Brevet FR2515995A1 — publié le 19830513

L'invention concerne des moules pour la coulée continue d'aciers, tels que les aciers riches ou pauvres en carbone, les aciers inoxydables, les alliages d'aciers de qualité particulière, et autres aciers spéciaux. Un moule pour la coulee continue de plaques ou dalles d'acier comprend une paire de plaques rectangulaires opposées, de dimensions identiques, dont chacune comporte une face longuet qui déterminent l'épaisseur de la pièce coulée, et une paire de plaques oblongues opposées, de dimensions identiques, dont chacune comporte une face verticale, qui définissent la largeur de la pièce coulée.Habituellement, les moules pour la coulée continue sont constitués de cuivre, ou d'alliage de cuivre, d'une conductibilité thermique élevée. Ona jusqu'à présent considéré conte essentiel de former un revêtement sur la totalité de la surface interne du corps de base du moule en cuivre ou en alliage de cuivre, qui est exposée à l'acier fondu ou solidifié (que l'on désigne ci-après par "surface de base"), afin d'éviter un contact direct entre l'acier fondu ou solidifié avec le matériau en cuivre, ou alliage de cuivre, constituant le corps de base du moule. Les moules sont en général jugés hors d'usage lorsque des opérations répétées de coulée ont usé le revêtement et éventuellement provoqué l'exposition du cuivre ou alliage de cuivre formant le corps de base dans une mesure donnée.On a jusqu'à présent utilisé divers types de revêtements pour retarder cette exposition du cuivre Çu de l'alliage de cuivre, dans le but de prolonger la vie du moule. De tells revêtements doivent avoir d'excellentes propriétés de résistance à l'abrasion, de liaison avec le corps de base du moule, d'inhibition de l'adhérence de l'acier fondu à la surface de base, etc.Des exemples de ces revêtements sont donnés par : les revêtements à couche unique comme ceux de nickel et/ou de cobalt et ceux d'alliage de nickel-fer les revêtements à couche double comme ceux comprenant une première couche de nickel formée sur la surface de base et une seconde couche de chrome formée sur la première couche (voir brevet japonais publié après examen nO 37562/1979) et ceux comprenant une première couche de nickel et/ou cobalt formée sur la surface de base et une seconde couche, formée sur la première couche, et constituée d'un alliage comprenant au moins du nickel et/ou du cobalt, et au moins du phosphore et/ou du bore (voir brevet japonais publié après examen no 147431/1976) ; et les revêtements à couche triple comme ceux comprenant une troisième couche de chrome formée sur le revêtement à couche double (voir brevet japonais publié après examen nO 50734/1977) et ceux comprenant une troisième couche d'oxyde formée sur la couche double précitée (voir brevet japonais publié après examen n" 50733/1977). Comme précédemment mentionné, les moules conventionnels ont la totalité de leur surface de base recouverte de ces différents types de pellicules pour empêcher l'exposition du cuivre, ou de l'alliage de cuivre, du corps de base. On suppose que l'emploi de tels revêtements présente les avantages suivants (1) d'empêcher la diminution de la précision dimensionnelle des produits de coulée de l'acier, qui serait causée par l'usure du cuivre, ou alliage de cuivre du corps de base, d'une faible dureté, due au frottement entre la surface de base exposée et l'acier solidifié (2) d'empêcher la formation de petites fentes ou craque lures (fentes ou criques) en étoile dans le produit de coulée d'acier, qui se formeraient quand le cuivre, ou l'alliage de cuivre, du corps de base se trouve exposé à l'acier fondu ; et (3) de prolonger la vie du moule. La présente invention est basée sur une constatation inattendue, compte tenu de l'état d'esprit antérieur selon lequel il était nécessaire d'empêcher dans toute la mesure du possible, l'exposition du cuivre, ou de l'alliage de cuivre, du corps de base, par un revêtement de la surface totale de base du moule. Selon l'invention, il est surprenant de constater qu'un moule dont la partie inférieure seule de la surface de base est revêtue, permet d'atteindre complètement les avantages précités (l) à (3), même quand sa partie supérieure n'est pas revêtue et demeure entièrement exposée. L'invention