Brevet FR2180494A1 — publié le 19731130

La présente invention est relative à un nouveau procédé pour la coulée continue rotative d'ébauches creuses en un métal tel que l'acier et à des dispositifs pour la mise en eeuvre de ce procédé. On connait déjà des procédés pour réaliser des ébauches creuses à partir de métal liquide, dans lesquels on introduit entre un moule tournant et un mandrin placé au centre du moule, un métal à l'état liquide par exemple de l'acier, qui se solidifie au contact du moule et du mandrin pour former une ébauche creuse de section annulaire qui est extraite verticalement vers le bas, à l'aide de galets d'extraction. Dans ce procédé connu, l'ensemble constitué par le moule, le mandrin, l'ébauche en cours de solification et les galets d'extraction, sont entraînés en rotation autour d'un axe vertical à une vitesse qui est par exemple de l'ordre de 50 à 150 tours/minute. L'alimentation en métal liquide s'effectue par exemple en un point fixe situé entre le mandrin et le moule à la partie supérieure de l'ébauche en cours de solidifcation. Ce procédé permet de réaliser des ébauches d'une qualité satisfaisante en ce qui concerne la surface externe dont la peau est généralement exempte de défaut et présente une qualité particulièrement intéressante. Par contre, dans ce procédé connu, il est difficile de réaliser une surface interne de l'ébauche creuse qui présente une qualité aussi élevée que sa surface externe. Il semble que cela soit du au fait que la force centrifuge qui résulte de la rotation imposée aumétal en cours de solidification exerce une influence favorahle sur la zone périphérique externe de l'ébauche, alors qu'elle exerce une action plutôt défavorable sur la zone périphérique interne. De plus, les déchets provenant du bain de métal en fusion ont tendance à se rassembler au voisinage du mandrin et à passer entre le mandrin et le métal qui se solidifie, ce qui provoque des défauts superficiels plus ou moins importants sur la peau interne de l'ébauche. La présente invention concerne un procédé de ce type dans lequel les défauts précités ont été supprimés, ou tout au moins éliminés dans une très large mesure. La présente invention a pour objet un nouveau procédé pour réaliser la coulée continue rotative d'ébauches en un métal tel que l'acier, dans lequel le jet e m i~al L C est amené dans l'espace annulaire compris entre un moule refroidi tournant autour de son axe vertical, et un mandrin central refroidi tournant sur lui-meme autour d'un axe vertical sensiblement à la meme vitesse que le moule, l'ébauche creuse formée étant extraite verticalement vers le bas par des galets d'extraction et tournant autour de l'axe vertical du moule à la même vitesse que ce dernier, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on maintient constamment du laitier à l'état liquide sur la surface annulaire du métal liquide en cours de solidification qui entoure le mandrin central, la surface périphérique externe du métal liquide en cours de solidification qui avoisine le moule, n'étant pas recouverte par ledit laitier.La vitesse de rotation peut etre par exemple de 30 à 150 tours/minute. Le laitier utilisé conformément à l'invention est de préférence un laitier synthétique qui ne présente pas d'agressivité chimique vis-à-vis du métal servant à réaliser l'ébauche creuse. Avantageusement, le laitier utilisé présente une bonne fluidité à sa température d'utilisation, et il est préférable qu'il ait vis-à-vis du métal servant à fabriquer l'ébauche un pouvoir mouillant relativement élevé. Parmi les laitiers utilisables conformément à l'invention, on peut citer ceux à base de silicates, de carbonates et/ou de chaux. Conformément à l'invention, on peut également utiliser comme laitier des verres ou des silicates présentant une bonne fluidité à la température d'utilisation. Le fait de maintenir, conformément à l'invention, une certaine quantité de laitier sur la surface du bain de métal liquide au voisinage du mandrin central, a pour effet d'introduire entre la partie du métal qui se solidifie et le mandrin central refroidi, une pellicule de laitier dont l'effet est bénéfique en ce qui concerne la qualité de la peau interne de l'ébauche. Cette mince couche de laitier, qui s'engage entre le mandrin refroidi et la surface interne de l'ébauche, a pour effet de réduire les échanges thermiques entre le mandrin central et l'ébauche, et ainsi de conférer au métal qui est au voisinage du mandrin, un gradient de température moins raide. En d'autres termes, l'isolation thermique réalisée par la couche de laitier a pour effet de réaliser sur la surface interne de l2ébauche en cours de formation, une peau relativement plus épaisse et à une température plus homogène. De cette manière, on