Brevet FR2248899A1 — publié le 19750523

La présente invention concerne des perfectionnements apportés à la coulée de métaux fondus, en particulier, mais non exclusivement, de l'acier, à travers des buses de coulée. Il est éprouvé des difficultés considérables pour couler certains aciers à partir de récipients pour coulée en source, par exemple pendant la coulée de lingots par coulée en source ou coulée en chute directe, et pendant la coulée continue. La plupart des problèmes se posent lorsqu'on coule les types ou qualités d'acier suivants: a) des aciers faiblement alliés ou des aciers au carbone ordinaire, désoxydés (calmés) à l'aluminium, dans lesquels la teneur résiduelle en aluminium peut être aussi faible que 0,01 j;, La désoxydation peut être obtenue avec l'aluminium et/ou des alliages renfermant de l'aluminium; b) des aciers désoxydés au silicium et/ou au manganèse traités à l'aluminium pour l'affinage du grain; c) des aciers alliés renfermant les éléments d'alliage ou d'affinage de grain suivants: titane, vanadium, tungstène, chrome et zirconium. De même, les aciers renfermant des additions de métaux de la série des terres rares, tels que le cérium et le lanthane, et leurs oxydes; et d) des aciers non calmés tels que les qualités effervescentes à forte teneur en carbone, par exemple ceux présentant 0,15 % en poids de carbone. Ces aciers sont généralement coulés à des températures relativement basses et ont ainsi tendance à se solidifier. Pour couler de l'acier fondu à partir d'un récipient, on peut le faire sortir du récipient par l'intermédiaire d'une buse de coulée en matériau réfractaire pouvant faire partie d'une vanne à registre coulissant. Avec les buses de collecteur classiques à 85-90 ffi d'alumine, il se pose des problèmes de blocage ou de bouchage. De même, on a constaté que l'acier se solidifiait à l'extrémité de la buse du collecteur, ce qui constitue un défaut bien connu. la raison pour laquelle ces problèmes se posent n'est pas parfaitement comprise, bien que diverses hypothèses aient été émises. Le bouchage et le phénomène de solidification sont extrêmement gênants car ils empêchent le maintien d'une vitesse de coulée désirée pendant la coulée. De même, des morceaux solidifiés d'acier oxydé peuvent se rassembler et tqmber dans la conduite d'alimentation par laquelle l'acier doit être coulé. Dans la technique anté rieure, il a été de pratiaue courante d'utiliser une lance à oxygène et/ou une torche au propane pour déboucher la buse. Ces techniques de débouchage sont indésirables car il peut se produire un endommagement du matériau réfractaire et du mécanisme de la vanne à registre coulissant. De plus, ces techniques présentent des risques de dangers. La coulée des aciers fondus désoxydés par l'aluminium a posé jusqu'à présent à toute l'industrie de l'acier de graves problèmes en grande partie non résolus. Une cause principale de ces problèmes est le dépôt d'alumine sur les parois de la buse. Il a été constaté que l'agglomération d'alumine ne se produit pas avec une buse en argile réfractaire, mais cette buse ne donne pas satisfaction pour une autre raison. Une buse en argile réfractaire ne permet pas une commande correcte de la coulée en raison de l'usure rapide due à la faible résistance de 1'argile réfractaire à une attaque par les scories et à une érosion par le métal fondu. Les buses de coulée fabriquées à partir de magnésie ou à forte teneur en alumine (80 à 100 ,' de val203) pourraient être considérées comme satisfaisantes. Cependant, ces dernières substances présentent de grandes capacités thermiques1 de l'ordre du double de celle de l'argile réfractaire; l'agglomération sur les buses à forte teneur en alumine se révèle importante et il se produit rapidement un blocage ou obstruction.Il est prévisible que les buses de coulée en magnésie présenteraient les mêmes ten daces Pour remédier à ces inconvénients, la présente invention a pour objet une buse de coulée destinée à être utilisée pour la coulée de métaux fondus, comprenant un corps tubulaire principal en matériau réfractaire dont l'alésage est recouvert d'un second matériau réfractaire ayant une plus grande résistance à l'attaque et à l'érosion par des scories et la métal fondu que le corps principal, le second matériau réfractaire s'étendant au moins sur la moitié du corps principal, à partir de l1une de ses extrémités.L'invention a également pour obJet une buse de coulée destinée à être utilisée