Brevet FR2243750A1 — publié le 19750411

La presente invention concerne un procédé de coulée continue d'acier et a trait notamment à un tel procédé perfectionné dans lequel le cratère de la pièce coulée est maintenu dans une position déterminée afin d'empêcher la formation, à ltextrémité antérieure du cratère d'une zone poreuse, dune zone de ségrégation ou de défauts analogues, assurant ainsi des pièces coulées de meilleure qualité en améliorant la structure solidifiée de l'acier. Dans les procédés classiques de coulée continue acier, on règle la vitesse d'extraction et la quantité d'eau de refroidissement de façon que l'extrémité antérieure du cratère de la pièce coulée se trouve au niveau des rouleaux de serrage.Si l'extrémité antérieure du cratère avance au-delà des rouleaux de serrage, la pièce coulée n'est pas suffisamment pressée par les rouleaux de serrage, ce dont il résulte que la coquille solidifiée est bombée vers l'extérieur sous lteffet de la pression statique de l'acier en fusion du cratère. n serait donc impossible de former des pièces coulées selon les dimensions désirées. Ce bombement permet à l'acier fondu, qui reste à l'extrémité antérieure du cratère et qui contient des impuretés,de se déplacer vers ltextré- mité antérieure du cratère, de sorte que la ségrégation provoquée par l'acier fondu restant se manifeste au centre des pièces coulées solidifiées.Ce bombement se produit également mne si I'écart entre les rouleaux est grand au niveau de I'extrémié antérieure du cratère, provoquant ainsi la ségrégation dans la portion centrale Dans les dieux cas, il n'est pas souhaitable que le cratère d'acier en fusion vienne audela des rouleaux de serrage et on a proposé plusieurs solutions pour contrôler la position de l'extrémité antérieure du cratère. Toutefois, aucun procédé efficace n'a été développé jusqu'à présent. Plus pré cisément selon un procédé proposé de l'acier en fusion est coulé en continu et une substance radioactive ou une substance insoluble dans l'acier telle que le plomb est incorporée dans l'acier en fusion avant la coulée, de sorte que cette substance se précipite ou se diffuse vers I'extrémit6 antérieure du cratère ou elle se solidifie, permettant ainsi de déterminer la position de l'ex- trématé antérieure du cratère en fonction de la.position de la substance cible. Selon un autre procédé on détermine la position en calculant la conduction thermique. Toutefois, il est difficile de déterminer avec précision la position de la substance cible en raison de l'espacement entre les rouleaux de serrage ou pour autres raisons Selon un procédé décrit dans le brevet Japonais nO 40937 de 1972, des rouleau de laminage sont prévus pour réduire l'épaisseur de la pièce coulée et un mécanisme pour détecter la réaction au laminage. Si la réaction au laminage varie rapidement, le mécanisme fontionne pour modifier la quantité d'eau de refroidissement ou la vitesse de laminage.Rien qu'efficace lorsqu'il s'agit de pinces coulées de section transversale relativement petite, telles que des billettes, ce procédé s'accompagne d'une difficulté importante lorsqutil s'agit de pièces de plus grande section transversale telles que des brames. Plus particulièrement, on a produit une brame d'une épaisseur de 200 mm par coulée continue et dès que sa portion centrale était complètement solidifiée on a lamine la brame sous pression au moyen de rouleaux de laminage. Après quoi, on a mesuré le taux de réduction ainsi que la pression de laminage.On peut exprimer la pression de laminage W (en tonnes) par l',equation suivante W (tonnes) = K.L.Y (Y L représente la largeur de la brame et Y le taux de réduction. On peut ainsi calculer que, si K = 0,23, il faudrait une pression de laminage de 1720 tonnes pour réduire de 5 % une brame d'une largeur de 1500 mm. Autrement dit, il faut une pression de laminage extremement importante meme pour un faible taux de réduction. Il en résulte qu'il faut prévoir un laminoir dont les rouleaux sont très rigides, ont un grand diamètre et sont montés dans un bai rigide.Dans un procédé de coulée continue, les rouleaux de serrage situés