Brevet FR2137090A1 — publié le 19721229

La présente invention concerne un procédé pour la coulée continue d'un métal fondu, dans lequel le métal fondu provenant d'une poche de coulée ou récipient analogue, passe dans un répartiteur et arrive dans au moins une lingotière refroidie de coulée continue. 5 La technique usuelle de coulée continue de l'acier consis te à verser le «étal fondu d'une poche ou d'un four dans un répartiteur ou panier distributeur et de celui-ci dans la ou les lingotières refroidies. Le aétal liquide se trouve donc en contact avec l'oxygène de l'air par ses surfaces libres dans le répartiteur, dans la ou les lin-10 gotières refroidies et également par la surface des jets de coulée de la poshe dans le répartiteur et, quelquefois, du répartiteur dans la ou les lingotières refroidies. Dans le cas des jets, le contact entre le aétal fondu et l'air aabiant est encore augaenté par l'effet de troape df à la vitesse des jets de aétal fondu qui aspirent l'ataosphère oxy-13 dante environnante. Ce contact entre le aétal liquide et l'ataosphère oxydante qui l'entoure donne lieu à la foraation d'oxydes divers sous forae de particules qui passent dans le aétal en cours de solidification, nuisent i la qualité de la surface du produit fini et donnent lieu, 20 dans la aasse de celui—ci, à des inclusions non aétalliques nuisibles qui diminuent sa qualité. 11 en résulte égaleaent des encrasseaents sur la ou les lingotières et sur les orifices d'écouleaent, ce qui entrave la bonne aarche de la coulée continue. L'aaélioration de la propreté du aétal avant coulée et 25 des hoaogénéités theraique et chiaique du aétal fondu peut etre réalisée par un traiteaent du aétal liquide en poche avant la coulée au aoyen d'un balayage à l'aide d'un flux de bulles d'argon gazeux insufflé, par exeaple à l'aide de réfractaires peraéables montés dans le fond de la poGhe de traiteaent suivant un procédé breveté par la Demanderesse 30 suivant le brevet français H" 1.09^.926. Ce traiteaent donne les deux effets suivants : 1. Homogénéisation par brassage du aétal liquide dans la poche de aanière à obtenir une teapérature et une coaposition constantes tout au long de la coulée du aétal de la poche dans le répartiteur. 35 2. Elimination par balayage dÔ au flux de bulles d'argon et flottation d'une grande partie des inclusions non aétalliques d'oxydes, en particulier celles de diaensions supérieures à 8 à 10 microns. 71 17294 2 2137090 Mais cette manière de faire n'évite pas l'oxydation ulté«« rieure du métal lors de la coulée de la poche dans le répartiteur et du répartiteur dans la ou les lingotières refroidies de la coulée continue, ni l'oxydation du métal liquide à sa surface libre en 5 contact avec l'air, dans le répartiteur et surtout dans la ou les lingotières refroidies. La présente invention permet de supprimer ces oxydations. Elle est caractérisée par le fait que l'on établit et main» tient sur la surface du métal dans le répartiteur et^»u dans laUngo-10 tière, ainsi que éventuellement le long d'au moins une partie des jets de métal provenant des buses de coulée et arrivant dans le ré» partiteur eV°ians la lingotière, une couche de gaz neutre liquéfié. Cette couché isole le métal fondu du contact de l'air. On a constaté que l'on peut, sans inconvénient et en par* 15 ticulier sans projection de métal fondu, verser un gaz liquéfié, par exemple un gaz neutre comme l'azote à - 195,8° C, ou l'argon à - 185»9° C, sur un métal fondu quelle que soit sa température. On peut verser le gaz liquéfié soit sur la surface d'un bain de métal fondu, que celle«»ci soit au repos ou agitée par une 20 insufflation concomittante de gaz, soit sur du métal fondu en mouvement^ par exemple sur un jet libre de métal fondu. On constate dans tous les cas que le gaz liquéfié s'étale et recouvre bien le bain de métal fondu et, par l'intermédiaire de la couche de gaz qui le supporte, adhère au métal fondu et en suit les 25 mouvements. Le métal fondu et le gaz liquéfié se comportent comme deux liquides non miscibles. Il se produit en effet, au contact entre le métal fondu à température élevée et le gaz liquéfié à très basse température, le phénomène connu de caléfaction ou de Leindenfrost qui a pour effet que la couche de gaz liquéfié est séparée du métal fondu 30 par une couche de vapeur du mtme gaz provenant de la vaporisation du gaz liquéfié. La couche de vapeur ralentit d'ailleurs beaucoup l'éeha»» ge de chaleur entre le gaz liquéfié et le métal fondu. II. résulte de la caléfaction que le métal fondu est en contact direct avec une couche de gaz neutre pur surmontée d'une coucte 35 de gaz neutre liquide, laquelle diffuse vers le haut une atmosphère neutre