pour la coulée de métaux fondus, comprenant un corps tubulaire principal en matériau réfractaire dont l'alésage est recouvert d'un second matériau réfractaire ayant. une plus grande résistance à l'attaque et à l'érosion par les scories et par le métal fondu que le corps principal, le second matériau réfractaire ayant une capacité calorifique du même ordre que celle de l'argile réfractaire et le second matériau réfractaire s'étendant sur au moins la moitié du corps principal, à partir de l'une de ses extrémités. En service, ladite extrémité est destine à constituer l'extrémité amont de la buse par laquelle le métal fondu est introduit. Des résultants étonnament bons ont été obtenus avec le procédé de coulée de métaux fondus, tels que les aciers sus-mentionnés, lorsque la masse fondue est coulée par une buse de coulée dont la vitesse d'érosion par la masse fondue est sensiblement compensée par la vitesse de dépôt sur cette buse de produits solides provenant de la masse fondue. Plus l'érosion et le dépôt sont étroitement compensés, plus l'alésage de la buse restera uniforme pendant une opération de coulée. Ainsi, on peut obtenir des vitesses de coulée sensiblement uniformes. Il est avantageux de choisir un matériau réfractaire suffisamment résistant pour maintenir l'érosion au minimum. Le dépit est influencé par les propriétés thermiques de la buse, par exemple la capacité calorifique, la conductivité thermique et la diffusibilité.De préférence, on doit utiliser un matériau réfractaire présentant une faible capacité calorifique et une faible conductivité thermique. la capacité calorifique semble être le plus important des critères thermiques. le second matériau réfractaire peut se présenter sous la forme d'un revêtement appliqué sur la paroi de l'alésage. En variante, le corps principal peut présenter une partie contre-alésée s'étendant au moins sur la moitié du corps à partir d'une extrémité, le second matériau réfractaire se présentant alors comme un'e enveloppe cylindrique montée dans la partie eontre-alésée. Avantageusement, la capacité calorifique du second matériau réfractaire est du même ordre que la faible capacité calorifique du corps principal, de préférence à 20 % près. Selon un type de buse préféré comme étant particulièrement satisfaisant, le corps principal consiste en argile réfractaire et le second matériau réfractaire est constitué par l'oxyde de zirconium. Au lieu de l'oxyde de zirconium, le second matériau réfractaire pourrait consister en zircon ou en matières renfermant de l'oxyde de zirconium ou du zircon. la buse de coulée selon l'invention convient pour être utilisée dans les vannes à registre coulissant destinées à diminuer ou régler un écoulement d'acier. Bien qu'on puisse l'utiliser dans une vanne d'un entonnoir de coulée, son but principal est de constituer un tube collecteur d'une vanne à registre coulissant d'urne poche de coulée. L'invention concerne une vanne à registre coulissant et un recopient de coulée en source muni de buses de coulée selon l'invention. L'invention concerne également un procédé de coulée de métal fondu d'un récipient à un autre, le métal fondu étant coulé par une buse de coulée comprennent un corps tubulaire principal en matière réfractaire dont l'alésage est recouvert d'un second matériau réfractaire ayant une plus grande résistance à l'attaque et à l'érosion par les scories et le métal fondu que le corps principal, le second matériau réfractaire s'étendant sur au moins la moitié du corps principal à partir de l'une de ses extrémités et le métal fondu étant introduit dans la buse à cette extrémité.De préférence, le métal est coulé par une buse dans laquelle le second matériau réfractaire présente une capacité calorifique du même ordre que celle de 1' argi- le réfractaire. 