Brevet FR2555080A1 — publié le 19850524

i. 2555080 L'invention apporte une solution pour éviter la formation d'un tourbillon de métal fondu dans un récipient de coulée à sortie par le fond, tel qu'une poche ou un panier de coulée d'une machine de coulée continue. Lors de l'écoulement de métal de tels récipients à travers des orifices ménagés dans le fond de ceux-ci, la confi- guration d'écoulement qui se forme dans le récipient comporte un mouvement tournoyant qui augmente en intensité à mesure que le métal approche l'ouverture de sortie, ce qui créé un tourbillon à l'orifice. Au cours de l'abaissement du niveau du bain de métal fondu dans le récipient, par suite de l'écoulement continu de métal par le fond, le coeur (creux) du tourbillon peut, à un moment donné, traverser toute la profondeur du bain. Ce problème se pose de façon très aiguë dans les paniers d'o on fait couler du métal dans la lingotière d'une macbine de coulée continue, puisque la profondeur du bain de ces récipients est faible, dépassant rarement 0,84 m, et parce que la formation d'un tourbillon se produit couramment à des profondeurs pouvant atteindre 0,53 m. La formation de tourbillons doit être évitée dans les opérations de coulée, en particulier dans celles associées aux installations de coulée continue, en raison des risques qu'elle présente d'introduction de fragments de crasse flottant à la surface du bain, tels que des particules de laitier ou des produits non métalliques de désoxydation et de réoxydation du métal, dans la lingotière de coulée continue, ce qui affecte la pureté du produit et peut créer des imperfections métalliques près de la peau du produit sortant sous forme d'une barre de la lingotière, imperfections qui peuvent provoquer la rupture de la peau et l'érup- tion de métal - qui est encore à l'état fondu - de l'intérieur de la barre. De plus, dans le cas d'un tourbillonnement intense, par exemple lorsque le coeur creux du tourbillon s'étend de la surface libre du bain jusqu'à l'extrémité de décharge du passage de coulée amenant à la lingotière, de l'air peut être aspiré à travers ce coeur, ce qui se traduit par la réoxydation indésirable du métal introduit dans la lingotière. 2 2555080 Dans le passé, on a évité les effets nocifs produits par un tourbillon dans les paniers qui alimentent des machines de coulée continue en faisant en sorte que le panier soit continuellement réalimenté en métal, à partir de poches de coulée, de manière à éviter que le niveau du bain dans le panier descende au-dessous d'un niveau o le risque de formation d'un tourbillon commence à pose- un problème. Cependant, s'il se produit une interruption dans la fourniture de métal à partir de la poche, par suite d'un défaut dans le processus de coulée depuis la poche, par exemple, ou parce qu'une nouvelle poche remplie n'est pas disponible pour poursuivre l'alimentation du panier lorsque la poche précédente est vide, il est nécessaire, soit d'arrêter la coulée, soit d'accepter un produit de moindre pureté. Le problème de la formation de tourbillons dans le remplissage de lingotières pour la coulée de lingots à partir de poches oblige d'ailleurs également, de façon analogue, soit d'accepter un produit de qualité moindre, soit d'arrêter la coulée à partir de la poche avant qu'il ne se forme un tourbillon. Toutes ces solutions au problème indiqué sont conteuses parce qu'elles se traduisent par un produit de moindre valeur commerciale ou par une diminution du rendement du processus de production de métal. Récemment, on a mis au point des dispositifs destinés à être insérés dans l'orifice de sortie de récipients de coulée, tels que des pièces à insérer dans les busettes, qui contiennent un passage d'écoulement rainuré en hélice pour empêcher la formation d'un tourbillon dans le bain de métal. Ces dispositifs, dont un exemple typique est représenté et décrit dans le brevet des EUA 4 079 968, n'éliminent pas totalement le problème dont il est question ici parce que, bien qu'ils conviennent pour empêcher des tourbillons pendant de courtes périodes de coulée, le métal en écoulement a tendance à éroder rapidement les nervures définissant les rainures hélicoïdales de la busette, ce qui rend les dispositifs inaptes à assurer la fonction désirée. Un tel dispositif ne convient donc pas pour être utilisé dans un panier de coulée