protectrice. Ceci réalise une excellente protection puisque le métal fondu est séparé de l'atmosphère oxydante ambiante par une triple couche protectrice, à savoir, depuis le métal fondu : une mince 71 17294 3 2137090 couche de gaz neutre pur, une couche de gaz neutre liquéfié en caléfaction, puis une atmosphère de gaz neutre provenant de la vaporisation de la couche de gaz liquide. Un facteur favorable est le grand volume de gaz neutre engendré par un faible volume de gaz li-5 quéfié. En effet 1 litre d'argon liquide donne naissance à 850 1 d'argon gazeux et 1 litre d'azote liquide à 680 litres d'azote gazeux. Le procédé offre, en outre, un effet inattendu complé-mentaire, dô à la protection : on constate que l'acier fondu, qu'il 10 soit contenu dans une poche ou dans une lingotière refroidie de coulée continue, se refroidit moins que lorsque le procédé de l'in-vention n'est pas mis en oeuvre. £n effet, la perte d'énergie par rayonnement est directement fonction du facteur d'émissivité total de la surface du bain ; cette surface est constituée par de l'oxyde 15 de fer quand il n'y a pas de protection et par de l'acier quand une protection par gaz neutre liquéfié est utilisée, ceci en supposant que le métal fondu est de l'acier. Le calcul montre que l'énergie émise par la surface du métal oxydé est pratiquement le double de celle émise par le métal non oxydé. Cette différence, mSme si l'on 20 en défalque l'énergie soutirée au métal pour vaporiser une fraction du gaz liquéfié, est importante : si l'on considère un modèle théorie que de poche cubique contenant 1 m^ d'acier fondu, la chute de température due au refroidissement par la surface du bain est de 1/10 de degré par seconde quand la surface est en contact direct avec 25 l'atmosphère normale oxydante et seulement de 1/20 de degré par seconde quand elle est protégée par une couche de gaz neutre liquéfié. Le procédé suivant l'invention, applicable à la coulée continue d'un métal fondu, protège le métal liquide du contact de l'air ou de l'atmosphère ambiante en le recouvrant d'une couche de 30 gaz neutre liquéfié constamment entretenue. Cette couche de gaz neutre liquéfié est appliquée sur le jet de la coulée de la poche dans le répartiteur, sur le ou les jets de coulée du répartiteur à la ou attx lingotières refroidies et sur la surface libre du métal fondu dans le répartiteur et dans la ou les lingotières refroidies. 35 Les figures ci-jointes permettent de mieux comprendre 1'invention. La figure 1 représente comment varie le débit de gaz liquéfié en fonction de la température du métal fondu. 71 17294 k 2137090 La figure 2 représente, schématiquement et à titre d'exemple non limitatif, une installation de coulée continue utilisant le perfectionnement de l'invention. Sur la figure 1, la courbe b représente, en litres par 5 minute et par mètre carré de surface de métal fondu à protéger, comment varie le débit de gaz inerte liquéfié dans des conditions moyennes donnant de bons résultats, en fonction de la température de la surface à protéger. Par exemple, pour de l'acier liquide à 1 550°C, le point 6 de la courbe donne environ 21 l/mn/m ; des débits variant de 19 à 2k 2 10 l/mn/m ont donné de bons résultats. Pour du cuivre fondu, à 1 200°C, 2 on a de bons résultats avec 16 à 20 l/mn/m ; pour de l'aluminium à 700°C avec 10 à 14 l/mn/m . Comme on le verra, il peut être utile de dépasser ces valeurs dans certains cas. Lorsque le métal se trouve dans un récipient muni d'un couvercle comme c'est souvent le cas du réparti» 15 teur, on peut adopter des débits plus faibles. Dans l'installation de la figure 2, le métal fondu provient d'une poche 8, munie d'une busette de coulée 10 que peut obturer le tampon terminal d'une quenouille 12. Le métal s'y déverse dans un répartiteur 14 avec couvercle 16 et du répartiteur dans une ou plusieurs 20 lingotières. Pour simplifier, on a dessiné une coulée continue avec une seule lingotière et l'on suppose que le métal fondu est de l'acier, le gaz liquéfié de l'argon. Un cylindre 18, solidaire en bas du couvercle du répartiteur, entoure le jet de métal fondu 20 s'écoulant de la poche de coulée 25 dans le répartiteur. Ce cylindre est fait en une matière suffisamment réfractaire pour supporter la température à laquelle elle est soumise. Cette matière peut être par exemple un tissu d'amiante ou de fibres silicoalumineuses, raidi par une armature métallique, ou bien un cylindre métallique revêtu intérieurement de matière réfractaire. Le cylindre 30 18 comporte à sa partie supérieure un orifice dans lequel on a introduit un tube 22, avec ajutage calibré 24, pour l'amenée d'argon liquide. Ce liquide provient d'un séparateur de phases 26, alimenté par un tube 28 en argon liquide mélangé d'argon gazeux ; ce séparateur sépare l'argon vaporisé au cours de son trajet dans le tube 28, de l'argon resté 35 liquide. L'argon gazeux s'échappe par les évents 30, 32 du séparateur. Le séparateur peut être du type décrit dans la demande de brevet français n" 71.1^77 pour "Séparateur pour gaz liquéfié". 