réduit de façon notable, les risques de percées qui se produisent lors de la mise en oeuvre d'un tel procédé, à la suite de la rupture de la peau interne, due à une contrainte provenant d'une raison quelconque, ladite rupture se produisant généralement dans la zone interne de l'ébauche située immédiatement au-dessous du mandrin. Par ailleurs, le fait de maintenir constamment un certain volume de laitier sur la partie centrale du bain de métal liquide permet de dissoudre dans ce laitier les impuretés provenant du bain de fusion du métal. Ces impuretés sont régulièrement réparties dans la masse du laitier et par conséquent dans la pellicule qui se forme entre le mandrin et la surface centrale de l'ébau chue. Elles ne peuvent venir par conséquent réaliser de petites inclusions qui constituent autant de défauts sur la surface interne de l'ébauche. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet d'obtenir une surface interne de l'ébauche qui présente une qualité de peau particulièrement satisfaisante. Les ébauches tubulaires obtenues par ce procédé se sont révélées particulièrement aptes à permettre la réalisation de tubes sans soudure de haute qualité, les tubes obtenus ne présentant pas plus de défauts que les meilleurs tubes obtenus par les procédés traditionnels qui comportent le processus classique de coulée en lingot, de laminage du lingot pour obtenir des billettes, d'écrofltage des billettes pour éliminer tous les défauts superficiels, puis de perçage et de laminage dans des trains de laminoirs à tubes conventionnels. Dans le cas où, selon une variante de l'invention, on utilise un laitier constitué par des silicates ou par des verres, ce procédé présente l'avantage de laisser sur la surface interne de l'ébauche, un revêtement vitreux qui peut étre directement utilisé lorsque l'on transforme ultérieurement l'ébauche par un procédé de filage utilisant le verre comme lubrifiant. Le procéda selon l'invention présente également la avantage de permettre la coulée continue d'ébauches creuses, présentant une épaisseur de paroi relativement faible, par exemple jusqu'à des épaisseurs d'environ 5 cm. Conformément à l'invention, le laitier est introduit sur la surface du bain de métal liquide, en étant de préférence lui meme à l'état liquide. Cependant, il est ega.ement possible d'in troduire le laitier en totalité ou en partie sous forme de poudre facilement fusible, la fusion s'effectuant par prélèvement de chaleur sur le métal en cours de solidification. Le procédé selon l'invention est particulièrement bien adapté à la coulée continue d'aciers normaux ou spéciaux et d'une manière plus générale, de tous les alliages analogues qui présentent un point de fusion relativement élevé, par exemple de 1400 à 1700 C et des caractéristiques physiques analogues. Dans le procédé selon l'invention, il est avantageux de communiquer au moule dans lequel s'effectue la coulée, des mouvements d'oscillations verticales dont l'amplitude peut etre par exemple d'environ 5 à 30 millimètres. Dans certains cas, il est également avantageux selon l'invention, de communiquer au mandrin central des oscillations de meme nature. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, on utilise un mandrin central tournant autour d'un axe fixe qui est légèrement excentré par rapport à l'axe de rotation du moule (l'excentrement étant par exemple de l'ordre de quelques millimètres), l'alimentation en métal liquide s'effectuant en un point fixe situé en amont du point où la surface du mandrin est la plus voisine de la surface interne du moule, pris par rapport au sens de la rotation du moule et du mandrin. Ce dernier procédé qui a déjà été décrit antérieurement sans l'utilisation du laitier conforme à la présente invention, permet d'obtenir une peau interne de l'ébauche de meilleure qualité. Dans le cas où on lui applique le procédé selon la présente invention, I'excentrement du mandrin facilite la formation de la couche de laitier entre le mandrin et le métal qui se solidifie sur la surface interne de l'ébauche. Selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, on réalise la protection de la surface du bain de métal liquide qui n'est pas recouverte de laitier, en amenant au voisinage de cette surface un jet de gaz liqu-éfié à basse température qui présente la caractéristique d'etre inerte vis-à-vis du métal, par exemple de l'aote liquéfié ou un gaz rare tel que l'argon. On obtient ainsi une protection particulièrement efficace de la totalité de la surface du bain de métal liquide vis-à-vis de l'oxydation. De plus, on peut se dispenser d'utiliser une adjonction d'huile de colza agissant comme lubrifiant. I1 en résulte une suppression de la fumée de combustion du colza et une qualité de peau