Brevet FR2364718A1 — publié le 19780414

L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement secondaire dans une installation de coulée continue de métal0 Dans une machine à coulée continue, l'acier liquide est versé dans une lingotière, ouverte vers le bas, énergiquement refroidie par circulation d'eau. L'acier se solidifie à sa surface au contact de la lingotière d'où il est extrait en continu en formant une bande de métal appelée brame. Ce premier refroidissement, effectué dans la lingotière, est poursuivi sur le métal extrait de la lingotière dans la partie de la machine généralement appelée refroidissement secondaire0 Le refroidissement secondaire s'effectue par projection sur la brame d'un fluide (eau cru mélange d'eau et d'air ou de vapeur), de sorte qu'au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la lingotière l'épaisseur solidifiée croit. Le refroidissement secondaire est suivi du dispositif d'extraction qui exerce sur la brame l'effort d'extraction nécessaire pour lui assurer un écoulement réguliers Ce dispositif d'ex- traction étant aussi utilisé pour, au démarrage de la coulée, mettre en place la fausse brame. Jusqu'au moment où la brame n'est pas solidifiée à coeur, ctest-à-dire aussi longtemps qu'elle a la structure d'une enveloppe solide contentant du métal liquide, elle se comporte comme une envers loppe soumise à pression intérieure. Ce métal liquide exercez sur l'enveloppe une pression ferrostatique, Or cette enveloppe, constituée d'un métal à haute température, ne peut par elle-même avoir une résistance suffisante pour ne pas avoir d'importantes vitesses de déformation et se rompre. Le refroidissement secondaire est donc pourvu de moyens de guidage permettant à l'enveloppe solidifiée de conserver sa forme. Dans un mode de réalisation proposé il y a plusieurs années, les moyens de guidage étaient constitués par des plaques disposées le long de la brame, et entre lesquelles étaient intercalés des rouleaux d'extraction de la brame, lesdites plaques étant refroidies. Ainsi, le refroidissement se faisait par contact de la brame directement avec la plaque. Dans ce genre de dispositif, il existe un effort de frottement très important entre les plaques de guidage et la brame, et on est obligé d' exercer sur la brame un effort d'extraction important qui peut parfois entrainer une rupture de la brame.D'autre part, on a observé que le refroidissement par contact avait certains inconvénients notamment du fait que la brame a tendance, en se contractant, à s'écarter de la plaque de refroidissement et que cet intervalle d'air constitue une couche isolante diminuant l'effet de refroidissement. En outre, cet effet de refroidissement peut autre difficilement contrôlé. C'est pourquoi, le chemin de guidage est généralement cons titubé d'une série de rouleaux disposés par paire les uns à la suite des autres, chaque paire comprenant deux rouleaux placés en vis-àvis de part et d'autre de la brame, l'ensemble matérialisant ainsi un couloir de largeur égale à l'épaisseur de la brame coulée. Les rouleaux sont séparés les uns des autres par des espaces dans lesquels sont placés des dispositifs d'aspersion sur la brame d'un fluide réfrigérant. Le refroidissement par aspersion d'un fluide est en effet préférable au refroidissement par contact sur une surface froide. L'utilisation de moyens de guidage écartés les uns des autres permet de placer entre ceux-ci les dispositifs d'aspersion. Cependant, la conception des moyens de guidage et notamment, lorsque les moyens consistent en des rouleaux, l'écartement qu'il convient de donner à ceux-ci, devra tenir compte des lois qui régissent la déformation de la brame qui, dans la zone de refroidissement, comprend un noyau de métal liquide. En effet, il n'est pas possible de modifier la disposition des moyens de refroidissement et de guidage en fonction des conditions de coulée. Or, la machine doit pouvoir couler des brames d'épaisseurs variables à différentes vitesses, et on doit envisager les cas extrêmes notamment celui d'un arrêt de la coulée. On connaît les lois de déformation d'une plaque métallique de température variable et, éventuellement d'épaisseur variable, soumise à des conditions de chargement diverses et on peut utiliser ces lois pour apprécier le comportement de la partie solidifiée d'une brame dans une machine à coulée continue. C'est ainsi que, si l'on considère une région déterminée de