Brevet FR2526340A1 — publié le 19831110

La présente invention concerne la coulée continue des métaux à point de fusion élevé, tels que l'acier. Pour couler des produits tels que billettes, blooms ou brames en continu, on utilise une lingotière tubulaire sans fond dont les parois sont refroidies par circulation d'un fluide réfrigérant. Le métal fondu est versé dans la lingotière par le haut et le produit formé, partiellement solidifié est extrait en continu par le bas. Le métal en contact avec les parois de la lingotière est refroidi et se solidifie en formant une peau ou croûte qui doit être suffisamment résistante pour ne pas se déchirer et laisser échapper le métal liquide lorsqu'elle n'est plus soutenue par les parois de la lingotière. Dès sa sortie de la lingotière et jusqu'à solidification complète, le produit coulé est refroidi par pulvérisation d'eau ou d'un mélange d'air et d'eau atomisée dans une zone dite de refroidissement secondaire. Etant donné que l'évacuation de la chaleur sensible du métal liquide ne s'effectue, aussi bien dans la lingotière que dans la zone de refroidissement secondaire, qu'à travers les faces du produit coulé, la solidification du produit coulé est relativement lente. Pour les produits de forte section, tels que les brames, la zone de refroidissement secondaire est par conséquent très longue et comme cette zone est équipée de rouleaux qui guident et soutiennent le produit coulé le prix de revient des machines utilisées pour couler ces produits est très élevé.Une autre conséquence de cette solidification lente est que le cône de métal liquide contenu dans le produit coulé partiellement solidifié a un angle au sommet faible ce qui favorise la formation de porosités nuisibles à la pointe du cône. Enfin, ce mode de refroidissement impose une température de surface du produit coulé relativement basse ce qui nuit également à la qualité du produit. Par ailleurs, la surchauffe importante, par rapport à la température de solidification, qui est imposée au métal dans les installations industrielles provoque une solidification dendritique qui favorise la formation de défauts internes. Pour remédier à ces inconvénients, on a prose d'intensifier le refroidissement en lingotière au moyen d'éléments creux, refroidis par circulation d"eau et plea- geant dans le métal liquide contenu dans la lingotière Cette solution n'a pas reçu d'application pratique car elle s'est heurtée à des difficultés de réalisation des éléments de refroidissement, notamment pour la coulée de mentaux point de fusion élevé, tels que l'acier : des elements eu métal ne possèdent pas une résistance suffisante aux tel- pératures élevées et des éléments en matière réfractaire ont une efficacité très réduite. Le but dé la présente invention est de rendre possible l'utilisation d'éléments refroidisseurs en EtalX à efficacité améliorée. Conformément à l'invention, on règle la Les éléments de refroidissement seront avantageusement constitués par des tubes à double paroi ou des tiges massives dans lesquelles sont ménagés des canaux longitudinaux pour la circulation du fluide de refroidissement, ces tubes ou tiges étant disposés verticalement dans la lingotière. Ils peuvent avoir une section droite circulaire, ovale, rectangulaire, etc... Leur nombre et leur disposition dans la lingotière dépendent de la forme et des dimensions de la lingotière. De préférence, leur longueur sera supérieure à la hauteur de la lingotière de sorte que leur extrémité inférieure soit située à un niveau plus bas que l'extrémité inférieure de la lingotière. La quantité de chaleur extraite par les éléments de refroidissement pourra être réglée en les immergeant plus ou moins dans le bain de métal. Ce réglage pourra être effectué automatiquement en fonction de la température du métal, de la vitesse de coulée, de la quantité de chaleur extraite par la lingotière, etc... Grâce au refroidissement très energique obtenu par l'emploi de ces éléments la longueur de la zone de refroidissement secondaire est considérablement réduite. Par ailleurs, la température du produit solidifié est beaucoup plus élevée que dans les installations classiques. Il est donc possible de couler le produit verticalement jusqu'à solidification complète et le courber ensuite à l'horizontale en conservant une hauteur raisonnable pour la machine de coulée. Cette solution, qui est connue, avait été abandonnée car elle nécessitait des machines très hautes et par conséquent très coûteuses pour la coulée de produits de forte section. Etant donné que le produit n'est courbé à l'hori- zontale qu'après solidification complète et alors que sa température est encore relativement élevée, on peut se dispenser d'utiliser des rouleaux de guidage et de maintien dans la partie courbe, entre le bas de la partie verticale et les rouleaux extracteurs. Suivant une autre caractéristique de l'invention, les rouleaux extracteurs sont montés sur un châssis mobile et peuvent être amenés en alignement avec les rouleaux de la partie verticale de l'installation pour la mise en place du faux lingot et le démarrage de la coulée puis ramenés en position normale en entraînant le produit coulé. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit et se réfère aux dessins l'accompagnant qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de réalisation de l'invention et sur lesquels La figure 1 est une coupe verticale d'une lingotière de coulée continue équipée, conformément à l'invention, d'éléments de refroidissement La figure 2 est une coupe par un plan horizontal de la lingotière et des éléments de refroidissement de la figure t La figure 3 est une vue analogue à la figure 1 d'un autre mode de réalisation de l'invention La figure 4 est une coupe transversale suivant l'axe 4-4 de la figure 3 La figure 5 est une coupe transversale illustrant une variante La figure 6 est une représentation schématique, en élévation, d'une machine de coulée continue utilisant, conformément à l'invention, des éléments de refroidissement plongés dans la lingotière Les figures 7 à 13 sont des schémas montrant les différentes étapes du démarrage de la machine de la figure 6 ; et La figure 14 est le schéma du système de régulation de la machine de la figure 6. La lingotière 10 représentée sur les figures 1 et 2 est destinée à la coulée de brames et sa construction est classique : elle est formée de deux petites plaques serrées entre deux grandes plaques par des moyens non représentés. Ces plaques sont refroidies par circulation d'eau. Elle est animée d'oscillations verticales. Son axe peut être rectiligne et vertical ou courbe et orienté verticalement. La lingotière est alimentée en métal liquide au moyen d'un tube ou busette 12 fixé au fond d'un réservoir de distribution 14 et plongeant dans le bain de métal contenu dans la lingotière. L'extrémité inférieure du tube 12 est fermée et est percée de deux orifices latéraux à travers lesquels le métal pénètre dans la lingotière. Le tube 12 est situé approximativement dans l'axe de la lingotière et deux éléments de refroidissement 16 sont disposés dans la lingotière, symétriquement par rapport à son axe. Chaque élément 16 est constitué par une tige massive disposée verticalement dans la lingotière et qui plonge dans le métal liquide jusqu'à un niveau inférieur au bas de la lingotière. Chaque tige est percée de deux canaux longitudinaux 18 reliés entre eux à leurs extrémités inférieures et à des tuyaux d'alimentation et d'évacuation à leurs extrémités supérieures. On peut ainsi faire circuler dans ces tiges un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau, dont le débit peut être réglé au moyen de vannes 20. Les tiges 16 sont animées de mouvements alternatifs, verticaux ou horizontaux ou d'une rotation autour de leur axe. Les moyens pour commander ces mouvements n'ont pas été représentés mais sont bien connus des mécaniciens. Les alimentations et évacuations du fluide de refroidissement doivent évidemment être conçues pour permettre ces mouvements. Pendant la coulée, de la chaleur est extraite par l'eau de refroidissement des plaques de la lingotière et il se forme au contact de celles-ci une peau de métal solidifié qui enveloppe le métal liquide et le maintient lorsque le produit coulé quitte la lingotière. En outre, de la chaleur est extraite par le fluide de refroidissement des éléments 16 et il se forme sur ceuxci une croûte de métal solidifié 19 dont l'épaisseur dépend essentiellement de la température du métal et du débit et de la température du fluide de refroidissement et des mouvements des éléments 16. Cette croûte qui protège les tiges 16 doit avoir une épaisseur minimale pour éviter leur détérioration. Par ailleurs, il faut éviter que cette croûte ne devienne trop épaisse ce qui diminuerait les échanges thermiques et risquerait de provoquer une prise en masse de tout le métal si la croûte rejoignait la peau solidifiée et se soudait à celle-ci.Il faut donc contrôler l'épaisseur de cette croûte et pour cela on peut mesurer ration des tiges pendant leurs mouvements alternatifs d'où on déduit la masse totale de la tige et de la croûte et, par conséquent, l'épaisseur de la croûte ou mesurer la puissance consommée par le mécanisme qui les fait mouvoir. On règle le débit et/ou la température du fluide de refroidissement circulant dans les tiges 16 ou la vitesse et l'amplitude des mouvements des tiges pour maintenir l'épaisseur de la croûte entre les limites prédéterminées. On peut, par exemple, admettre que l'épaisseur de la croûte variera entre 5 et 15 mm. Les mouvements des tiges améliorent les échanges thermiques entre celles-ci et le métal fondu et assurent un brassage du métal liquide qui brise les dendrites qui se forment sur les tiges à l'interface métal liquide métal solidifié et empêche la ségrégation axiale. Pour atteindre ce dernier but, la vitesse relative des tiges, par rapport au métal dans lequel elles plongent, devra être comprise, à l'interface métal liquide-métal solidifié, entre 0,1 m/s et 1 m/s. Les dendrites détachées des tiges tombent dans le puits liquide où elles forment des germes de cristallisation ce qui améliore la qualité des produits coulés. Les éléments 16 