supérieure. La présente invention a également pour objet le produit industriel nouveau que constitue un dispositif pour réaliser la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, ce dispositif comportant un moule refroidi tournant autour d'un axe vertical, un mandrin central tournant autour d'un axe identique à celui du moule ou -légèrement décalé par rapport à ce dernier, des moyens permettant d'extraire vers le bas, en la faisant tourner, l'ébauche qui résulte de la solidification du métal introduit entre le moule et le mandrin par une buse d'amenée de métal liquide, dispositif caractérisé par le fait que la buse amène le métal liquide au voisinage de la paroi du moule tournant, et qu'un dispositif approprié amène près du mandrin un laitier synthétique, fluide à haute température, non agressif vis-à-vis du métal constituant l'ébauche et mouillant ce métal pour créer un volume de laitier liquide au voisinage du mandrin. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'illustration et sans aucun carac tère limitatif, le mode de réalisation pris comme exemple représenté sur le dessin annexé. - La figure 1 est une vue schématique en coupe verticale d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus du dispositif représenté sur la figure 1, - la figure 3 est une vue correspondant à la figure 2, d'une variante du dispositif représenté sur les figures 1 et 2. On a schématiquement représenté sur la figure 1, le moule 1 refroidi qui tourne autour d'un axe vertical, et le mandrin central 2 également refroidi qui tourne autour du meme axe vertical. Le moule et le mandrin qui sont connus en eux-memes, sont par exemple réalisés en cuivre, une circulation intense d'eau étant prévue à leur intérieur pour maintenir leur paroi sensiblement à température ambiante et provoquer ainsi la solidification de l'acier qui est coulé. Ce moule et ce mandrin connus en euxmêmes, ne seront pas décrits ci-après plus en détail. On a également schématiquement représenté sur a figure 1 l'ébauche cylindrique creuse 3 qui est extraie vers le bas à une vitesse réglable par les galets moteurs 4 qui tN X eux-mssmes entraînés en rotation dans le sens des flèches F à la même vitesse que le moule 1 et le mand-rin 2. On a schématiquement représenté sur la figure ï, les parois externe 3a et interne 3b de l'ébauche en cours de solidification, qui enferment le puits de métal liquide 3c. La peau 3a se forme initialement au contact du moule refroidi 1, tandis que la peau 3b se forme au contact del'ébauche refroidie 2. On a schématiquement représenté le jet 5 d'amenée de l'acier liquide qui vient frapper la surface du métal en cours de solidi fiction au voisinage de la paroi du moule 1. En raison de la force centrifuge qui s'exerce sur le métal liquide, la surface du bain métallique a une forme parabolique comme représentée en 6 sur le dessin. Conformément à l'invention, on maintient sur la partie centrale de la surface du bain de métal liquide, un volume de laitier 7 qui est amené à l'état liquide par le jet 7 pour compenser les pertes de laitier qui s'échappent pour former une pellicule en 9 entre la surface inférieure du mandrin 2 et la peau interne 3b de l'ébauche. On a également représenté sur la figure 1 des buses 10 de pulvérisation d'eau qui, d'une manière conventionnelle, assurent le refroidissement énergique de l'ébauche au-dessous du moule 1. On conçoit que du fait que le laitier 7 recouvre uniquement la partie centrale du métal liquide au voisinage du mandrin 2, on obtienne une surface externe de l'ébauche qui présente toutes les qualités particulièrement intéressantes des procédés de coulées continues rotatives, tandis que pour la surface interne de l'ébauche, on utilise avantageusement la formation de la couche de laitier qui se créé entre la surface interne de l'ébauche et le mandrin 2. Dans le mode de réalisation représenté,le laitier est amené à l'état liquide sous la forme d'un jet 8 de faible débit aboutissant au voisinage du mandrin central 2. Dans une variante, le laitier pourrait être amené en totalité ou en partie sous forme pulvérulente, la fusion du laitier s'effectuant par prélèvement de chaleur sur le métal en cours de solidification. On n'a pas représenté sur la figure 1, les moyens qui permettent d'entratner en rotation le moule 1 et le mandrin 2, car ces moyens sont conventionnels. De même, on n'a pas non plus représenté les moyens qui permettent, si on le désire de donner une oscillation verticale au moule et/ou au mandrin. On retrouve sur la figure 2, le moule 1, le mandrin central 2, l'amenée d'acier liquide 5, le laitier 7 qui, conformément à l'invention, est placé sur la surface 6 de l'acier liquide et qui se rassemble au voisinage du mandrin 2, ainsi que l'amenée 8 du laitier 