est basée sur cette constatation tout à fait nouvelle. L'invention a pour objet des moules de cuivre, ou d'alliage de cuivre, pour la coulée continue de l'acier, qui sont caractérisés en ce qu'on ne forme un revêtement protecteur que sur la partie inférieure de la surface de base. Les moules de l'invention permettent d'obtenir les trois avantages : (1) d'empêcher la diminution de la précision dimensionnelle du produit de la coulée de l'acier ; (2) d'empêcher la formation de fentes ou craquelures (criques) en étoile sur l'acier solidifié ; et (3) de prolonger la vie du moule, avantages comparables à ceux obtenus avec les moules conventionnels dont la totalité de la surface de base est recouverte. En outre, étant donné que, conformément à la présente invention, on ne forme de revêtement que sur la portion inférieure de la surface de base, l'invention est avantageuse pour la fabrication des moules et pour l'entretien de l'outillage. En d'autres termes, l'invention permet d'éliminer la nécessité de revêtir la portion supérieure de la surface de base du moule au cours de la fabrication de ceux-ci, etpermet ainsi une économie de coût des matières de revêtement et une simplification du processus de fabrication. En général, on répare plusieurs fois les moules en raclant la surface de base, après la coulée de charges spécifiques d'acier, de sorte que la surface sousjacente du cuivre, ou de l'alliage de cuivre, est à nouveau exposée puis encore revêtue. Avec les moules conformes à la présente invention, dont seule la portion inférieure de la surface de base est revêtue, l'opération de raclage est facile à effectuer.De plus, les moules conformes à la présente invention sont pratiquement dénués de toute avarie dans la partie supérieure de la surface de base, et, de ce fait, l'opération du raclage est limitée à la partie inférieure, ce qui permet une diminution de la quantité de cuivre ou alliage de cuivre, détruite par raclage. En outre, l'exposition partielle de la portion supérieure en cuivre, ou alliage de cuivre, du corps de base, confère une conductivité thermique élevée aux moules conformes à la présente invention, de sorte qu'on peut plus facilement les refroidir dans la mesure voulue, comparativement aux moules conventionnels dont la totalité de la surface interne est protégée par un revêtement d'une matière de conductivité thermique beaucoup plus faible que celle du cuivre ou d'un alliage de cuivre. I1 reste à élucider les raisons pour lesquelles les moules de l'invention peuvent fournir les avantages décrits en (1) à (3), malgré l'exposition du cuivre ou de l'alliage de cuivre dans la portion supérieure de la surface de base. Bien que lton ne puisse donner l'explication théorique de ce phénomène, on peut supposer queg tandis que la partie inférieure de la surface de base est exposee a une couche mince et dure formee sur l'acier fondu (coquille) ou à une portion solidifié d'acier la partie supérieure demeure g néralement en contact avec l'acier fondu.De cette façon, il n'est pas nécessaire que la partie superieure soit résistante à l'abrasion sous chauffage, et on peut empêcher la diminution de la précision dimensionnelle des produits de coulée de l'acier en protégeant seulement la partie inférieure. On a conduit des recherches sur la manière dont le cuivre, ou l'alliage de cuivre, adhère à, ou pénètre dans le produit de la coulée, en provoquant la formation de criques ou fentes en étoile. Ces recherches ont montré que le cuivre, ou l'alliage de cuivre, ne pénètre pas uniformément ou par diffusion dans l'acier fondu exposé à la partie supérieure de la surface de base, mais qu'il l'envahit à la limite des particules de l'acier solidifié qui entre en contact avec la partie inférieure du moule, tout en augmentant l'interface de ces particules et en creant ainsi des criques en étoile.On peut en déduire l'hypothèse que le cuivre, ou alliage de cuivre, exposé dans la partie supérieure, n'est pas cause de criques en étoile. Les éclaboussures ou gouttelettes d'acier fondu sont produites et projetés dans le moule quand on y coule l'acier fondu qui frappe partiellement la plaque du fond du moule. Ces éclaboussures ne sont ni déposées, ni solidifiées sur le cuivre, ou alliage de cuivre, dans la partie supérieure de la surface de base. Ainsi, avec le moule conforme à la présente invention, il ne se produit pas de percées ou ruptures résultant de l'adhérence des gouttelettes d'acier à la surface du moule. On considère que ce trait de l'invention, combiné avec un revêtement seulement formé sur la partie inférieure de la surface de base, contribue au prolongement de la vie du moule. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des exemples et dessins annexés, qui représentent, à titre non limitatif, plusieurs modes de réalisation suivant l'invention. Sur ces dessins la figure 1 est une vue de face du moule conforme à la présente invention, dont seulement la partie infé- rieure de la surface de base porte un revêtement, les figures 2 à 4 sont des vues en coupe verticale de moules suivant divers modes de réalisation conformes à la présente invention, les figures 5 et 6 sont des vues de face des moules utilisés dans les exemples 1 et 2, montrant, respectivement, les avaries causées à la surface de base. Selon la présente invention, on forme le revêtement protecteur seulement sur les parties infé- rieures de deux grandes pièces et deux petites pièces, qui constituent l'ensemble d'un moule, comme le montre la figure 1. Bien que variable en fonction des conditions de la coulée, comme la température de l'acier fondu, la vitesse de retrait des produits de la coulée, le degré de refroidissement, le type de l'acier soumis à la coulée continue, etc., la hauteur (1) de la partie inférieure de la surface de base à revêtir est généralement comprise dans l'intervalle d'environ 1/5 à 4/5 de la hauteur totale H d'un corps de base 10 (1 = 1/5 H à 4/5 H) et de préférence dans l'intervalle d'environ 2/5 à 3/5 de la hauteur totale du corps de base 10 (1 = 2/5 H à 3/5 H), telle que mesurée vers le haut à partir de l'extrémité inférieure 12.Bien entendu, la portion devant être ainsi protégée peut se trouver en dehors de ces limites. Toutefois, des revêtements situés au-dessous du 1/5 de la hauteur totale du moule, auraient tendance à se séparer du corps du moule, en raison de la friction avec l'acier solidifié. Et des revêtements formés sur une hauteur supérieure aux 4/5 de la hauteur totale, ne sont ni nécessaires, comme précédemment mentionné, ni économiques. On peut utiliser, selon la présente invention, tous types de revêtements déjà utilisés dans les moules conventionnels. Parmi ceux-ci, les revêtements préférables sont ceux présentant une résistance élevée à l'abrasion et à la séparation. Parmi les placages convenant à l'invention, effectués par application par voie "humide" d'une mince couche, on peut citer les placages à couche unique, comprenant par exemple du nickel et/ou du cobalt, ceux comprenant un alliage de nickel-fer ou un alliage d'au moins du nickel et/ou du cobalt et d'au moins du phosphore et/ou du bore ; les placages à couche double précités, comme ceux comprenant une seconde couche de chrome formée sur une première couche de nickel, ceux comprenant une première couche de nickel et/ou de cobalt formée sur la surface de base, et une seconde couche formée sur la première et constituée d'un alliage d'au moins du nickel et/ou du cobalt et d'au moins du phosphore et/ou du bore ; les placages à couche triple, comme ceux comprenant une troisième couche de chrome formée sur les placages à couche double décrits ci-dessus et ceux comprenant une troisième couche d'oxyde formée sur la couche double précitée ; les placages contenant en dispersion des particules de matière hautement résistante à la chaleur et à l'abrasion (voir demandes de brevet japonais publiées avant examen nOs 222471979 et 4235/1979 à 4238/1979) ; les placages contenant en dispersion des particules solides présentant des pro priétés d'autolubrification (voir demandes de brevet japonais publiées avant examen n0 s 42-39/1979 et 4240/1979). Les placages effectués par voie sèche conviennent aussi à la présente invention. Des exemples de placages utilisables comprenant un métal, un oxyde métallique, un carbure métallique, un nitrure métallique, un fluorure métallique, ou un mélange de ces composés, qu'on applique sur la surface du moule par pulvérisation sous plasma, par crachement tel que sous haute fréquence, par placage ionique, dépôt