'invention sera décrite maintenant à titre illustratif en référence aux dessins annexés sur lesquels la Fig. 1 est une coupe partielle d'une poche de coulée comportant une vanne à registre coulissant; la Fig. 2 est une coupe d'une buse de collecteur à vanne selon la présente invention ajustée sur une partie d'une vanne à registre coulissant; la Fig. 3 représente, en coupe, une variante du mode de réalisation représentée sur la Fig. 2. La poche de coulée 10 représentée en partie sur la 'ig. 1 est un récipient rour la coulée en source présentant un creuset 11 et une buse interne 12 à travers laquelle l'acier fondu de la poche 10 peut s'écouler. L'écoulement du métal est régulé par une vanne 13 à registre coulissant. La vanne présente une plaque supérieure fixe 14 montée sur un corps 15 de vanne fixé au côté inférieur de la poche. Un orifice 16 ménagé dans la plaque supérieure 15 est aligné avec l'extrémité inférieure de l'alésage de la buse interne 12. Dans le corps 15 de vanne se trouve une plaque coulissante 20 qui peut être animée d'un mouvement de va-et-vient coulissant sous la plaque supérieure 14, par actionnement d'une tige 21 agissant par poussée et traction. Le mouvement de cette tige 21 est commandé par un organe hydraulique d'actionnement non représenté. La plaque coulissante 20 est appliquée en contact, face à face, avec le côté inférieur de la plaque supérieure 14 au moyen de pu- sieurs ressorts 22. la plaque coulissante présente un orifice et comporte une buse 23 de collecteur dont le ralle, entre autres, est de produire un jet nettement défini d'acier fondu. les parties de la vanne 13 venant au contact de l'acier fondu, à savoir la plaque supérieure 14, la plaque coulissante 20 et la buse 23 du collecteur, sont en matériau ou matières réfractaires. Une alumine réfractaire de haute densité contenant 85 à 90 ffi de Al203 convient pour la plaque supérieure 14 et la partie supérieure 24 de la plaque coulissante 20. il est évident que la vanne 13 est représentée en position fermée sur la Fig. 1, le passage 25 de la plaque coulissante 14 et de la buse 23 du collecteur n'étant pas aligné par rapport à l'orifice 16 de la plaque supérieure. la vanne est entièrement ouverte lorsque le passage 25 est déplacé pour venir en alignement exact avec l'ori- fice 16. La plaque coulissante 20 sert à régler l'écoulement de 1' acier fondu lorsqu'elle se trouve dans une position intermédiaire recouvrant partiellement l'orifice 16. Au cours de ce dosage ou réglage, le courant d'acier se dirigeant vers le bas et provenant de l'orifice 16 a tendance à s"'évaser", c'est-à-dire à être dévié des deux cotés. Par suite, le courant d'acier tend initialement à frap- per le coté opposé du passage 25 de la buse du collecteur. La construction de la poche 10 et de la vanne 13 représentées sur la Fig. t est connue. En utilisant une telle vanne, il a été rencontré des difficultés considérables dans la coulée d'acier calmé à l'aluminium et désoxydé dans la poche ou des autres aciers précédemment mentionnés. Ces difficultés comprennent l'obstruction de la buse 25 du collecteur et une solidification de l'acier à I' ex- trémité inférieure du colcteur. les difficultés ci-dessus sont pratiquement complètement évitées lorsqu'on utilise une buse de collecteur telle que celles représentées sur les Fig. 2 et 3. La buse 30 du collecteur présente un corps cylindrique creux comportant un passage 31 qui, dans ce cas, présente le même diamètre qu'une ouverture ou orifice 32 d'une plaque coulissante 33. la buse 30 est ajustée sur le côté inférieur d'une partie supérieure 34 de la plaque coulissante, et est maintenue en place par un cément réfractaire. Des variantes de construction à joint cémenté sont représentées sur les Fig. 2 et 3. Sur la Fig. 3, on a représenté différentes formes de joint, à gauche et à droite d'une ligne centrale traversant le passage 31 au voisinage de l'extrémité supérieure dudit passage. ans la orme représentée, la buse 30 du collecteur est cémentée dans une chemise d'acier 35 faisant saillie dans un orifice aménagé dans une plaque 36 de renforcement en acier de la plaque coulissante. La partie supérieure 34 peut se composer d'une matière réfractaire alumineuse résistant à l'abrasion et de forte densité renfermant par exemple 85 à 90 Gw de Au203 La partie principale de la buse 30 est constituée par un tube 38 en matière réfractaire cuite à paroi épaisse. Le tube 38 peut être en une matière réfractaire comprenant environ 40 % de Al203 ayant une faible densité par rapport à celle de la plaque 34 à forte teneur en alumine. L'extrémité amont du tube 38 présente un contre-alésage 39 qui s'étend sur un peu plus de la moitié du tube 38. Une chemise réfractaire 40 est fixée dans le contre-alésage 39 par un cément 41. La chemise 40 est, dans cet exemple perticulier, une enveloppe cylindrique ou un tube à paroi relativement épaisse dont le diamètre interne épouse le diamètre interne du passage 31 et l'orifice 32. La chemise se compose d'une matière réfractaire de faible capacité calorifique, de faible conductivité thermique et résistant fortement à l'érosion, et est de préférence en oxyde de zirconium stabilisé. Au lieu d'être sous la forme d'une enveloppe, la chemise 40 peut être constituée d'un revêtement appliqué par pul vérisation. On voit que le joint 41 représenté sur la Fig. 2 situé à l'ex trémité amont de la buse 30 est complètement isolé d'un contact avec l'acier fondu grâce à la partie supérieure 34 de lc plaque coulissante. Ceci constitue une caractéristique avantageuse du fait que l'érosion du joint 41 est réduite. Des essais ont été effectués sur des buses de collecteur, comme celle représentée sur la Fig. 2. Une telle buse présente un passage 31 dont le diamètre interne est initialement de 5,08 cm.