71 17294 5 2137090 Par l'ajutage calibré est versé continuellement et presque tangentiellement sur le jet de coulée vertical 20 du métal fondu un débit de gaz neutre liquéfié qui est calculé en fonction de la somme des surfaces latérales du jet 20 et de la surface libre du métal 5 fondu dans le répartiteur. L'impact du jet de gaz neutre liquéfié sur le jet vertical de métal fondu doit se faire le plus haut possible et en tous cas dans le premier tiers de la hauteur du jet de métal à partir de sa sortie de la busette de coulée. Dans le répartiteur, l'argon liquide forme une couche 31» 10 séparée du métal fondu par une couche d'argon gazeux 33 î sur le dessin on a exagéré l'épaisseur des couches d'argon liquide et d'argon gazeux. ïïn autre cylindre 3^» analogue au cylindre 18 mais solidaire d'une lingotière oscillante 40 et recevant de l'argon liquide par un séparateur 35 et un tube 36, entoure le jet d'acier fondu 38 provenant 15 du répartiteur et arrivant dans la lingotière. Le débit d'argon liquide par le tube 22 est fonction de la surface du jet 20 à protéger et de la surface libre du métal dans le répartiteur. De même, le débit par le tube 36 est fonction de la surface du jet 38 à protéger et de la surface libre 42 du métal dans la 20 lingotière. Si le jet de métal liquide ne tombe pas verticalement, comme c'est le cas pour la lingotière de certaines coulées continues rotatives, le jet de gaz liquéfié ne peut pas être versé sur le jet de métal liquide par suite du risque de projection de métal liquide dâ à 25 l'emprisonnement de gaz liquéfié dans le métal. On ne protège alors pas le jet par du gaz liquéfié. Dans la lingotière, la surface 42 du métal est surmontée d'une couche 44 d'argon gazeux, puis d'une couche 46 d'argon liquide. À titre d'exemple, le mode opératoire dans le cas de la 30 coulée continue de l'acier comportant la coulée de l'acier d'une poche de coulée 8, dans un répartiteur 14 à une ou plusieurs lignes et la coulée de l'acier du répartiteur dans une ou plusieurs lingotières refroidies oscillant dans un plan vertical, est le suivant : La poche de coulée est amenée au-dessus du cylindre 35 supérieur 18 à une distance inférieure à 10 cm du rebord supérieur de ce cylindre, la busette de coulée 10 étant centrée par rapport au cylindre. Dans le début de la coulée de l'acier de la poche dans le répartiteur, on ouvre la vanne commandant l'arrivée de l'argon liquide dans le séparateur 26, la vanne étant réglée pour donner un débit de gaz liqué-40 fié convenable comme indiqué ci-dessus. La tubulure de sortie 71 17294 6 2137090 de liquide du séparateur est positionnée de telle sorte que le jet d'argon liquide Tienne confluer avec le jet vertical d'acier en un point situé dans le premier tiers de la hauteur du jet de métal à partir de sa sortie de la busette de coulée. Le gaz liquéfié forme une couche continue qui enveloppe le jet de coulée 20, s'écoule avec le métal fondu dans le répartiteur et recouvre la surface libre du métal fondu dans le répartiteur d'une couche d'argon liquide. Le phénomène de caléfaction isole l'acier fondu du contact de l'atmosphère ambiante et la vaporisation de l'argon liquide à raiscn de 850 1 de phase gazeuse à la pression atmosphérique par litre d'argon liquide vaporisé crée une atmosphère d'argon en légère sur» pression qui chasse dis le début l'air contenu sous son couvercle dans le répartiteur, emplit complètement celui—ci et s'échappe par le jeu entre le cylindre 18 et la poche. Il en résulte que le jet d'acier liquide et l'acier fondu contenu dans le répartiteur sont complètement isolés du contact de l'air. Si, par exemple, la surface libre de l'acier liquide dans 2 le répartiteur est de 0,25 m , le débit d'argon liquide, rien que pour le répartiteur et le jet 20, sera de 20 x 0,25 ou 5 litres par minute, produisant par vaporisation 5 x 850 = 4.250 litres d'argon gazeux par minute, volume très supérieur à celui intérieur au répartiteur et au cylindre 18. De la même manière, un autre jet d'argon liquide, introduit dans le cylindre inférieur 34, enveloppe le jet vertical d'acier liquide 38, recouvre la surface libre de l'acier fondu dans la lingotière ^ crée dans la lingotière et dans le cylindre Jk une atmosphère d'argon et s'échappe par le jeu au-dessus de ce cylindre. L'oscillation vertical* de la lingotière a pour effet que la valeur dé ce jeu varie dans le temps. Hais, l'amplitude d'oscillation verticale de la lingotière ne dépasse pas 5 cm et la production de vapeur par vaporisation de l'argon liquide suffit à empêcher l'air ambiant d'accéder au métal liquide. La surface libre du métal liquide dans la ou les lingotières, étant relativement faible et en tous cas très inférieure à celle du répartiteur 2, on peut d'ailleurs faire arriver par le tube 36 un débit d'argon liquide double c'est-à-dire par exemple 40 1 par minute et par m au lieu de 20, pour être plus sûr de la protection du jet 38. 