en phase vapeur, etc. On peut aussi déposer une couche d'une substance minérale à pulvériser contenant principalement du carbure de tungstène, sur une partie ou la totalité de la surface du placage, par pulvérisation sous plasma. L'épaisseur du revêtement varie en fonction des conditions de la coulée, comme le type de l'acier, la vitesse du retrait du produit de la coulée du moule, la vitesse de refroidissement du moule, etc. Cette épaisseur est généralement comprise dans l'intervalle d'environ 200 pm à 5000 F , de préférence d'environ 500 pm à 2000 jim. En vue de former le revêtement, on réduit en raclant une partie déterminée de la surface de base, à l'épaisseur désirée pour le revêtement. Sur la figure 2, la portion inférieure 22 de la base de moule 20 est raclée, par exemple par usinage, puis recouverte par le dépôt d'un revêtement 24. I1 est préférable d'enlever, par usinage, une portion défectueuse d'un niveau différent, éventuellement formée à l'interface du cuivre, ou alliage de cuivre, dans la partie supérieure de la surface de base, et du revêtement 24 de sa partie inférieure. Selon la présente invention, on peut accroître l'épaisseur du revêtement 24 vers le bas, comme décrit dans la demande de brevet japonais publiée avant examen n" 102237/1979, pour augmenter la résistance à l'abrasion, due au frottement entre le revêtement et l'acier solidifié. Par exemple, le revêtement peut être progressivement épaissi, comme représenté sur les figures 3 et 4. Le moule de la présente invention dont la partie inférieure de la surface de base est ainsi revêtue, se refroidit facilement dans la mesure voulue, comme précédemment mentionné, et, de ce fait, il est extrêmement avantageux pour faciliter l'accélération d'une opération de coulée continue. L'amélioration de l'efficacité opérationnelle du moule conforme à la présente invention permet d'opérer une coulée continue à une vitesse de 1,5 m/mn, et plus particulièrement à une vitesse de 2,0 m/mn avec un système à haute vitesse, c'est-a-dire plus de trois fois la vitesse de 0S6 m/mn, obtenus avec les moules conventionnels. Pour effectuer des opérations accélérées de coulée, il est essentiel de refroidir rapidement la portion supérieure du moule, qui est chauffée à haute température par l'acier fondu.On ne peut réaliser l'accélération de la vitesse d'une opération de coulée continue à moins qu'une couche d'acier solidifié ne se forme rapidement sur l'acier fondu, par refroidissement rapide de la portion supérieure du moule, exposée à l'acier fondu. Selon l'invention, le cuivre, ou alliage de cuivre, exposé dans la portion supérieure du moule, a une conductivité thermique élevez de 0,94 cal.cm lOsec 1 OC (à 200C), qui est bien supérieure à celle d'un revêtement protecteur, comme celle d'un placage de nickel, d'une conductivité de 0,13 cal.cm .sec . C 1 Pour cette raison, la portion supérieure du moule conforme à la présente invention peut être rapidement refroidie au taux voulu, ce qui contribue grandement à faciliter une opération accélérée de coulée. En outre, les moules conformes à la présente invention présentent l'avantage surprenant que la portion inférieure de leur surface de base est moins sujette aux avaries d'une coulée continue, que les parties correspondantes des moules conventionnels dont la surface de base entière est revêtue. La présente invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide de deux exemples concrets. Exemple 1 Le corps de base d'un moule en cuivre (275 mm de large x 1500 mm de long x 700 mm de haut), pour la coulée continue de pièces d'acier, est réduit par raclage d'une épaisseur de 1 mm sur la partie inférieure de la surface de base, vers le bas, à partir d'une hauteur de 350 mm (la moitié de la hauteur totale) du corps de base. On masque ensuite à l'aide d'un revêtement d'une composition polyvinylique la partie supérieure non usinée de la surface de base et on dégraisse le corps du moule en le plongeant à 550C pendant 30 mn dans une solution aqueuse contenant 55 g/l de soude, 30 g/l de carbonate de sodium et une petite quantité d'agent tensio-actif, puis on lave à l'eau. On effectue ensuite un dégraissage électrolytique dans une solution aqueuse contenant 35 g/l de soude, 160 g/l dlorthosilicate de sodium