-La longueur globale de la buse est de 19,4 cm et le tube 75 présente un diamètre externe de 11,4 cm. L'extrémité inférieure du tube 38 présentie un angle externe de 600 la chemise en oxyde de zirconium 40 a une longueur ae 11,4 cm, une épaisseur de paroi de 15,9 mm et un diamètre externe de 8,25 cm. Trois pièces moulées séparées en acier calmé à l'aluminium ont été coulées par l'intermédiaire de la buse ci-dessus sans qu'il se produise de blocage de ladite buse, ce qui est particulièrement intéressant compte tenu des extrêmes difficultés normalement rencon trées autours de la coulée de l'acier calmé à l'aluminium. La possibilité de réutiliser la même buse et de pouvoir ainsi couler à travers elle plusieurs pièces moulées en acier calmé à l'aluminium n'a jamais été permise jusqu'à présent. Eendant chaque coulée, l'acier fondu avait une température de l'ordre de 1550 à 16300 C. Au total 180 à 200 tonnes d'acier environ ont été coulées par la même buse. Après cet essai rigoureux, il a été constaté alue la buse n'était que peu usée. La chemise en oxyde de zirconium ne s'était agrandie que jusqu'à un alésage de 5,7 cm avec une usure très régulière. L'éro- sion est habituellement limitée à la zone de la chemise que l'acier vient heurter au cours du dosage ou réglage. il peut arriver que l'extrémité aval du passage 71 du tube 38 en matière réfractaire s'érode. Cependant, ceci ne semble pas être un inconvénient important car, lorsqutil a atteint cette région de la buse, le courant d'acier a été vraisemblablement confiné en un jet bien défini par la chemise en oxyde de zirconium. L'accumulation d'acier solidifié sur la chemise et sur le tube en argile réfractaire est minimale. On ne connaît pas la raison de cet avantage. Cependant, il semble important que les pièces de la buse du collecteur qui viennent en contact avec le courant d'acier présentent une faible conductivité thermique et, ce qui importe davantage, une faible capacité calorifique. Pour cette raison, les buses en matières réfractaires à forte teneur en alumine doivent être évitées. le Tableau suivant récapitule les propriétés thermiques de certaines matières réfractaires courantes. TABLEAU Densité apparente Chaleur Conductivité Capacité Matière réfractaire P spécifique thermique calorifique g/ml c.g.s keal P x C (1) Ordinaire 85 % Al2O3 2,9 0,25 3,28 0,73 (2) 90 % Al2O3 3,2 0,30 6,8 0,96 (3) Forsterite (2MgO. SiO2) 2,8 0,26 1,76 0,78 (4) Magnésite 2,9 0,30 7,56 0,67 (5) 40 % Al2O3. (argile réfractaire) @,0 0,25 2,27 0,50 (6) Cxyde de zirconium stabilisé (ZrO2) 3,9 0,15 2,02 0,59 (7) Zircon (ZrO2 SiO2) 3,0 0,18 3,78 0,54 les chiffres figurant sur le Tableau ci-dessus ne sont qu' ap- proximatifs. Les matières constituant les éléments (1) à (4) du Tableau présentent toutes une grande capacité calorifique lorsqu'on les compare à celle de l'élément (5), ctest-à-dire l'argile réfractaire. On considère que les éléments (1) à (4) ne conviennent pas aux fins de la présente invention. les chiffres représentant la capacité calorifique des éléments (6) et (7) représentent, à 20 ffi près, la capacité calorifique de l'argile réfractaire (5). La buse du collecteur pourrait être en une autre matière que 1' oxyde de zirconium. Par exemple, oxyde de zirconium (zoo2) constituant l'élément (6) du Tableau pourrait être remplacé par le zircon (ZrO2, SiO2) constituant l'élément (7). Le zircon présente une tonne résistance à l'érosion par l'acier fondu et sa capacité calorifique est proche de celle de l'oxyde de zirconium. Au lieu d'utiliser l'oxyde de zirconium ou le zircon proprement dits, la chemise pourrait être constituée de matières réfractaires à base d'oxyde de zirconium ou de zircon. L'érosion du tube 38 en matière réfractaire pourrait être réduite par imprégnation de carbone, par exemple en utilisant du goudron, du brai ou du graphite colloïdal. Revendications 1 - Buse de coulée destinée à être utilisée dans la coulée de métaux fondus, comprenant un corps tubulaire principal en matière réfractaire, caractérisée en ce que l'alésage du corps principal est recouvert d'une seconde matière réfractaire présentant une plus grande résistance à l'attaque et à l'érosion par les scories et par le métal fondu que le corps principal, la seconde matière réfractaire s'étendant sur au moins la moitié du corps principal, à partir de l'une de ses extrémités. 