dans la zone de refroidissement secondaire sont en général espacés de 200 à 600 mm. Un espace- ment plus grand fait que la brame devient bombée dans la direction de ltépais- seur sous l'action de la pression statique de l'acier en fusion du cratère. Pour cette raison, il est impossiblee d'installer un bâti capable de résister à la pression de laminage qui s'élève à 2000 tonnes ou meme plus. Un bâti permettant de monter les rouleaux avec l'espacement mentionne cidessus est capable de résister au maximum à une pression de 300 tonnes environ. Un tel rouleau ne peut à l'évidence trouver une application pratique. En conséquence, un but de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de coulée continue d'acier fondu. Selon la présente invention une pression de laminage relativement faible est appliquée aux rouleaux de serrage situés à I'extréenité antérieure du cratère, la pression de laminage étant variée selon le type d'acier. La façon dont l'epaisseur de la pièce coulée varie au cours du laminage selon que 1'extrAmité antérieure du noyau en fusion soit présent ou non, est détectée et la valeur détectée sert à modifier des conditions de solidification telles que la vitesse d'extraction et la quantité d'eau de refroidissement secondaire. Ainsi, un but principal de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de coulée continue d'acier permettant d'obtenir des pièces coulées d'une qualité déterminée, procédé qui consiste à situer ltextrémité antérieure du noyau en fusion dans une position déterminée, à régler la vitesse de solidification des pièces coulées pour qu'elle se situe dans une gamme désirée et à contrôler la structure du métal solidifié. Selon ce procédé perfectionné de coulée continue, dans lequel la position de l'extr6- mité antérieure du cratère de la pièce coulée est fixe, il est possible d'obtenir un rendement élevé-de pièces coulées d'une structure et d'une qualité constantes après solidification.En réduisant en séquence ltépaisseur de la pièce coulée de 0,1 à 2,0 % à l'aide de paires de rouleaux, on peut éviter, d'une part la formation d'une portion centrale poreuse due au rétrécissement qui a lèu pendant la solidification et, d'autre part la ségrégation qui se produit dans la portion centrale parce que l'acier en fusion, qui contient des impuretés et qui reste à ltextrémité antérieure du noyau, s'coule dans une ouverture formée lors de la solidification et du rétrécissement de l'acier fondu, et on peut également éviter le bombement.Il est aussi possible de détecter avec précision la variation de ltépaisseur de la pièce coulée, variation se produisant à la suite d'opérations de laminage successives, en comparant l'épaisseur après des opérations de laminage respectives. Cela permet également de contrôler avec pré- cision la position de l'extrémité antérieure du cratère. Encore un but de la présente invention est de mettre ce procédé en oeuvre en utilisant un laminoir de construction relativement compacte. Comme on l'a dé- ja mentionné, selon la présente invention le taux de réduction de la pièce cou Ide est limité à une valeur inférieure à 2 %.Même lorsqu'il s'agit d'une brame, la réduction par un faible pourcentage peut entre effectuée au moyen d'une pression de laminage relativement faible. n en résulte que le bâti du laminoir peut etre petit Il est également possible de choisir l'espacement des rouleaux dans une gamme relativement étroite, espacement qui peut êrtre le meme que celui des rouleaux de serrage décrit ci-dessus. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence au dessin annexe dans lequel - la figure 1 est une vue schématique d'un appareil utilisé pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la présente invention - les figures 2 A, 2 B et 2 C sont des vues partiellement en coupe représentant la variation des positions relatives des rouleaux de serrage et de I'extremite antérieure du cratère d'une pièce coulée - la figure 3 est un graphique représentant la variation d'épaisseur de la pièce coulée à diverses positions représentées sur les figures 2 A, 2 B et 2 C - la figure 4 est un graphique représentant le rapport entre la variation du cratère et de la portion parfaitement solidifiée de la pièce et la pression de laminage - la figure 5 est une vue en coupe représentant la façon dont se forment des défauts dans unepièce coulée lorsqu'une pression importante y est appliquée par les rouleaux de serrage - la figure 6 est un graphique représentant le rapport entre l'épaisseur de la brame et la position de l'extrémité antérieure du cratère à des positions respec tives de laminage ; et - la figure 7 est un graphique comparant le degré de ségrégation de pièces cou lées fabriquées selon le procédé de la présente invention et selon un procédé classique. La figure 1 représente une vue schématique du procédé conforme à la pré- sente invention, dans lequel de l'acier 1 à l'étant fondu, contenu dans un récipient adéquat 2, tel qu'une cuve, s'écoule dans un moule 3 en passant par un orifice 15 prévu dans le fond du récipient 2, une pièce coulée étant extraite du moule 3 au moyen de rouleaux de serrage 6 tandis qu ' il se forme une coquille solidifiée dans une région secondaire, la coquille étant supportée sur des rouleaux de guidage 13. Plusieurs paires de rouleaux de serrage 6 sont prévues, chaque paire étant pressée contre la pièce coulée 4 au moyen d'un piston hydraulique 7 entraîné par un moteur électrique 10.Dans la région secondaire de refroidissement est située une buse 12 raccordée à une source d'alimentation en eau 11 et destinée à pulvériser de l'eau froide sur l'acier fondu en vue de le solidifier. Dans ce procédé de coulée continue, supposons que la position de l'extré- mité antérieure du cratère, en arrivant au niveau d'une paire de rouleaux 6, varie selon les figures 2 A, 2 B et 2 C. Etant donné une pression constante de laminage P et des conditions normales et supposons que a pièce coulée est extraite à la vitesse V1, ltextrémité antérieure du cratère 5 arrivera à la position représentée à la figure 2. Supposons maintenant que cette vitesse est augmentée jusqu'à une certaine valeur. L'extrémité antérieure du cratère 5 atteindra alors une position entre la paire de rouleaux 6, comme le montre la figure 2 B.Si l'on augmente encore la vitesse d'extraction on obtient la position représentée sur la figure 2 C et si, à ce moment-là, la vitesse d'extraction V2 reste constante, l'épaisseur de la pièce coulée entre les deux rouleaux de serrage variera selon la courbe a-b-c- représentée sur la figure 3. Plus précisément, lorsqu'une pression de laminage P est appliquée par les rouleaux 6 sur une portion solidifiée de la pièce coulée, position représentée à la figure 2 A, l'épaisseur de la pièce coulée ne varie pas de manière signifiante. Par contre, lorsque le cratère se trouve entre les rouleaux de serrage, la coquille 4 n'est pas beaucoup déformée mais le cratère 5 est beaucoup déformé, provoquant ainsi une variation importan- te de ltépaisseur de la pièce coulée, variation due au fait que la résistance à la déformation d'acier fondu est beaucoup infériefire à celle de la portion solidifiée de la pièce coulée. Supposons maintenant que le rayon de courbure de la pièce coulée 4, produite selon le procédé représenté sur la figure 3, est de 10 m et que la pression de laminage exercée par chaque rouleau est de 89,4 tonnes, les deux rouleaux étant espacés de 500 mm, la variation d'épaisseur de la pièce coulée n'est que de 0,52 mm tandis que cette variation devient de l'ordre de 2 mm lorsque le cratère est laminé. Le rapport entre la pression de laminage et la variation d'épaisseur de la pièce coulée est représenté par un graphique à la figure 4. Dans cette figure, Po représente la pression de laminage ou de réduction correspondant a la pression statique de l'acier fondu et, lorsque le cratère avance pour venir entre les deux rouleaux et si la pression de laminage est inférieure à la pression statique Po de l'acier fondu, la pièce coulée sera bombée sous l'effet de la pression statique Dlun autre côté, si P > Po, l'épaisseur de la pièce coulée serait beaucoup réduite.Lorsque la portion de la pièce coulée se trouvant entre les rouleaux s'est complètement