Brevet FR2204470A1 — publié le 19740524

La présente invention se rapporte à un procédé etun dispositif perfectionnés de refroidissement du lingot (brame, billettes ou rond) dans les installations prévues pour la coulée continue des métaux. Dans les installations de ce type, le métal est introduit de façon continue à l'état liquide dans une lingotière refroidie par circulation d'un fluide et en est extrait sous forme d'une barre continue dont le centre est encore liquide et qui doit être soutenue par un chemin de guidage dans la zone dite de refroidissement secondaire ou se poursuivent progressivement le refroidissement et la solidification complète du métal. Dans la coulée continue des métaux à point de fusion élevé comme le fer et ses alliages, ce refroidissement a une très grande importance et doit etre effectué lentement et aussi régu lièrement que possible pour éviter la formation de criques et obtenir un produit de bonne qualité métallurgique tout en gardant aux parois solidifiées une épaisseur suffisante pour résister aux efforts de traction et de guidage. Dans ce but, on utilise généralement des dispositifs faisant appel à une pulvérisation d'eau par des buses ou des rampes réparties autour du lingot entre les organes de guidage, ce qui permet d'obtenir-l'intensité de refrddissement désirée mais non son uniformité en raison meme des propriétés du fluide utilisé. En particulier, avec ces dispositifs il se forme, d'une part, autour de la surface du métal une gaine isolante de vapeur et, d'autre part, à cause du phénomène de calêfaction, desrejaillis- sements de liquide aux points d'impact des jets provoquant des ruissellements locaux incontralés dont l'action est difficilement prévisible. I1 en résulte la formation de criques ou de filets de ségrégation très gênants pour les opérations ultérieures de transformation du lingot. Le procédé de refroidissement objet de l'invention a pour but de remédier à ces inconvénients, en-utilisant comme fluide réfrigérant un mélange d'un gaz et d'un liquide atomisé, dans lequel on donne aux gouttelettes de liquide atomisé une énergie suffisante pour enter en contact avec la surface du Lingot et refroidir celui-ci malgré la couche de vapeur qui se dégage de la surface. Le mélange de gaz et de liquide atomisé est formé par dispersion de liquide dans un jet de gaz sous forme de gouttelettes très fines dtun diamètre généralement inférieur à 00 microns Ce mélange à l'aspect d'une brume (gouttelettes de diamètre compris entre 20 et 100 microns) ou même d'un brouillard (diamètre inférieur à 20 microns). On tilisera,-de préférence, un mélange d'ar et d'eau atomisé, l'air et l'eau étant des fluides peu coûteux. Pour la mise en oeuvre de ce procédé, on utilise des atomiseurs compatant un orifice central pour la pulverisation du liquide sous forme d'un jet conique et un orifice annulaire, concentrique à l'orifice central, pour le soufflage du gaz sous forme d'un jet tronconique moins évasé que le jet liquide ; le jet résultant, constitué par le mélange du gaz et du liquide, a la forme d'un cône plein. Ces atomiseurs sont disposés suivant des rangées parallèles aux faces du lingot et dans des plans superposés, perpendiculaires à l'axe du lingot, de telle sorte que pratiquement il n'y ait pas interpénétration des jets d'air et d'eau atomisée produits par deux atomiseurs voisins. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et se refère aux dessins l'accompagnant qui illustrent, à titre d'exemple non-limitatif, un mode de mise en oeuvre de l'invention. Sur ces dessins La figure 7 représente, en coupe transversale, un dispo site de refroidissement relatif à un lingot de section carrée (billettes) La figure 2 est une coupe longitudinale de ce dispositif La figure 3 représente, en coupe, un atomiseur du dispositif de refroidissement ; La figure 4 est une vue de face de l'atomiseur ; et La figure 5 montre, en coupe transversale, un dispositif de refroidissement relatif à un lingot de section rectangulaire (brame). Le dispositif de refroidssement représenté sur les figures 1 et 2 comporte une série d'atomiseurs 10 disposés autour du lingot 12 dans des plans superposés, perpendiculaires à l'axe du lingot. Comme on le voit sur les figures 3 et 4, chaque atomiseur comporte un ajutage 14 raccordé à une arrivée d'eau et une chambre annulaire 16 raccordée à une arrivée d'air comprimé et débouchant à l'extérieur par un orifice annulaire 18 concentriqe à l'orifice central 20 constituant I'extrémité de l'ajutage. Les atomiseurs sont portés par des rampes