la brame, où s'exerce donc une certaine pression ferrostatique, on constate qu'il existe une longueur critique, pour la longueur de la brame laissée libre entre deux dispositifs de supportage, au-delà de laquelle les vitesses de déformation sont grandes et en-deçà de laquelle elles sont petites. Cette longueur est évidemment fonction de l'épaisseur solidifiée qui dépend de la vitesse de coulée et des conditions de refroidissement. Si on maintient constante la température extérieure de la brame, une augmentation de la vitesse de coulée aura, du point de vue de la vitesse de déformation, deux effets contraires. Le temps de séjour de la brame entre deux. dispositifs de supportage diminuera, ce qui aura tendance à réduire la déformation. Nais l'épaisseur de la partie solidifiée diminuera également, ce qui aura pour effet d'augmenter la déformation. Finalement, le résultat global d'une augmentation d'une vitesse de coulée sera d'augmenter les déformations. D'autre part, une augmentation de la-température ext4- rieure de la brame, les autres conditions étant maintenues constantes, aura pour effet de diminuer l'épaisseur de la crotte solidifiée et, celle-ci étant constituée d'un métal plus chaud donc moins résistant, les vitesses de déformation augmenteront. En outre, la longueur critique dépend évidemment de la région considérée de la brame, l'épaisseur de la crotte augmentant progressivement. Si l'on se fixe une - déformation maximale admis- sible entre deux rouleaux consécutifs, l'écartement de ceux-ci peut augmenter lorsqu'on s'éloigne de la lingotière. Cette augmentation de l'écartement est d'ailleurs plus marquée lorsqu'il s'agit d'une machine courbe. On peut donc déterminer l'écartement à donner aux rouleaux dans certaines conditions de fonctionnement0 Cependant, il faut prendre en considération tout le programme de fabrication que l'utilisateur envisage d'exécuter et qui impose d'autres conditions. Ainsi, la largeur maximale de la brame coulée détermine la longueur des rouleaux et le diamètre de ceux-ci puisque l'effort s'exerçant sur les rouleaux augmente avec la largeur de brame. D'autre part, cet effort dépend également des vitesses de coulée qui déterminent,comme on l'a vu,les distances non supportées admissibles et de l'épaisseur de la brame, les brames les plus épaisses conservant plus longtemps un coeur liquide susceptible d'exercer une pression ferrostatique. Enfin, en dehors des cas de fonctionnement normaux, il faut également envisager des cas exceptionnels dus par exemple à des incidents. C'est ainsi qu'il faut en cours de coulée garder la possibilité d'arrêter celle-ci et de stopper l'avance de la brame en cas, par exemple, d'incidents dans le déversement de l'acier dans la lingotière. La distance entre les rouleaux de supportage doit donc autre suffisamment petite pour que les gonflements se produisant lors d'un arrat puissent autre effacés par les rouleaux lors du redémarrage ou tout au moins ne donnent lieu qu'à des variations d'épaisseur acceptables. On est ainsi arrivé à réaliser des couloirs de refroidissement secondaire constitués de rouleaux très rapprochés. Il en résulte que dans les conditions de fonctionnement normales, le nombre de rouleaux est surabondant. Or, on a vu que la brame peut être considérée comme rigide si la longueur non supportée est inférieure à la longueur critique. L'entraxe entre les rouleaux étant déterminé pour ne pas dépasser la longueur critique du cas le plus défavorable, il en résulte que dans les cas de fonctionnement normaux, la brame a un comportement rigide. Ceci a pour effet de mettre en surcharge certains rouleaux au bénéfice de certains autres. Ce phénomène est d'ailleurs aggravé du fait que les rouleaux d'une machine à coulée continue sont toujours plus ou moins déformés et de ce fait subissent cycliquement des surcharges.En effet, lors d'un arr8t, il y a un échauffement important localisé tout le long d'une génératrice, ce qui crée des contraintes d'origine thermique et peut provoquer des déformations permanentes du rouleau. Ces surcharges peuvent expliquer pour une part les ruptures de rouleaux que l'on a observées dans les machines classiques. D'autre part, le refroidissement secondaire nta évidemment pas pour seul objet d'assurer le maintien en forme de la brame, mais également d'obtenir un refroidissement satisfaisant de celle-ci. Un refroidissement est satisfaisant si, dans les différents