solidifiée, la déformation subie par la pièce est trèspetitetl s'ensuit que, sous une pression de laminage P1 supérieure à la pression statique Po de l'acier fondu, il existe une différence entre la réduction en épaisseur (aD,) de la pièce coulée suivant l'opération de laminage et la grndeur de la déformation ss D2 de la portion solidifiée selon 2 que le cratère soit présent ou non entre les deux rouleaux. Plus précisément, en l'absence du cratère, D = ti 32' tandis que, en présence du cratère, 1 2' D1 > êD2. La présente invention a pour but de limiter à une valeur inférieure à 2 la réduction correspondant à nD,.Cette limitation, méme lorsqu'il s'agit d'une grande brame d'une largeur de 1500 mm par exemple, permet de prévoir une pression de laminage qui ne dépasse pas 135,4 tonnes. Un bâti de laminoir susceptible de résister aux pressions de laminage de cet ordre peut par conséquent être construit de manière extrêmement compacte et à un faible prix de revient, un tel laminoir compact pouvant entre installé en gardant les limites d'espacement entre les rouleaux mentionnées cidessus. Si la pression de laminage P1 appliquée par les rouleaux est extrémement élevée, il se crée, au niveau de l'interface entre la coquille solidifiée et le cratère, des efforts de traction importants qui tendent à provoquer des fissures internes 14. Des recherches ont démontré que la limite de réduction à laquelle de telles fissures se forment se situe entre 1,5 et 2 % de l'épaisseur d'une pièce coulée d'acier ordinaire. Ces résultats prouvent que, pour obtenir des pièces coulées de bonne qualité, il faut limiter la réduction effectuée par un seul rouleau pour qu'elle se situe entre ces limites. La limite inférieure de la pression de laminage P1 est déterminée par la précision de l'instrument de mesure parce qu'une diminution de la pression de laminage P1 entraîne forcément une diminution du taux de réduction, ce qui rend difficile la mesure précise de la variation de l'épaisseur. Pour cette raison, du fait qu'il est difficile de choisir une valeur concrète comme limite inférieure de la pression de laminage, on choisit une valeur se situant dans une gamme permettant une mesure précise de la variation d'épaisseur.En général, le taux minimal de réduction devrait correspondre à 0,1 % environ de l'épaisseur de la pièce coulée ce qui est déterminé par un examen, d'une part de la structure du métal après solidification, en vue d'éliminer la porosité et la ségrégation dans la portion centrale e, d'autre part, de l'appareil utilisé pour détecter la variation d'épaisseur de la pièce coulée se produisant au cours du laminage. Un appareil connu destiné à mesurer l'épaisseur de la pièce coulée comprend un transformateur différentiel, mais on peut utiliser tout autre appareil mécanique ou électrique dont la précision est inférieure à 0,2 mm. Afin de maintenir l'extrémité antérieure du cratère dans une position déterminée, il convient de tenir compte des considérations suivantes. L'extrémité antérieure du cratère peut se trouver a) entre les (i - 1) ièmes rouleaux de laminage et les (i) ièmes rouleaux, b) entre les (i) ièmes rouleaux et les (i + 1) ièmes rouleaux ou c) entre les (i + 1) ièmes et les (i + 2) ièmes rouleaux. Supposons maintenant que la pression de laminage est appliquée respectivement aux (i + 1) ièmes et (i + 2) ièmes rouleaux. Dans ces conditions l'épais- seur de la brame varie comme on l'a représenté sur la figure 6 par des courbes a, b et c, parce que la portion solidifiée n'est pas réduite de manière signifiante sous la pression de laminage. Afin de situer la position de l'extrémité antérieure du cratère entre les (i) ièmes rouleaux et les (i + 1) ièmes rouleaux (état b) on mesure les épaisseurs de la brame au niveau des (i + 1) ièmes et (i + 2) ièmes rouleaux. Supposons maintenant que Di représente l'épaisseur de la brame au niveau des (i) ièmes rouleaux, que Di 1 représente l'épaisseur au niveau des (i - 1) ièmes rouleaux et que Di + 1 représente l'épaisseur au niveau des (i + 1) ièmes rouleaux.Ensuite, on effectue le contrôle de la manière suivante. On détermine d'abord si