2 - Buse destinée à Btre utilisée pour la coulée de métaux fondus comprenant un corps tubulaire principal en matière réfractaire, caractérisée en ce que l'alésage du corps principal est recouvert d?une seconde matière réfractaire ayant une plus grande résistance à l'attaque et à l'érosion par les scories et le métal fondu que le corps principal, le seconde matière réfractaire ayant une capacité calorifique du même ordre que celle de l'argile réfractaire et la seconde matière réfractaire s'étendant sur au moins la moitié du corps principal, depuis une de ses extrémités. 3 - Buse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la seconde matière réfractaire a la forme d'un revêtement appliqué sur la paroi de l'alésage. 4 - Buse selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le corps principal présente une partie contre-alésée s'étendant sur au moins la moit é de sa longueur depuis une extrémité, et en ce que la seconde matière réfractaire comprend une enveloppe cylindrique montée dans la partie contre-alésée. 5 - Buse selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'enveloppe est scellée dans la partie contre-alésée. 6 - Buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la capacité calorifique de la seconde matière réfractaire est du même ordre de grandeur que celle du corps principal. 7 - Buse selon la revendication 6, caractérisée en ce que la capacité calorifique de la seconde matiere réfractaire correspond, à 20 ss près, à la capacité calorifique du corps principal. 8 - Buse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la seconde. matière réfractaire est constituée d'oxyde de zirconium, de zircon ou de matières contenant de l'oxyde de zirconium ou du zircon 9 - Buse selon la revendication 8, caractérisée en ce oue le corps principal est constitué d'argile réfractaire. 10 - Buse selon la revendication 9, caractérisée en ce que des pores ménagés dans le corps principal en argile réfractaire sont remplis de carbone d'imprégnation afin de réduire l'érosion des par ties de l'argile réfractaire exposées au métal fondu. 11 - Vanne à registre coulissant, caractérisée en ce qu'elle comporte une buse de coulée selon l'une quelconque des revendications précédentes. 12 - Récipient pour coulée en source, caractérisé en ce qu'il comporte une buse de coulée selon l'une quelconque des revendications 1 à g ou une vanne à registre coulissant selon la revendication 10. 13 - Procédé pour couler du métal fondu d'un récipient dans un autre, caractérisé en ce que le métal est coulé par une buse de coulée qui consiste en un corps principal tubulaire en matière réfractaire, dont l'alésage est recouvert d'une seconde matière réfrac taire ayant une plus grande résistance à l r attaque et à l'érosion par les scories et le métal fondu que le corps principal, cette seconde matière réfractaire s'étendant sur au moins la moitié du corps principal depuis une de ses extrémités et le métal fondu étant introduit dans la buse par ladite extrémité. 14 - Procédé pour couler du métal fondu d'un récipient dans un autre, caractérisé en ce que le métal. est coulé par une buse comprenant un corps principal tubulaire en matière réfractaire dont 1' alésage est recouvert d'une seconde matière réfractaire ayant une plus grande résistance à l'attaque et à 11 érosion par les scories et le métal fondu que le corps principal, cette seconde matière réfractaire présentant une capacité calorifique du même ordre de gran deur que celle de l'argile réfractaire et s'étendant sur au moins la moitié du corps principal, depuis une de ses extrémités, le métal fondu étant introduit par ladite extrémité. 15 - Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que le métal fondu est de l'acier calmé à l'aluminium, la buse de coulée utilisée présentant un corps principal en argile réfractaire et l'oxyde de zirconium constituant le chemisage ae l'alésage.