7. On -a également représenté l'amenée d'un jet de gaz à l'état liquéfié 11 qui sert à protéger la surface du métal liquide vis-à-vis de l'oxydation. Ce gaz peut être avantageusement constitué par l'azote ou de l'argon liquéfié à basse température. Dans le mode de réalisation de la figure 3, on retrouve le moule 1, le mandrin central 2, les amenées 5 d'acier liquide 8 de laitier et 11 de gaz liquéfié. Dans ce mode de réalisation, le mandrin 2 tourne autour d'un axe vertical O' qui est en position fixe mais excentré légèrement par rapport à l'axe de rotation O du moule 1, comme cela est déjà connu en soi. I1 se forme de cette manière un léger croissant (qui a été schématiquement représenté) et qui assure un décollement de la surface interne de la peau de l'ébauche vis-à-vis du moule, en favorisant la constitution d'une couche de laitier entre le mandrin et l'ébauche. Bien entendu, l'excentricité OO' a été représentée d'une manière exagérée sur la figure 3 de manière à rendre le phénomène plus compréhensif. Dans la pratique, cette excentricité est de l'ordre de quelques millimètres. I1 est bien entendu que les modes de réalisation qui ont été décrits ci-dessus ne présentent aucun caractère limitatif et qu'ils pourront recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. R-E V E N-D I C A T I O N S 1-. Procédé pour réaliser la coulée Continue rotative d'ébauche en un métal tel que l'acier, dans lequel le jet de métal liquide est amené dans l'espace annulaire compris entre un moule refroidi tournant autour de son axe vertical et un mandrin central refroidi tournant sur lui-m8me autour d'un axe vertical sensiblement à la même vitesse que le moule, l'ébauche creuse formée étant extraite verticalement vers le bas par des galets d'extraction et tournant autour de l'axe vertical du moule à la meme vitesse que ce dernier, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on maintient constamment du laitier à l'état liquide sur la surface annulaire du métal liquide en cours de solidification qui entoure le mandrin central, la surface périphérique externe du métal liquide en cours de solidification qui avoisine le moule n'étant pas recouverte par ledit laitier. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que 1 'on utilise un laitier synthétique ne présentant pas d'agressivité chimique vis-à-vis du métal servant à réaliser l'ébauche. 3. procédé selon l'uneoquelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise un laitier ayant une bonne fluidité à sa température d'utilisation. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise un laitier qui présente un pouvoir mouillant relativement élevé vis-à-vis du métal servant à fabriquer l'ébauche. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on utilise un laitier à base de silicates, de carbonates et/ou de chaux. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on utilise un laitiér à base de silicate ou de verre. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que d'une manière connue en soi, on communique au moule et/ou au mandrin des oscillations verticales. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on amène sur la surface du métal liquide en cours de solidification, un gaz liquéfié inerte vis-à-vis du métal, pour le protéger de l'oxydation. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le mandrin tourne sur luimême autour d'un axe-légèrement excentré par rapport à l'axe de rotation du moule l'amenée du métal liquide s'effectuant en un point situé par rapport au sens de rotation, en amont du point où la surface du mandrin est la plus près de la surface du moule. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant un moule refroidi tournant autour d'un axe vertical, un mandrin central tournant autour dlun axe vertical identique à celui du moule qu légèrement décalé par rapport à ce dernier, des moyens permettant d'extraire vers le bas en la faisant tourner l'ébauche qui résulte de la solidification du métal introduit entre le moule et le mandrin par une buse d'amenée du métal liquide, dispo sitif-caractérisé par le fait que la buse amène le métal liquide au voisinage de la paroi du moule tournant et qu'un dispositif approprié amène le laitier près du mandrin pour créer un volume de laitier liquide au voisinage du mandrin. 11. Ebauche métallique creuse en particulier en acier obtenue par le procédé ou le dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle présente des surfaces externe et interne substantiellement exemptes de défauts. 12. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que l'on utilise la couche de silicate ou de verre laissée sur la paroi interne de l'ébauche pour la transformation de l'ébauche par un procédé de filage à la presse avec lubrification au verre.