cas de marche, c'est-à-dire pour les différentes vitesses de coulée et de largeurs de brame, on obtient un métal exempt de criques ou autres défauts métallurgiques. Or, pour obtenir un tel résultat il faut maintenir une température de surface aussi constante que possible ou du moins sans variation rapide du haut en bas de la machine; mais il faut surtout avoir une bonne maîtrise des températures.Ainsi, des impératifs de qualité peuvent nécessiter une température minimale lors du dé cintrage du produit dans une machine courbe, par esemple 9000C, alors que l'on aurait avantage à couler à une température plus basse si l'on n'avait pour impératif que la production, Dans les machines connues, on rapproche les rouleaux le plus possible eten pratique,on ne réserve qu'un espace minimum pour la mise en place des circuits du fluide de refroidissement. La pulvérisation du fluide ne peut donc se faire que sur un faible pourcentage de la surface de brame située entre deux rouleaux, les pulvérisateurs projetant sur la brame un jet plat d'épaisseur très réduite. Il en résulte évidemment un manque d'uniformité des tempé ratures de surface de la brame. Mais un autre inconvénient est le rendement très mauvais de ce mode de refroidissement, un bilan global indiquant que si le fluide réfrigérant est de L'eau, la quantité de chaleur échangée entre eau et brame est celle correspondant à une élévation de température de 20oC à 300C de l'eau. Ainsi, les solutions connues pour le refroidissement secondaire des machines à coulées continue de brames ne satisfont pas parfaitement au conditions requises pour avoir un supportage efficace et str de la brame et en mme temps un refroidissement satisfaisant. L'invention a pour objet un nouveau dispositif de refroidissement secondaire permettant de remédier à ces inconvénients et facilitant en outre le contrôle permanent de la température de la brame. Le dispositif selon l'invention comprend deux séries de plaques placées Se part et d'autre de la brame et intercalées dans les espaces entre les rouleaux de guidage, chaque plaque présentant une surface parallèle à la brame et placée en retrait du couloir matérialisé par les moyens de guidage, chaque surface comprenant au moins un orifice d'aspersion de fluide réfrigérant dans ltespace entre la brame et la plaque. L'invention va maintenant autre décrite en se référant à un mode de réalisation particulier représenté sur les figures à titre d'exemple, La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale du dispositif de refroidissement secondaire. La figure 2 est une vue de détail du dispositif entre deux moyens de supportage. L'installation de coulée continue représentée sur la figure 1 comprend un panier de coulée 1 alimenté en acier liquide, celuici s'écoulant dans une lingotière 2 à parois refroidies. il se forme dans la lingotière sans fond une brame 3 qui s'écoule dans un couloir de guidage, généralement courbe, dont la partie supérieure peut être formée de grilles 5. En dessous des grilles 5, le couloir de guidage est matérialisé par un ensemble de rouleaux, dont les uns 6, sont montés fous, les autres, 7, étant motorisés. Les rouleaux sont montés par paire de part et d'autre de la brame, et sont écartés d'une largeur égale à l'épaisseur de la brame. Selon une particularité importante de l'invention, les rouleaux 6 ou 7 placés d'un méme côté de la brame sont écartés les uns des autres de distances bien supérieures aux entraxes des machines classiques. En pratique, ltentraxe des rouleaux sera déterminé pour assurer un bon supportage dans les conditions de fonctionnement normales, c'est-à-dire pratiquement sans gonflement de la crotte solidifiée entre deux rouleaux successifs0 -Far conséquent, ltentraxe des rouleaux sera égal, selon la position de ceux-ci le long du couloir de guidage, à la longueur critique calculée pour une vitesse de coulée moyenne. Selon l'invention, les deux séries de rouleaux placés de part et d'autre de la brame sont associés à deux séries de plaques 9 intercalées dans les espaces entre les rouleaux. Chaque plaque 9 constitue le fond d'un caisson 10 qui, comme on le voit sur la figure 2, aura une forme sensiblement trapèzoidale permettant de stintercaler entre deux rouleaux successifs de façon que les extrémités de la plaque 9 puissent se rapprocher le plus possible des rouleaux. A l'intérieur du caisson creux 10 circule un fluide de refroidissement de la