d'alimentation en air et eau 22-et 24 auxquels ils sont raccordés. Ces rampes sont annulaires et entourent le lingot : elles sont portées par un support fixe et sont ajustables en hauteur. La figure 5 montre la disposition des atomiseurs dans le cas d'un lingot de section rectangulaire (brame). Dans l'exemple représenté on n'a pas prévu d'atomiseurs sur les petites faces du lingot, mais il est bien évident qu'on pourrait disposer les atoliseurs tout autour du lingot Si cela était nécessaire. Les atomiseurs produisent un jet d'eau conique et un jet d'air tronconique dont l'angle d'ouverture est inférieur à celui du jet d'eau qu'il coupe de façon à produire, à faible distance des orifices de sortie, un jet conique, plein, homogène, d'air et d'eau atslpisée; l'axe commun de ces jets est sensibement perpendiculaire à'axe du lingot. Par exemple, l'angle au sommet du jet d'eau peut Autre i 500, celui du jet d'air de 20 , et celui du jet résultant de 400 environ. La disposition des atomiseurs est telle que les jets de deux atomiseurs voisins n'empiètent pas l'un sur l'autre. Ces appareils ne demandent que des pressions et des débits usuels dans les installations métallurgiques ; les pressions d'alimentation en eau et air sont inférieures ou au plus égales à 5 bars effectifs. L'air, outre son rôle thermique a'agent refroidisseur a un double r8le mécanique--; diviser l'eau en gouttelettes très fines sous forme de brume, c'est-à-dire atomiser l'eau, et transporter ces gouttelettes en leur communiquant une énergie cinétique impor- tante. Les caractEristiques de l'atomisation dépendent donc essentiellement de la pression et du débit d'air ; elles sont pra tiqueraient indépendantes-de la pression de l'eau. La pression et le doit d'air doivent être choisis pour que le plus grand nombre de gouttelettes ait un diamètre inférieur à 100 microns. Pour modifier l'intensité du refroidissement, on modifie le débit d'eau. Plus le débit d'eau est grand, plus le débit et la pression d'air doivent Autre grands afin que l'atomisation soit bien réalisée. La pression de l'air comprimé' peut varier entre 0,5 et 5 bars effectifs ; le débit dtair doit être adapté à la pression et peut varier dans un rapport de 1 à 2ss5. La pression de l'eau est réglée en fonction du débit d'eau voulu ; elle peut varier entre 0,5 et 5 bars effectifs. On peut aussi faire varier le débit d'eau sur une plage réduite, en maintenant inchangés le débit et la pression d'air tout en conservant de bonnes caractéristiques d'atomisation. il est ainsi possible de faire varier le débit d'eau dans un rapport de 1 à 15, ce qui permet un réglage étendu du refroidis- serment En maintenant le rapport pondéral qantité d'eau/quantité d'air compris entre 1 et 6, les caractéristiques de l'atomisation ne sont que faiblement modifiées lorsque le débit d'eau varie dans ces limites. Le refroidissement du lingot de coulée continue à l'aide du dispositif décrit-ci-dessus présente de nambreux avantages par rapport aux dispositifs antérieurement utilisés. En ce qui concerne llintensité du refroidissement, des essais comparatifs montrent qu'on obtient un refroidlsseeent au moins équivalent à celui réaliséopar pulvérisation d'eau avec un débit d'eau pouvant être divisé par un chiffre compris entre 3 et 5. Cela s'explique par la réunion de plusieurs phénomènes - meilleur contact de l'eau avec la surface du lingot en raison de la grande vitesse des gouttelettes, - augmentation de-la surface d'échange thermique due à lthomogénéi- té des jets, - contribution de l'air soufflé à grande vitesse au refroidissement du lingot, - formation par l'eau qui ne s'est pas vaporisée lors du contact avec le lingot d'une bruine créant autour de celui-ci un milieu ambiant refroidissant. Le refroidissement est aussi plus régulier qu'avec les dispositifs classiques : en effet, la répartition de l'eau à l'impact est plus homogène et le ruissellement incontrôlé est supprimé. Par ailleurs, la formation d'un milieu ambiant refroidissant réduit l'importance des zones mal refroidies. On peut donc obtenir, en disposant convenablement les atomiseurs, un contrôle convenable du refroidissement du lingot et, par conséquent, éliminer les chocs thermiques et la formation de criques, ce qui améliore les qualités métallurgiques des produits fabriqués. La disposition et le nombre des atomiseurs dependent évidemment de la forme et des dimensions du lingot et de la nature du métal coulé. Un grand avantage de ce dispositif reside dans la possi bilité cl faire varier le pouvoir de refroidissement d'une