DE L'INVENTION

[0032] L'objet de l'invention concerne un dispositif tel que représenté dans la figure 3 comprenant l'utilisation de plaques 5 disposées entre les parois de la lingotière et de part et d'autre de la busette immergée 1 assurant l'amenée de l'acier provenant d'un panier répartiteur. Ces plaques sont également immergées dans l'acier liquide dont le niveau (ménisque) 4 est représenté sur la figure 3. Ces plaques sont immergées dans l'acier liquide de manière à assurer une traînée suffisante pour provoquer un effet de frein sur l'écoulement et éliminer l'effet de rétroaction de la boucle de recirculation supérieure sur le jet en sortie d'ouïe. La largeur de la plaque 5 doit avantageusement être environ égale au tiers de l'épaisseur de la brame. De cette façon, l'acier qui passe sur les côtés de la plaque 5, permet de garder le ménisque 4 suffisamment chaud pour éviter les défauts de surface.

[0033] L'immersion de cette plaque 5 dans l'acier doit être avantageusement de plus de 3 cm et de préférence de plus de 5 cm en dessous du ménisque 4 pour obtenir un effet de freinage suffisant sur l'écoulement.

[0034] La position de la plaque doit être de manière générale dans chaque demi-lingotière dans une zone ne s'approchant pas de plus de 10 cm de la busette ou de la petite face et de préférance aux alentours du tiers ou du quart de la largeur totale de la lingotière. La plaque 5 doit être fixée rigidement de manière à offrir une certaine résistance à l'écoulement. La disposition d'une plaque 5 de chaque côté de la busette 1 est indispensable pour éliminer les oscillations de l'écoulement sur les deux demi-largeurs de la lingotière. L'épaisseur et la composition de cette plaque peuvent être adaptées pour assurer la tenue mécanique de l'ensemble et supporter une érosion. Cette plaque peut éventuellement être instrumentée d'une jauge de contrainte permettant d'évaluer le sens et l'importance de l'écoulement de l'acier liquide, de façon à permettre d'optimiser la position et l'immersion de la plaque et par conséquent, d'éliminer complètement l'oscillateur fluidique.

[0035] L'avantage d'un tel dispositif est qu'il améliore la qualité interne des brames en éliminant l'oscillateur fluidique en diminuant les vitesses instantanées élevées de l'acier sous le ménisque. On évite ainsi les effets d'entraînement, d'inclusions et de bulles d'argon dans la brame. On améliore aussi la qualité de la surface de la brame en stabilisant les variations de niveau du ménisque évitant ainsi la formation de criques et d'inclusions en surface de la brame.

[0036] En outre, un tel dispositif permet d'augmenter la productivité des lignes de coulée continue par la levée des contraintes de production (largeur de coulée et vitesse d'extraction) grâce à l'amélioration de la qualité de la brame.

[0037] En outre, le dispositif est caractérisé par une grande simplicité, il peut être mis aisément en oeuvre et de manière peu coûteuse.

[0038] Ces caractéristiques apparaissent de manière évidente dans le schéma de la figure 4.

[0039] Il convient de noter que les plaques telles que prévues dans l'invention permettent d'améliorer la qualité de la brame, quelque soit le type d'écoulement en lingotière (quatre boucles d'écoulement dans les coulées en petites largeurs ou écoulements inversés à deux boucles dans les coulées en grandes largeurs) par effet du freinage de l'écoulement sous le ménisque et par son effet stabilisant sur le niveau du ménisque.

REFERENCES

[0040] 

(1) H.B.M. Schulte, R.J.M.G. Nabben, D.W. van der Plas, E. Triezenberg : "Study of the Fluid Flow in the Mould for High Quality Slab Casting", la Revue de Métallurgie - CIT, Juin 1997, pp 751-759.

(2) D. Gupta and A.K. Lahari : "Cold Model study of the Surface Profile in a continuous slab Casting Mold: Effect of Second Phase", Metallurgical and Materials Transactions B, Vol 27B, August 1996, pp 695-697

(3) J.Y. Lamant, M. Larrecq, A. Mouchette, Y. Codur, J. Gancarz, A. Leclercq : "Advanced Control of Mold Operation and Improved Slab Surface Quality on Sollac Continuous Casters", Proceedings of the Sixth International Iron and Steel Congress, 1990, Nagoya, ISIJ, pp 317-324

(4) T. Honeyands and J. Herbertson : "Flow Dynamics in Thin Slab Caster Moulds", Steel Research 66 (1995) n° 7, pp 287-293.

(5) Publication JA 4-28495-A publiée le 9 octobre 1992 (demande JA 3-44615 du 11 mars 1991) au nom de KAWASAKI STEEL.

Revendications

1. Dispositif destiné en particulier à la fabrication de brames par coulée continue d'acier liquide comportant une busette immergée (1) amenant l'acier liquide (2) provenant d'un panier répartiteur pour alimenter la lingotière délimitée par les parois (3) selon une largeur et une épaisseur, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux plaques (5) disposées de part et d'autre de la busette immergée (1) pour assurer un effet de frein sur l'écoulement et pour éliminer l'effet des rétroactions des boucles de recirculation (6 et 6') sur les jets en sortie d'ouïe.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques (5) sont disposées de part et d'autre de la busette (1) dans la direction de la largeur de la brame pour éliminer les oscillations de l'écoulement sur les deux demi-largeurs de la lingotière.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur des plaques dans la direction de l'épaisseur de la brame est d'environ un tiers de celle-ci pour garder le ménisque (4) de l'acier liquide suffisamment chaud et pour éviter les défauts de surface de la brame.

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'immersion des plaques dans l'acier liquide est d'au moins 3 cm et de préférence d'au moins 5 cm pour obtenir un effet de freinage suffisant sur l'écoulement.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques sont disposées dans chaque demi-lingotière dans une zone ne s'approchant pas de plus de 10 cm de la busette ou de la petite face.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques sont disposées d'un quart à un tiers de la largeur totale de la lingotière (2).

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens sont disposés aux plaques pour rigidemment fixer celles-ci et offrir une résistance à l'écoulement.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur et la composition des plaques (5) sont adaptées pour assurer la tenue mécanique de l'ensemble et supporter l'érosion.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une des plaques est équipée d'une jauge de contrainte pour permettre un positionnement et une immersion optimales des plaques (5).

10. Procédé pour éliminer les oscillations fluidiques destiné en particulier au dispositif de fabrication de brame selon les revendications 1 à 9, caractérisé en ce que au moins deux plaques (5) sont disposées de chaque côté de la busette immergée (1) pour éliminer les oscillations des boucles de recirculation de l'acier liquide sur les deux demi-largeurs de la lingotière (2).

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les plaques (5) sont immergées à une profondeur d'au moins 5 cm dans l'acier liquide pour obtenir un effet de freinage suffisant sur l'écoulement.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l'on positionne les plaques (5) à une distance du bord (3) d'un quart à un tiers de la largeur totale de la lingotière (2).

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'on positionne les plaques (5) par l'estimation des sens et de l'importance de l'écoulement de l'acier liquide au moyen de jauges de contrainte disposées sur lesdites plaques (5).

Dessins