plaque 9O Celle-ci présente, du côté de la brame 3, une surface 90 parallèle à la surface de la brame et écartée de celle-ci d'une certaine distance e. Cette distance e est au plus égale au gonflement maximal de la brame que l'on peut admettre entre les rouleaux encadrant la plaque 9. La distance e est donc calculée en fonction de la position de la plaque considérée le long du couloir de guidage (dont dépendent notamment la température de la brame, la pression ferrostatique et l'épaisseur de la crotte solidifiée), et de ltentraxe des rouleaux 61 et 62 encadrant la plaque 9 considérée, cet entraxe ayant été déterminé, comme on l'a vu, pour des conditions normales de fonctionnement. Au contraire, la distance e devra autre calculée en fonction des conditions les plus défavorables, par exemple l'arrêt de la machine, de façon que dans ces cas les gonflements de la brame soient limités à une valeur acceptable par les plaques e. A titre d'exemple, la distance e, dans les machines de dimension habituelle, pourra être de l'ordre de 5 mm. Une autre caractéristique de l'invention réside dans un moyen original de refroidissement de la brame, En effet, étant donné que l'entraxe des rouleaux est plus grand que dans les machines classiques du fait que le gonflement de la brame est limité par les plaques 9, on n'est plus obligé d'utiliser des rampes de refroidissement à jets plats dont un inconvénient comme on l'a dit, est de produire un refroidissement non uniforme. On pourrait par exemple munir la plaque 9 d'un certain nombre d'orifices d'arrivée d'un fluide de refroidissement qui serait judicieusement réparti et dont les débits pourraient être réglés pour assurer un refroidissement uniforme de la partie de la brame passant en regard de la plaque 9. On préférera cependant utiliser le moyen de refroidissement représenté sur la figure 2 et qui peut autre constitué d'une rampe 11 alimentant un conduit unique 12 d'amenée du fluide de réfrigération et qui traverse le caisson 10 pour déboucher sensiblement au centre de la surface 90 parallèle à la brame. Le fluide de refroidissement projeté contre la brame par le conduit 12 a tendance à se répartir dans ltespace entre la brame et la plaque 9 et il se transforme, par rebondissements successifs dAs au phénomène de caléfaction, en un nuage de fines gouttelettes qui occupe l'espace entre la plaque et la brame et qui, confiné dans cet espace, se vaporise immédiatement0 On obtient ainsi un refroidissement bien uniforme de la brame et cette uniformité du refroidissement permet également d'augmenter la longueur critique c'est-à-dire l'entraxe des rouleaux. D'autre part, le fluide de refroidissement évacue sa presque totalité de chaleur latente de vaporisation alors que, dans les machines connues, on ne réalisait généralement qu'unie élévation de température moyenne du fluide de quelques dizaines de degrés sans changement de phase.On obtient ainsi une réduction importante de la consommation de fluide de refroidissement. D'autre part, les rouleaux étant plus écartés et en moins grand nombre, on réduit le nombre de jets d'aspersion de fluide sur la brame et on peut obtenir des produits de meilleures caractéristiques mécaniques grftce à cette uniformité du refroidissement. En outre, grtce à la possibilité qui est donnée de mieux répartir l'efficacité du refroidissement le long de la brame, on pourra contrôler en permasence de façon souple et se les températures superficielles de la brame. En effet, on maîtrisera mieux la quantité de chaleur évacuée par le fluide réfrigérant, grâce notamment à la vaporisation de celui-ci qui permet d'augmenter la quantité de chaleur absorbée par un débit déterminé de fluide. Généralement, le débit d'aspersion de fluide réfrigérant sera con trôlé en fonction de la vitesse de défilement de la brame et cie la position de la plaque le long du couloir de guidage, à une valeur telle que le fluide réfrigérant soit vaporisé pratiquement en tota lité dans l'espace entre la plaque et la brame. La vitesse de coulée de la brame, dont dépend la température de surface, peut varier dans une proportion assez importante car, dans une machine de coulée continue, on cherche généralement un mbme débit horaire d'acier liquide pour marcher en tandem avec l'aciérie productrice d'acier. On peut donc arriver à de grandes vitesses de coulée, notamment dans le cas des brames les plus étroites et les moins épaisses. Cependant, dans