meme installation dans une grande proportion et, par conséquent, de pouvoir swadapter sans modification de structure à différente conditions de marche. Etant donné le faible encombrement des atomiseurs, ils peuvent être mis en place dans une installation neuve aussi bien que dans une installation ancienne en remplacement des injecteurs d'eau. Dans la description qui précède, on s'est limité, pour la simplicité de la-rédaction, à l'utilisation d'un fluide réfrigérant obtenu à partie d'un mélange d'air et d'eau finement pulvérisée, mais il doit être bien compris que le fluide.réfrigérant peut également être réalisé sans sortir du cadre de l'invention, à partir de tous gaz ou liquides pouvant jouer des rôles indentiques à ceux dé l'air ou de l'eau dans le processus d'atomisation et de refroidissement.Par exemple, l'air peut astre remplacé par n'importe quel gaz pouvant apporter des avantages -dans la métallurgie du métal cou-lé , tels quSà titre non-limitatif, le gaz carbonique; et l'azote, et l'eau peut être également utilisée à l'état habituel, purifiée, adoucie, additionnée d'agent tensio-actifs favorisant sa dispersion ou de lubrifiants ou même remplacee par un autre liquide réfrigérant apportant des avantages particuliers. On peut d'ailleurs prévoir d'employer, dans la même installation, des atomiseurs alimentés de façon séparée avec des fluides différents, de façon à former autour du lingot, dans les zones déterminées des milieux ambiants particuliers. Du fait de leur simplicité et-des avantages importants qu'ils apportentpour le refroidissement des métaux, les procédé et dispositif de l'invention sont particulidrement bien adpatés au refroidissement du lingot sortant de la lingotière dans un-dispositif de coulée continue pour la coulée des métaux à haut point de fusion tels que le fer et ses alliages, quèlque soit le trajet suivi par le lingot en dehors de la lingotière. Le procédé et le dispositif de l'invention sont applicables à toutes les formes des lingots coulés en continu, par exemple : section carrée ou sensiblement carrée (billette), section rectangulaire (brame), section circulaire (rond plein et rond creux). Ils sont applicables à toutes les dimensions du lingot, ainsi qu'a toutes les nuances d'acier et à tous les métaux que l'on peut couler en continu. REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement du lingot à la sortie de la lingot re dans la zone de refroidissement secondaire d'un dispositif de coulée continue pour métaux , caractérisé en ce qu'on utilisé comme fluide réfrigérant un mélange d'un gaz et d'un liquide atomisé formé par dispersion d'un liquide dans un jet de gaz sous forme de gouttelettes dont le plus grand nombres un diamètre inférieur à 100 microns et qui sont projetées sur le lingot par le jet de gaz avec une énergie suffisante pour traverser la couche de vapeur entourant le lingot et entrer en contact avec la surface de ce dernier. 2. Procédé de refroidissement du lingot conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le jet résultant de l'atomisation d'un jet livide par un jet de gaza la forme d'un cône plein dont l'axe est sensiblement perpendiculaire à une face du lingot. 3. Procédé de refroidissement du lingot selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le gaz est de l'air et le liquide de l'eau. 4. Procédé de refrodissement du lingot conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport pondéral des quantités d'eau et d'air dans le mélange est compris entre 1 et 6. 5. Procédé de refroidissement du lingot conforme à la revendication 3 ou 4, caractérise en ce-que les pressions d'alimentation en eau et air sont comprises entre '0,5 et 5 bars effectifs. 6. Dispositif de refroidissement du lingot à la sortie de la lingotière dans la zone de refroidissement secondaire d'un dispositif de coulée continue des métaux utilisant comme fluide réfrigérant un mélange de gaz et de liquide, caractérisé en ce qu'il est constitué par une série d'atomiseurs comportant un orifice central pour la pulvérisation du liquide sous forme d > un jet conique et un orifice aniulaire,concentrique à l'orifice central, pour le soufflage du gaz sous forme d'un jet tronconique moins évasé que le jet liquide. 7. Dispositif de refroidissement du lingot conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que les atomiseurs sont disposés suivant des rangées parallèles aux faces du lingot et dans des plans superposés perpendiculaires à l'axe du lingot, de telle sorte qu'il n'y ait pratiquement pas interpénétration de plusieurs jets.