la différence entre Di ~ a et D. est inférieure ou supérieure à une valeur de référence déterminée t , celle-ci étant établie selon le type d'acier, l'épaisseur de la brame et d'autres paramètres tels que la vitesse d'extraction etc. Si cette différence (Di - 1 - Di) est inférieure à la valeur de référence , on augmente soit la vitesse d'extraction, soit la quantité de l'eau de refroidissement secondaire. Par contre, si la différence est supérieure à la valeur de référence E , on détermine si la diffé rence (Di - Di + 1) est inférieure ou supérieure à la valeur de référence. Si cette différence est inférieure à la valeur de référence g , la coulée se poursuit sans modifier la vitesse d'extraction ni la quantité de l'eau de refroidissement secondaire. Par contre, si cette différence est supérieure à la valeur de référence , on augmente la vitesse d'extraction et/ou la quantité de l'eau de refroidissement secondaire. Pour effectuer ce contre on peut faire en sorte que les résultats obtenus par l'instrument de mesure 9 soient introduits dans un ordinateur 10 qui commande le moteur d'entraînement 8 des rouleaux et, a l'aide d'un dispositif de commande 10, la buse 12 qui pulvérise l'eau de refroidissement secondaire. Afin d'effectuer le contrôle décrit cidessus, il est nécessaire de mesurer l'épaisseur de la brame au niveau de trois ou plusieurs paires de rouleaux de laminage. Lorsqu'on prévoit trois paires de rouleaux de laminage, elles ne sont pas forcément disposées suivant un ordre prédéterminé. On peut également utiliser deux paires de rouleaux de laminage tant qu'il est possible de détecter avec précision la différence d'épaisseur de la brame au niveau de ces paires. On peut méme utiliser une seule paire de rouleaux. Par exemple, si la différence entre l'épaisseur D de la brame au niveau de cette seule paire et l'épaisseur Do de la brame après solidification parfaite est égale à zéro (soit iSD = D - Do) on diminue la vitesse d'extraction.Par contre, si la dif férence J\D D est inférieure à zéro, on augmente la vitesse d'extraction. Dans 1' exemple représenté sur la figure 1 on utilise des rouleaux de serrage 6 également comme rouleaux de laminage. Dans le cas od 1 'on utilise de grands rouleaux de serrage écartés d'une certaine distance, la présente invention permet d'installer des rouleaux de laminage indépendants avant les rouleaux de serrage. On décrit cidessous quelques exemples de la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. Exemple I On a coulé en continu de l'acier à faible teneur en carbone afin d'obtenir des brames d'une épaisseur de 200 mm et d'une largeur de 1500 mm et d'un rayon de courbure de lO m à l'aide d'une machine à coulée continue, telle que celle représentée sur la figure 1.Afin de maintenir la différence des épaisseurs D33 et D34 de la brame, au niveau des trente-troisièmes et trente-quatrièmes rouleaux à compter du moule, inférieure à la valeur de référence 0,5 mm on a effectué une réduction de 1,5 % de la brame au niveau de chacun des rouleaux entre le trentedeuxième et le quarante-aeuxième. La vitesse d'extraction était de l,O m/min., la quantité d'eau de refroidissement secondaire étant réglée pour obtenir une quantité spécifique d'eau de î,'4 1 par Kg d'acier. On a utilisé des transformateurs différentiels pour mesurer les épaisseurs D3X, D32, D33 et D34 de la brame au niveau des rouleaux associés. On a constaté que D3 =.205 mm D32 = 202 mm, la différence entre ces deux valeurs étant de 3 mm. En outre la différence entre D32 et D (20nmm) était de 2 mm. Ces diffé 32 33 rences sont supérieures à la valeur de référence de 0,5 mm. Toutefois, la différence entre D33 et D34 est de zéro, inférieure donc à la valeur de référence E . Par conséquent, l'opération de coulée a continué sans modification de la vitesse d'extraction ni de la quantité de l'eau de refroidissement secondaire. Lors de l'inspection des brames fabriquées selon ce procédé on a constaté que la porosité et la ségrégation de la portion centrale étaient pratiquement éliminées. La figure 7 représente le coefficient de ségrégation de la portion centrale des