destiné à fournir du métal à la lingotière d'une machine de coulée continue, o la coulée doit être poursuivie sans interruption pendant plusieurs heures. L'invention vise par conséquent à atténuer ou à éliminer les problèmes décrits dans ce qui précède. Selon un de ses aspects, l'invention apporte un procédé pour atténuer la formation d'un tourbillon pendant la coulée de métal fondu à travers l'orifice de sortie d'un récipient de coulée à sortie par le fond, qui comprend l'injection d'un fluide gazeux depuis une zone située autour de l'orifice de sortie et l'envoi de ce fluide gazeux, à contre-courant avec l'écoulement de métal fondu, suivant un trajet d'écoulement convergent, de manière à former un rideau conique de gaz au-dessus et autour de l'entrée dudit orifice. Le fluide gazeux est un gaz inerte, de pré- férence de l'argon ou un gaz analogue, et il est injecté dans la masse de métal fondu à l'intérieur du récipient à un débit de l'ordre de 5,6 à 14, 2 dm3/min et sous la forme de fines bulles de gaz. L'injection s'effectue de manière qu'il se forme un rideau de gaz qui a la forme générale d'un cône ou d'un cône tronqué creux qui entoure l'ouverture de sortie du récipient, l'angle d'inclinaison des côtés de ce rideau ayant par exemple une valeur nominale de par rapport à l'horizontaleau point de départ et diminuant graduellement à mesure que la distance par rapport à la surface du bain se réduit. Ce rideau de gaz créé, dans le bain de métal fondu et jusqu'à la surface de celui-ci une circulation de métal contraire au mouvement tournoyant vers l'intérieur qui correspond à la tendance générale de l'écoulement de métal vers l'orifice de sortie et qui est générateur de tourbillons. Le mouvement tournoyant dirigé vers l'intérieur du métal au-dessus de l'orifice de sortie dans le fond est de ce fait détruit et le risque de formation d'un tourbillon est évité en même temps. Selon un autre aspect, l'invention apporte un appareil pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. Il s'agit d'un appareil de sortie de métal et d'injection de gaz qui se présente sous forme d'un bloc disposé dans le fond du récipient de coulée. Ce bloc est formé d'un matériau réfractaire de faible perméabilité et présente un orifice axial traversant formant l'orifice de sortie du récipient. Concentriquement autour de cet 4 2555080 orifice de sortie, le bloc contient, sous forme d'un anneau, du matériau réfractaire de plus grande perméabilité au gaz; celui- ci forme, à l'intérieur du matériau de faible perméabilité formant le corps du bloc, un passage pour l'introduction. du fluide gazeux dans le récipient. L'appareil comprend en outre un dispositif pour introduire le fluide gazeux dans ce passage et un dispositif, situé à l'extrémité de décharge du passage, pour donner à l'écou- lement de fluide gazeux injecté dans le récipient, une.orientation convergente en direction de la surface libre de la masse de métal fondu dans le récipient. D'autres caractéristiques et.avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une coupe verticale d'un récipient de coulée de métal fondu auquel est appliquée l'invention; - la figure 2 est une coupe verticale plus détaillée de l'appareil selon l'invention, se présentant sous forme d'un bloc disposé dans le fond du récipient de figure 1; - la figure 3 est une vue en plan de l'appareil de figure 2; et - la figure 4 est une vue en plan d'une variante de réalisation d'un tel appareil selon l'invention. La figure 1 représente un récipient de coulée à sortie par le fond, en l'occurrence un panier de coulée 10 qui contient une masse 12 de métal fondu devant s'écouler dans un récipient récepteur (non représenté) qui peut être la lingotière d'une machine de coulée continue. Le panier de coulée 10 possède une enveloppe métallique 14 dont le fond 16 et les parois latérales 18 sont revêtus intérieurement d'un garnissage réfractaire 20. Le garnissage dans le fond 16 du panier 10 contient un appareil 22, se présentant sous forme d'un bloc, réalisé selon l'invention et disposé dans une ouverture 24 pratiquée dans le garnissage du récipient. L'appareil 22 possède un corps sous forme d'un bloc 26 de matériau réfractaire, qui est ajusté et fixé dans l'ouverture 24 2555080 au moyen d'une couche de ciment réfractaire 28. Le bloc 26 est formé de préférence d'un réfractaire qui se