et une petite quantité d'agent tensio-actif, sous une densité de courant cathodique de 10 A/dm2, à 550C pendant 3 mn. On lave à l'eau le corps du moule ainsi dégraissé et on le plonge dans une solution aqueuse à 5 % d'acide sulfurique pendant 15 mn.On effectue ensuite un électroplacage du corps du moule dans un bain contenant 400 g/l de sulfamate de nickel, 30 g/l d'acide borique, 0,3 g/l de laurylsulfate de sodium, et 2,5 g/l de bromure de nickel, à une température de 550C, à un pH de 4, sous une densité de courant cathodique de 1,5 A/dm2, pendant 90 H, pour former un placage de nickel de 1000 Fm d'épaisseur sur le corps du moule. On enlève par usinage l'excès de nickel déposé à la lisière entre partie revêtue et non revêtue du corps de base et dans le bord du moule, pour obtenir une surface continue et lisse. On dégraisse le corps du moule en le plongeant dans une solution aqueuse alcaline, puis on l'active par un acide.Le corps est ensuite électroplaqué dans un bain contenant 320 g/l d'anhydride chromique acide, 0,8 g/l diacide sulfurique et 5 g/l de silicofluorure de potassium, à une température de 500C, sous une densité de courant cathodique de 25 A/dm2, pendant 1 h, pour former un placage de chrome de 15 pm d'épaisseur. On lave le corps du moule à l'eau et on élimine le masque de chlorure de polyvinyle. Le corps est usiné pour finissage dans les zones limitrophes de la portion supérieure du corps de base et du placage de chrome, pour obtenir un moule à surface lisse. Avec l'emploi de ce moule, on effectue l'opération de coulée avec une charge de 135 t d'acier ordinaire, à une vitesse de coulée de 1 m/mn, l'opération étant poursuivie dans des conditions stables pour une durée de 417 charges, sans qu'il se forme aucune particule solide sur la surface entière. Les produits de la coulée présentent une surface lisse dénuée de toutes fentes ou criques en étoile. La surface exposée du cuivre dans la partie supérieure du corps de base du moule ne présente aucune imperfection, ni fente ou crique, ni autre défectuosité. On ne constate aucun défaut tel qu'une séparation du revêtement au voisinage de la lisière entre les portions supérieure et inférieure du moule. I1 faut remarquer que sur la partie inférieure de la surface de base, la sous-couche de nickel n'est exposée que sur une petite zone 34, en raison de l'usure de la couche externe de chrome et le cuivre du moule n'est exposé que sur une zone extrêmement limitée 36, due à l'usure du placage de nickel, comme le montre la figure 5. Exemple 2 (Donné en comparaison avec l'exemple 1) On répète le processus de l'exemple 1, si ce n'est qu'on utilise un moule conventionnel, protégé par un placage de nickel de 1000 pm d'épaisseur, formé sur la totalité de la surface de base, et par un placage de chrome de 15 pm d'épaisseur, forme sur le placage de nickel. I1 en résulte la possibilité d'utiliser 408 charges de coulée. Comme le montre la figure 6, la sous-couche de nickel est exposée sur une grande zone 34', due à l'usure du placage externe de chrome, et .le cuivre du corps de base est exposé sur une grande zone 36', due à l'usure du placage de nickel, que l'on peut comparer aux zones 34 et 36 de l'exemple 1, bien que les placages de l'exemple 2 soient constitués des mêmes substances que ceux de l'exemple 1, sous les mêmes épaisseurs. Ceci montre que le moule de la présente invention présente encore l'avantage supplémentaire que le placage formé sur la partie inférieure du corps de base est, de façon inattendue, moins endommagé. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples décrits. Elle est susceptible de nombreuses variantes, selon les applications envisagées, sans qu'on s'écart pour cela de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Moule en cuivre, ou alliage de cuivre, pour la coulée continue de l'acier, caractérisé en ce qu'on torse un revêtement protecteur (24) uniquement sur la partie inférieure de sa surface interne. 2. Moule selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement protecteur (24) est formé sur la partie inférieure de sa surface interne, en remontant depuis l'extrémité inférieure du moule, sur une hauteur comprise dans l'intervalle de 1/5 à 4/5 de la hauteur totale du corps de base. (figures 1 à 5).