pièces coulées. La courbe A représente la valeur moyenne de ségrégation de 36 pièces coulées préparées selon le procédé classique, tandis que les courbes B et C représente les valeurs moyennes de 16 et de 10 pièces coulées fabriquées respectivement selon les procédés décrits dans les exemples 1 et 2. En outre, on nta constaté aucune tendance à bomber. Exemple 2 On a utilisé la méme machine que dans l'exemple 1. Mais on à effectué une réduction de 0,6 % de la brame au niveau de chacun des rouleaux depuis le trente-deuxième jusqu'au quarante-deuxième. La vitesse d'extraction était de 0,9 m/min. et liteau de refroidissement correspondait à une quantité spécifique d'eau de 1,5 1 par Kg d'acier. On a mesuré l'épaisseur de la brame à l'aide de transformateurs différentiels. On a constaté que les différences entre D31 et D32 et entre D32 et D33 32 étaient de O mm, inférieures donc à la valeur de référence 0,5 mm dans ces conditions d'opération. Par conséquent, on a modifié la vitesse du moteur 8 pour augmenter la vitesse d'extraction jusqu'à 0,98 m/min. En même temps on a augmenté la quantité d'eau de refroidissement secondaire jusqulà 1,54 1 par 1 Kg d'acier. Après quoi, les différences entre D31 et D32 et D32 et D avaient augmenté 33 respectivement jusqu'à 2 mm, supérieures donc à la valeur de référence. Toute fois la différence entre D33 et D34 était de O mm, ltopération de coulée étant par conséquent poursuiviasans modifier la vitesse d'extraction de 0,98 m/min. ni la quantité d'eau i 1,54 1 par Kg d'acier. La porosité et la ségrégation de la brame étaient faibles toutes les deux. La valeur moyenne de la ségrégation des 16 pièces préparées selon le procédé décrit dans cet exemple est représentée par la courbe C sur la figure T. Exemple de contrôle 1 Dans les mêmes conditions de coulée continue décrites dans l'exemple 3, on a effectué une réduction de 2,5 % de la pièce coulée au-niveau des rouleaux trentedeux à trente-quatre et on a constaté la formation de nombreuses fissures internes, comme le montre la figure 5, ces fissures se présentant sous la forme de lignes noires dans une empreinte en soufre. En outre, on a constaté de nombreux défauts dans une brame obtenue après laminage de cette pièce. Exemple de contrôle 2 Dans les mêmes conditions de coulée continue décrites dans l'exemple 1, on a effectué une réduction inférieure à O,J %, valeur impossible à détecter au moyen d'un transformateur différentiel, entre les trente-deuxièmes et trentequatrièmes rouleaux. Avec une vitesse d'extraction de 0,9 m/sec. il s'est formé une zone poreuse dans la portion centrale de la pièce coulée due à la solidifi cation et. au rétrécissement et provoquée par le bombement et une zone de ségrégation centrale provoquée par l'écoulement de l'acier fondu qui reste à l'extrémité antérieure du noyau en fusion et qui contient des impuretés. Par conséquent, la qualité de la brame résultante n'était pas satisfaisante puisqu' elle présentait plusieurs défauts-. REVENDICATIONS 1.- Procédé de coulée continue d'acier fondu, caractérisé en ce qu'il consiste à disposer au moins une paire de rouleaux de réduction au voisinage de l'extrémité antérieure d'un cratère de la pièce coulée, extrémité ou s 'achève la solidification de l'acier fondu, a réduire la pièce coulée au moyen d'une paire de rouleaux de réduction à un taux déterminé de réduction compris- entre 0,1 et 2,0 %, à détecter la variation d'épaisseur de la pièce coulée apportée par ladite réduction et à commander la condition de solidification de l'acier fondu à l'aide de la variation détectée. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la condition de solidification comprend la vitesse d'extraction de la pièce coulée et/ou la quantité d'eau de refroidissement secondaire. 3.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à réduire la pièce coulée de 0,1 à 2,0 % plusieurs fois par chaque paire de rouleaux, à déterminer la différence d'épaisseur de ladite pièce coulée au niveau des paires de rouleaux adjacentes et à commander ladite condition de solidification en comparant ladite différence avec une valeur de référence.