laisse couler et est constitué d'un aggrégat d'alumine en paillettes et de ciment d'aluminate de calcium de haute pureté et de grande résistance. Ce bloc, d'une masse volumique d'environ 1,2 kg/dm3 par exemple, confère une bonne solidité à l'appareil et une bonne résistance aux attaques chimiques et mécaniques de métaux et de laitier ferreux et non ferreux à des températures de service pouvant atteindre 1 815 C environ. Le bloc 26 représenté dans les différentes figures possède une forme carrée, mais d'autres formes, rectangulaires, circulaires ou elliptiques par exemple, sont possibles également. L'orifice de sortie ou de coulée 30 qui traverse le bloc 26 de part en part est orienté axialement et comporte une partie supérieure 32 définie par une surface courbe qui se raccorde en bas à une paroi conique 34 définissant la partie inférieure de l'orifice 30. La ligne ou le cercle de tangence entre la paroi conique 34 et la surface courbe 32, indiqué par le diamètre D sur la figure 2, forme l'entrée proprement dite de l'orifice. Selon l'invention, l'appareil 22 comporte des moyens pour injecter un gaz inerte dans le bain de métal fondu contenu dans le panier 10 pour modifier ainsi dans le sens favorable les conditions d'écoulement du métal dans la région du bain située au-dessus de l'orifice 30, afin d'éviter ou de maîtriser la formation d'un tourbillon de métal fondu. Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur les figures 2 et 3, le dispositif d'injection de gaz inerte comporte une série de bâtonnets 36 disposés verticalement en un cercle concentrique autour de l'ori- fice 30 et noyés dans le bloc 26. Les extrémités de décharge des bâtonnets 36, désignées par 38 sur les figures, sont inclinées sous un angle compris entre environ 20 et environ 40 par rapport à l'horizontale, un angle d'environ 30 étant préféré. Les batonnets 30 peuvent être formés par un processus de compression à sec d'un matériau réfractaire de plus grande perméabilité que celui du matériau formant le bloc 26. Pour former les bâtonnets, on peut utiliser des matériaux tels que magnésite, alumine, argile réfractaire, mullite, zircon et zircone, bien que le choix du matériau dépendra des propriétés physiques et métallurgiques demandées dans une application donnée, ainsi que de la durée de service désirée. Le matériau constitutif des bâtonnets 36 doit être suffisamment perméable au gaz pour que, à l'entrée du gaz dans le bain de métal fondu, il se forme dans celui-ci un flux ou des flux de très fines bulles de gaz. Pour obtenir ce résultat, le matériau des bâtonnets doit avoir une porosité apparente de l'ordre de 25 à 30 %. Pour amener le gaz inerte, de préférence de l'argon, aux passages de gaz définis par les bâtonnets 36, l'appareil comporte un distributeur annulaire 40. Celui-ci est formé de plusieurs pièces annulaires de tôle métallique 42, 44, 46 et 48, formant respectivement le dessus, le fond et les parois latérales du distributeur. La plaque de-dessus 42 présente des trous répartis sur un cercle pour le passage et la tenue des extrémités inférieures des bâtonnets 36. Une plaque de montage annulaire 50, disposée à une certaine distance sous la plaque de dessus 42 à l'intérieur du distributeur, forme un support pour les extrémités inférieures des bâtonnets 36. La plaque 50 présente des trous 52 axialement alignés avec les bouts des bâtonnets 36 et permettant l'entrée de gaz du distributeur 40 dans les passages d'écoulement définis par les bâtonnets. Un tube d'alimentation 54 est fixé par une extrémité sur la virole 46 formant la paroi latérale extérieure du distributeur et communique avec l'intérieur de celui- ci. L'autre extrémité de ce tube est raccordée à une source de gaz située à l'extérieur du panier 10. Ce tube permet l'introduction d'un débit de gaz réglable dans le distributeur 40. Pour la préparation d'une coulée, on remplit de métal fondu un panier de coulée 10, avec un appareil 22 selon l'invention incorporé dans le garnissage de son fond et avec l'orifice de sortie 30 fermé par une busette à tiroir ou une quenouille, qui sont deux systèmes bien connus dans l'art et ne sont donc pas représentés ici. Au moment o l'orifice 30 est ouvert pour produire l'écoulement de métal du panier 10, on commence l'alimentation du distributeur 40 en gaz inerte. Le débit-de ce gaz doit être de l'ordre