sont légèrement coniques pour faciliter l'enlèvement de la croûte en fin de coulée. Les figures 3 et 4 montrent une autre forme de réalisation comportant un grand nombre d'éléments de refroidissement 16' régulièrement répartis sur toute la section droite de la lingotière. Ces éléments sont divisés en deux groupes placés de part et d'autre de la busette 12 les éléments de chaque groupe sont raccordés à des collecteurs d'admission et d'échappement et sont supportés par une potence 22 déplaçable verticalement le long d'un mât 24 au moyen d'un mécanisme approprié permettant de régler la profondeur dtimmersion. Dans le mode de réalisation de la figure 5, les éléments de refroidissement 16" ont une section droite de forme oblongue. Au lieu d'être disposés verticalement, les éléments de refroidissement pourraient être inclinés par rapport à l'axe de la lingotière et converger vers le bas pour tenir compte de la diminution de section droite du puits liquide. L'installation de coulée continue représentée sur la figure 6 comporte une lingotière 10, à axe vertical, montée sur une table 26 supportée par un mécanisme 28 lui communiquant des oscillations verticales. La lingotière est alimentée par un distributeur 14 qui est lui-même alimenté par une poche 30. Sous la lingotière est disposé un corset de guidage et de maintien du produit coulé 32 qui peut être constitué par deux rangées de rouleaux ou par des plaques ou des grilles fixes ou animées de mouvements alternatifs. Des rouleaux entraîneurs 34 sont placés à la sortie du corset. Dans la lingotière le métal est refroidi énergiquement par les éléments 16 et sa solidification est rapide ; le corset 32 est donc relativement court et le produit coulé est entièrement solidifié à sa sortie. Il est ensuite courbé à l'horizontale puis redressé par un jeu de rouleaux extracteurs-redresseurs 36 et enfin découpé à la longueur voulue au moyen d'un dispositif de tronçonnage 38. Le produit coulé étant entièrement solidifié à la sortie du corset 32, on n'a pas besoin de prévoir des organes de soutien entre les rouleaux 34 et 36. Etant donné que c'est par l'intermédiaire des éléments 16 que la majeure partie de la chaleur est extraite du métal, la température superficielle du produit coulé à la sortie du corset est beaucoup plus élevée que dans les installations classiques et il peut être courbé avec un rayon de courbure relative ment faible puis redressé sans nuire à sa qualité. Les figures 7 à 13 illustrent les différentes étapes du démarrage de cette installation de coulée continue. Pour mettre en route une telle installation on vient obturer le bas de la lingotière au moyen de la tête d'un faux lingot qui est généralement hissé jusqu'à la lingotière au moyen des rouleaux extracteurs et des rouleaux du corset. Le métal fondu est ensuite versé dans la lingotière et lorsqu'il atteint un niveau prédéterminé, le faux lingot est tiré vers le bas par les rouleaux extracteurs et/ou par les rouleaux moteurs du corset de guidage en entrainant le produit coulé. Dans l'installation de la figure 6, l'ensemble des rouleaux extracteurs 36 est monté pivotant, autour d'un axe horizontal, sur un chariot 40. Pour le démarrage d'une coulée le faux lingot 42 est introduit horizontalement dans les rouleaux 36 (figure 7) puis l'ensemble est basculé et le chariot 40 est déplacé pour amener le faux lingot en alignement avec la lingotiere 10 et le corset 32 (figure 8). Les rouleaux 34 et 36 sont alors mis en rotation pour hisser le faux lingot 42 dans le corset 32 et introduire sa tête dans l'extrémité inférieure de la lingotière (figure 9). La longueur du faux lingot est choisie pour que dans cette position son extrémité inférieure se trouve entre les rouleaux entraîneurs 34 qui sont alors freinés pour maintenir en place le faux lingot. On verse alors le métal liquide dans la lingotière, et lorsqu'il atteint un niveau prédéterminé, on met en marche les rouleaux 34 et 36 pour tirer le faux lingot vers le bas (figure 10). Celui-ci entraine le produit coulé sous forme d'une barre qui n'est que partiellement solidifiée à la sortie de la lingotière et dont la solidification est complétée dans le corset 32 (figure 11). Lorsque le produit coulé atteint les rouleaux extracteurs 36, on fait reculer le chariot 40 et simultanément on fait basculer l'ensemble des rouleaux jusqu'à l'horizontale (figure 12 et 13). Le faux lingot est ensuite détaché du produit coulé qui est découpé en tronçons de longueur prédéterminée. Le système de régulation représenté schématiquement sur la figure 14 utilise un calculateur C dans lequel sont introduites, au début d'une coulée, les données J J2' etc... relatives à la composition du métal, au format du produit coulé, etc... Le calculateur C reçoit en permanence, pendant la coulée, des informations sur la température T1 du métal dans le distributeur 14, la température de surface T2 du produit coulé à la sortie du corset 32, les températures T3, T4 et les débits D3, D4 d'eau de refroidissement de la lingotière et des éléments 16.Il contrôle la vitesse de coulée, en réglant la vitesse de