ce cas, on pourra admettre- qu(il y ait, dans la partie haute, frottement entre les plaques 9 et la brame car l'effort d'extraction dont on dispose, conditionné pour les brames larges et épaisses, est surabondant pour les produits étroits et minces, et permet donc de vaincre les forces de frottement apparaissant entre les plaques et la brame. il est donc possible de donner aux rouleaux un grand écartement et ceci est intéressant car, comme on l'a vu, les longueurs critiques augmentent lorsqu'on s'éloigne de la lingotière, en particulier dans les machines courbes. Ainsi le dispositif qui vient d'être décrit prdsente de nombreux avantages. En donnant aux rouleaux l'écartement optimal pour des conditions moyennes de fonctionnement, on diminue le risque de surcharge de ceux-ci qui vient, dans les machines connues, du fait que leur écartement est systémat$quement plus faible que la longueur critique. On peut ainsi éviter les ruptures de rouleaux qui constituent une des causes importantes d'incidents de fonctionnement. D2autre part, ltobtention d'un refroidissement plus uniforme permet de couler des produits de meilleures caractéristiques mécaniques, d'autant plus que, les rouleaux étant obligatoirement refroidis, on a réduit le nombre de refroidissement par contact brame-rouleaux en diminuant le nombre de rouleaux. Enfin, le mode de refroidissement par vaporisation du fluide est non seulement plus uniforme mais également plus efficace et la consommation de fluide de refroidissement s'en trouve rWFuite. Grssce à ltinvention, la machine peut donc avoir un fonction nement plus str et plus économique et fournir un produit de meilleure qualité. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux tailB du mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais elle en englobe au contraire toutes les variantes. C 'est ainsi qu'au moins une partie des roulesux 99Jlrrait être remplacée par d'autres dispositifs de supportage els qae des grilles par exemple. REvEIQArIONs 1. - Dispositif de refroidissement secondaire dans une installation de coulée continue de métal, constituée, en aval de la lingotière, d'un chemin de guidage comprenant une série de moyens de guidage disposés par paires les uns à la suite des autres, chaque paire comprenant deux moyens de guidage placés en vis-à-vis de part et d'autre de la brame coulée, l'ensemble matérialisant un couloir de largeur égale à l'épaisseur de la brame, lesdits moyens de guidage étant séparés les uns des autres par des espaces dans lesquels sont placés des dispositifs d'aspersion sur la brame d'un fluide réfrigérant, caractérisé par le fait qu'il comprend deux séries de plaques placées de part et d'autre de la brame et intercalées dans les espaces entre les moyens de guidage, chaque plaque présentant en regard de la brame une surface parallèle à celle-ci et placée en retrait du couloir matérialisé par les moyens de guidage, chaque surface comprenant au moins un orifice d'aspersion de fluide réfrigérant dans l'espace entre la brame et le plaque. 2.- Dispositif de refroidissement secondaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chaque plaque constitue le fond d'un caisson creux refroidi par circulation de fluide, ledit caisson étant traversé par un conduit d'arrivée du fluide de réCri- gération de la brame débouchant sur la surface parallèle à la brame. 3.- Dispositif de refroidissement secondaire selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de guidage sont des rouleaux dont au moins une partie sont entrainés en rotation autour de leur axe de façon connue en soi, chaque caisson ayant une section sensiblement trapèzoidale s inscrivant dans l'espace entre deux rouleaux consécutifs. 4.- Dispositif de refroidissement secondaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que cllasue surface en regard de la brame est placée en retrait du couloir de guidage d'une distance au plus égale au gonflement admissible de la brame entre les dewL moyens de guidage encadrant la plaque. 5.- Dispositif de refroidissement secondaire selon l'une des revendications précécentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen de contrôle du débit d'aspersion du fluide rzfrigérant en fonction de la vitesse de défilement de la brame et de la position de la plaque le long de la brame, à une valeur telle que le fluide réfrigérant soit vaporise pratiquement en totalité dans l'espace entre la plaque et la brame.