de 5,6 à 14,2 dm3/min pour éviter de façon efficace la formation d'un tourbillon dans le bain de métal fondu, comme décrit ciaprès. Des débits de gaz supérieurs à environ 14,2 dm37in sontà éviter car l'injection d'une trop grande quantité de gaz risque de produire une turbulence dans le bain qui pourrait occasionner l'émulsion de crasse ou de laitier à la surface libre du bain, ce qui faciliterait l'inclusion de ces impuretés indé- sirables dans le métal s'écoulant a travers l'orifice dans le fond. Aux extrémités de décharge 38 des bâtonnets 36, le gaz sort suivant des trajets d'écoulement inclinés, de manière à former un rideau de gaz qui a essentiellement la forme d'un cône creux, comme indiqué par 56 sur la figure 1, qui est constitué de fines bulles de gaz qui se dirigent vers la surface libre du bain 12. En montant vers la surface du bain, le gaz du rideau 56 forme un panache de bulles tranquille, stable et dense, qui tend à créer, dans l'écoulement de métal vers l'orifice de sortie 30, un courant de métal, désigné par les flèches 58 sur la figure 1, qui est dirigé en sens contraire et qui s'oppose aux forces qui engendrent le tourbillon dans le bain de métal fondu, de manière à maîtriser ou à éliminer ainsi le tourbillon et ses conséquences indésirables. Il a été déterminé que, pour tirer les meilleurs effets de l'invention, le cercle sur lequel sont situés les bâtonnets 36 autour de l'orifice de sortie 30 doit avoir un diamètre compris entre 1,75 et 2,5 fois le diamètre d'entrée D de l'orifice de sortie. De plus, on obtiendra un rideau de gaz 56 de caractéristiques optimales si le diamètre effectif de chacun des bâtonnets 36 à leurs extrémités de décharge est compris entre environ 0,1 et environ 0,15 fois le diamètre du cercle susmentionné sur lequel sont situés les bâtonnets. Une variante de réalisation de l'invention est représentée sur la figure 4, o les mêmes référencessont utilisées pour désigner des éléments analogues à ceux de l'exemple de figure 3. Dans la variante de figure 4, les bâtonnets 36 de figure 3 sont remplacés par une pièce insérée 60, de forme cylindrique circu- laire, d'un matériau réfractaire qui peut être le même que celui proposé dans ce qui précède pour la formation des bâtonnets 36. On 8 2555080 comprendra qu'une coupe verticale de la variante selon la figure 4 est identique à celle de figure 2, sauf que les bâtonnets 36 sont remplacés par la pièce insérée 60. On comprendraégalement que l'extrémité supérieure de la pièce 60, définissant l'extrémité de décharge du passage annulaire de gaz formé par cette pièce, présente une inclinaison comparable à celle des extrémités de décharge 38 des bâtonnets 36 de l'exemple précédent. Il est également dans le cadre de l'invention, lorsque les dimensions du bloc du fond sont insuffisantes pour y incorporer les bâtonnets 36 ou la pièce 60 plus le distributeur 40, de disposer les éléments ou l'élément d'injection de gaz selon l'invention autour de ce bloc 26 dans le garnissage 20 du récipient. On voit donc que l'invention apporte un procédé et un appareil efficaces pour réduire ou éliminer le problème de la formation d'un tourbillon de métal fondu au-dessus de l'orifice de sortie du récipient et pour supprimer ainsi le risque - qui y est lié - d'inclusion de particules d'impuretés dans le métal coulé, ou d'aspiration d'air à l'intérieur du récipient et de là dans la lingotière recevant le métal coulé. A la différence d'appareils comparables de l'art antérieur, l'appareil selon l'invention est capable d'exercer sa fonction pendant des périodes de fonctionnement prolongées, ce qui le rend particulièrement utile pour les installations de coulée continue. De surcroît, la création d'un rideau de gaz inerte de la manière décrite et à travers duquel doit passer le métal fondu avant de pouvoir entrer dans l'orifice de sortie du récipient, apporte un effet bénéfique secondaire en ce sens qu'elle contribue à l'élimination d'inclusions non métalliques en suspension dans le métal. Cette action purificatrice supplémentaire augmente la qualité du produit de l'opération de coulée et elle est encore accentuée par le faitque la direction. d'injection du gaz inerte est dans le sens de l'éloignement de l'orifice de sortie du récipient, ce qui supprime le risque - qui existe dans les cas o du gaz est injecté dans l'orifice de sortie ou en sa proximité immédiate d'aspiration d'impuretés du récipient dans le courant de métal coulé. REVENDICATIONS 1. Procédé pour atténuer la formation d'un tourbillon pendant l'écoulement de métal fondu à travers l'orifice de sortie dans le fond d'un récipient, caractérisé en ce que l'on injecte un fluide gazeux dans le métal fondu (12) à partir d'une zone entourant l'orifice de sortie (30) du récipient et on dirige ce fluide gazeux, à contre-courant avec l'écoulement de métal fondu (12), suivant un trajet d'écoulement convergent, de manière à former un rideau de gaz conique (56) au-dessus et autour de l'entrée de cet orifice (30). 