71 17294 7 2137090 Par exeaple, dans le oas de la coulée continue de bil- lettes à section carrée de 100 mm de cSté, la surface libre du métal 2 fondu dans la lingotière est d'environ 100 cm et le volume intérieur du cylindre de 3 500 ca? si sa hauteur est de 30 cm ; l'amplitude d'oscillation est de 5 cm par exeaple. Dans ces conditions le débit d'argon liquide normal sera de 0,2 litre par minute, produisant un voluae d'argon gazeux de 172 litres par minute, cinquante fois supérieur au voluae de l'enceinte. Le procédé et l'appareil décrits et représentés peuvent être aodifiés szrns sortir du domaine de la présente invention. Par exemple, on peut remplacer l'argon par de l'azote ou de l'hélium. Si le métal sort du distributeur par une busette dont 1'extrémité inférieure reste immergée dans le métal fondu de la lingotière, il n'y a pas de jet 38 à protéger et le gaz liquéfié est versé sur la surface supérieure du métal fondu. De meme,lorsque le répartiteur se trouve a peu de distance au-dessus de la lingotière. La lingotière peut d'ailleurs être d'un autre type ; un même répartiteur peut alimenter plusieurs lingotières. Si la section droite de la lingotière présente une longueur nettement supérieure à sa largeur, il y a avantage à verser le gaz liquéfié en plusieurs jets. On peut utiliser pour une telle lingotière un nombre de jets égal à l'unité plus la partie entière du rapport de la longueur à la largeur, un seul jet étant déversé sur le jet de métal. Il en est de même pour la protection du répartiteur. L'invention s'applique aussi aux métaux non ferreux, par exeaple au cuivre, à l'aluminium et à leurs alliages. 71 172$4 8 2137090 revendications 1. Procédé pour la coulée continue d'un métal fondu, dans lequel le métal fondu provenant d'une poche de coulée ou récipient analogue, passe dans un répartiteur et arrive dans au moins une lingotière 5 refroidie de coulée continue, caractérisé par le fait que l'on établit et maintient sur la surface du métal dans le répartiteur et/ou dans la lingotière, ainsi que éventuellement le long d'au moins une partie des jets de métal provenant des buses de coulée et arrivant dans le répartiteur et/ou dans la lingotière, une couche de gaz neutre liquéfié. 10 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la quantité de gaz liquéfié que. l'on amène, en litres par minute et par mètre carré de surface à protéger est ; 18 à 24 lorsque le métal est à 1.550°C. 16 à 20 lorsque le métal est à 1.200°C. 15 10 à 14 lorsque le métal est à 700°C. 3« Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour réaliser la couche de gaz liquéfié le long des jets de métal, on verse le gaz liquéfié sensiblement tangentiellement auxdits jets. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait 20 que, pour réaliser la couche de gaz liquéfié sur les surfaces du métal fondu dans le répartiteur et dans la lingotière, on verse le gaz liquéfié sur lesdites surfaces. 5. Procédé selon la revendication 4, dans le cas où la surface du métal fondu dans le répartiteur ou dans la lingotière pré- 25 sente une longueur nettement supérieure à sa largeur, caractérisé par le fait que le gaz liquéfié est versé, respectivement pour le répartiteur et pour la lingotière, par des jets en nombre égal à l'unité plus la partie entière du rapport de la longueur à la largeur. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé-par le fait 30 que le gaz neutre liquéfié est de l'argon liquide. 7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le gaz neutre liquéfié est de l'azote liquide. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on entoure les jets de métal, à une certaine distance, par des 35 cylindres en matière réfractaire, supportés respectivement par le répartiteur et par la lingotière et présentant chacun à sa partie supérieure 71 17294 9 2137090 un espace pour l'échappement du gaz neutre vaporisé, ces cylindres ne comportant pas de fond à leur partie supérieure. 9. Installation de coulée continue, utilisant un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Produit métallurgique, fabriqué par une installation selon la revendication 9«