rotation du moteur M1 entraînant les rouleaux 34 et 36, de façon à assurer la solidification du produit coulé suivant une loi prédéterminée stockée dans sa mémoire. I1 contrôle aussi le mécanisme M2 de commande des oscillations de la lingotière, pour les adapter à la vitesse de coulée, et le système M3 de commande des mouvements alternatifs des éléments 16 pour maintenir l'épaisseur de la croûte de métal solidifié qui les recouvre entre des limites prédéterminées. On pourrait aussi, avec ce même système de régulation, se fixer une vitesse de coulée et contrôler le refroidissement en agissant sur la profondeur d'immersion des éléments 16 et/ou sur le débit d'eau de refroidissement de la lingotière ou éventuellement sur le débit de l'agent réfrigérant pulvérisé sur le produit coulé à l'intérieur du corset 32. On pourrait aussi contrôler l'épaisseur de la croûte de métal formée sur les éléments de refroidissement en réglant le débit et/ou la température du fluide réfrigérant qui y circule. De nombreuses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits par l'emploi de moyens techniques équivalents, et il est bien entendu que toutes ces modifications entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée continue de métaux à point de fusion élevé, tels que l'acier, consistant à verser le métal en fusion dans une lingotière sans fond et à extraire de la chaleur du métal à travers les parois refroidies de la lingotière et au moyen d'éléments de refroidisse ment plongeant dans le bain de métal et refroidis par circulation d'un fluide réfrigérant, caractérisé en ce qu'on règle la quantité de chaleur extraite du métal par les éléments de refroidissement (16) de façon à maintenir sur ceux-ci une croûte de métal solidifié (19) qui les protège thermiquement et on anime ces éléments (16) de mouvements suffisamment rapides pour provoquer la cassure des dendrites se formant sur cette croûte. 2. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que l'épaisseur de la croûte (19) qui recouvre les dits éléments (16) est maintenue entre des limites prédéter minées en réglant le débit et/ou la température du fluide réfrigérant circulant dans les dits éléments. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits éléments (16) sont animés de mouvements alter natifs, rectilignes ou rotatifs, et l'épaisseur de la croûte (19) qui les recouvre est maintenue entre des limites prédéterminées en réglant leur vitesse de dé placement. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse relative desdits éléments (16), par rapport au métal dans lequel ils sont plongés, est comprise, à l'interface métal liquide-métal solidifié sur lesdits éléments, entre 0,1 m/s et 1 m/s. 5. Procédé selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'on contrôle l'épaisseur de la croûte (19) qui recouvre les dits éléments (16) en mesurant leurs accé lération et/ou la puissance absorbée par le mécanisme qui les fait mouvoir. 6. Procédé selon la revendication i, 2, 3, i ou 5, caracté risé en ce que les dits éléments de refroidissement (16) sont allongés et sont disposés sensiblement verticalement dans la lingotière, leur extrémité inférieure étant située à un niveau plus bas que l'extrémité inférieure de la lingotière. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé dentes, caractérisé en ce que l'on règle la quantité de chaleur extraite du métal par les éléments de refroidis sement (16) en les immergeant plus ou moins dans le bain de métal. 8. Installation de coulée continue de métaux à point de fusion élevé, tels que l'acier, comportant une lingo tière sans fond, et des éléments de refroidissement plongeant dans le bain de métal contenu dans la lingo tière et refroidis par circulation d'un fluide réfrigé rant, caractérisé en ce que les dits éléments de refroi dissement (16) sont constitués par des tubes à double paroi ou des tiges dans lesquelles sont ménagés des canaux longitudinaux, qui sont disposés sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de la lingotière et dont la longueur est supérieure à la hauteur de la lingo tière (10) de telle sorte que leur extrémité inférieure se trouve à un niveau plus bas que l'extrémité inférieure de la lingotière. 9. Installation de coulée continue selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens pour animer les dits éléments de refroidissement (16) de mouvements alternatifs longitudinaux ou trans versaux ou de rotation autour de leur axe longitudinal. 10. Installation de coulée continue selon la revendication 8 ou 9 comportant une lingotière (10) à axe vertical et un corset de guidage et de soutien du produit coulé (32) disposé sous la lingotière, en alignement avec celle-ci, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un ensemble de rouleaux redresseurs et extracteurs (36) monté pivo tant, autour d'un axe horizontal, sur un chariot dépla çable horizontalement de sorte qu'il peut être amené en position verticale et en alignement avec le corset (32) pour le démarrage de la coulée puis ramené en position horizontale et écart de l'axe du corset pour la suite de la coulée.