2. Procédé selon la revendication 1, o le fluide gazeux injecté produit un flux de fines bulles de gaz. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, o le fluide gazeux injecté est un gaz inerte. 4. Procédé selon la revendication 3, o le gaz inerte est de l'argon. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, o le gaz inerte est injecté avec un débit de 5,6 à 14,2 dm3/min. 6. Procédé selon la revendication 5, o l'angle d'inclinaison du trajet d'écoulement du fluide gazeux est un angle de 20 à 40 avec l'horizontale. 7. Procédé selon la revendication 6, o le diamètre de la base du rideau de gaz conique (56) est compris entre 1,75 et 2,5 fois le diamètre d'entrée D)de l'orifice de sortie (30) du récipient. 8. Procédé selon la revendication 7, o le rideau de gaz (56) possède une épaisseur affective, à sa base, qui est comprise entre 0,1 et 0,15 fois le diamètre à la base du rideau (56). 9. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un bloc en matériau réfractaire de faible perméabilité au gaz, qui est disposé dans le fond du récipient et qui est traversé axialement d'un orifice formant l'orifice de sortie du récipient, caractérisé en ce que le bloc (26) contient, sous forme d'un anneau disposé concentriquement autour de l'orifice de sortie (30), un matériau 2555080 réfractaire de plus grande perméabilité au gaz que le matériau réfractaire constituant le bloc (26), le matériau réfractaire (36, 60) de plus grande perméabilité formant un passage annulaire pour l'introduction de fluide gazeux à l'intérieur du récipient (10), l'appareil comprenant en outre un dispositif (40, 54) pour introduire un fluide gazeux dans ce passage, de même qu'un dispositif (38) prévu à l'extrémité de décharge dudit passage de gaz (36, 60) pour diriger le fluide gazeux injecté dans le récipient (10) suivant une orientation convergente en direction de la surface libre de la masse de métal fondu (12) dans le récipient (10). 10. Appareil selon la revendication 9, o le passage annulaire formé par le matériau réfractaire (36, 60) de plus grande perméabilité possède un diamètre compris entre 1,75 et 2,5 fois le diamètre (D) de l'orifice de sortie (30) du récipient (10). 11. Appareil selon la revendication 9 ou 10, o la largeur effective du passage annulaire est comprise entre 0,1 et 0,15 fois le diamètre de ce passage annulaire. 12. Appareil selon la revendication 11, o le matériau réfractaire (36, 60) de plus grande perméabilité possède une porosité apparente de 25 à 30 %. 13. Appareil selon la revendication 12, o l'extré- mité de décharge du passage annulaire est définie par une inclinai- son (38) de la surface extrême de décharge du matériau réfractaire (36, 60) de plus grande perméabilité, inclinaison (38) qui est comprise entre 20 et 40 sur l'horizontale. 14. Appareil selon la revendication 13, o le matériau réfractaire de plus grande perméabilité se présente sous forme d'un corps cylindrique creux (60) qui est disposé concentriquement et à distance autour de l'orifice de sortie (30) du récipient. 15. Appareil selon la revendication 13, o le matériau réfractaire de plus grande perméabilité se présente sous forme de plusieurs bâtonnets cylindriques (36) disposés à distance les uns des autres sur un cercle entourant concentriquement l'orifice de sortie (30) du récipient. il 2555080 16. Appareil selon la revendication 14 ou 15, compre- nant un distributeur annulaire (40) noyé concentriquement autour de l'orifice de sortie (30) dans le matériau réfractaire de faible perméabilité au gaz du bloc (26), ce distributeur (40) établissant une communication entre le matériau réfractaire (36, 60) de plus grande perméabilité et une arrivée (54) de fluide gazeux.