Brevet FR2553317A1 — publié le 19850419

JOINT POUR INSTALLATION DE COULEE CONTINUE HORIZONTALE DES METAUX NOTAMMENT DE L'ACIER ET INSTALLATION DE COULEE EQUIPEE DE CE JOINT La présente invention se rapporte à la coulée continue horizontale des métaux ou alliages, en particulier des métaux ferreux tels quel'acier. Les installations de coulée continue horizontale des métaux comprennent essentiellement un récipient réfractaire recevant le métal liquide et muni au voisinage de sa partie inférieure d'un orifice de sortie 10 latéral situé en regard d'une lingotière sans fond, énergiquement refroidie et dont le format conditionne celui du produit coulé Le passage du métal liquide du récipient réfractaire à la lingotière s'effectue par l'intermédiaire d'un joint constitué par un corps évidé axialement pour permettre la circulation du métal, et présentant d'excellentes propriétés 15 réfractaires, par exemple du nitrure de silicium, qui est classiquement conçu afin que la solidification du métal commence dans la lingotière. On connaît dans les installations de coulée continue horizontale, un joint de section droite interne inférieure à celle de la lingotière Ce joint, dont l'extrémité s'engage à la manière d'un insert dans l'entrée 20 de la lingotière crée ainsi un décrochement dans la conduite interne du passage du métal en fusion à l'endroit du raccord joint-lingotière Etant donné l'importance des flux d'échange thermique à cet endroit, la solidification est favorisée au pied du décrochement dans la lingotière En effet, la solidification doit être rapide au niveau du raccord pour 25 assurer une bonne étanchéité Mais elle s'effectue à cet endroit selon deux directions principales à des vitesses différentes ce qui peut produire des hétérogénéités de prépropriétés localisées dans le produit final En outre au cours de l'extraction du produit hors de la lingotière il se forme des "points chauds" correspondant à un minimum d'épaisseur de 30 métal solidifié, et éventuellement des criques d'extraction sur ces joints On doit donc réaliser un cycle discontinu d'extraction dans lequel, après un certain temps pendant lequel l'on tire la barre métallique hors de la lingotière, on arrête l'extraction afin de consolider les joints fragiles avec un nouveau dép 8 t de métal solide et ensuite on 35 exerce une poussée sur la barre métallique dans le sens inverse de la coulée afin de souder les déchirures Néammoins la solidification en peau présente une grande hétérogénéité de surface. Finalement le métal solide obtenu comporte des zones de cristallisation hétérogène dues aux phénomènes de solidification bidirectionnels 40 précités et des zones de fragilisation correspondant aux "points chauds" avec formation éventuelle de criques d'extraction, ces défauts étant souvent incompatibles avec les exigences actuelles de qualité. La présente invention a pour but d'éviter les inconvénients des dispositifs actuels de coulée continue horizontale Plus précisément, 5 l'invention vise un dispositif de coulée continue horizontale permettant le contr 8 le de début de la solidification dans le joint et l'obtention d'un métal solide homogène avec de bonnes conditions d'étanchéité entre le joint et la lingotière. A cet effet, l'invention a pour objet un joint destiné, dans une 10 installation de coulée continue horizontale des métaux, à assurer le raccordement étanche entre l'orifice de sortie du métal dans la partie inférieure du récipient métallurgique et la lingotière de coulée, joint constitué par un corps, en matière réfractaire, évidé axialement de manière à ménager un canal interne pour le passage du métal coulé entre 15 le récipient et la lingotière, et caractérisé en ce que ledit joint est formé de parties contigues présentant entre elles une différence de sections droites pleines. Lorsque ce joint est installé, sa partie de plus grosse section droite pleine est disposée en regard de l'orifice de sortie du récipient 20 métallurgique De préférence l'extrémité libre de son autre partie est engagée dans l'entrée de la lingotière de manière à bénéficier de l'effet refroidissant de cette dernière. L'invention sera bien comprise et d'autres caractéristiques apparaitront au cours de la description qui suit, donnée en référence aux 25 planches de dessins annexées sur lesquelles: la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe longitudinale d'une installation de coulée continue horizontale de l'acier, équipée d'un joint selon l'invention, la figure 2 est une représentation agrandie plus détaillée du 30 joint montré sur la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe transversale selon le plan XX de la figure 2, montrant le joint en section droite. Sur la figure 1 l'installation de coulée représentée comprend essentiellement: un récipient métallurgique 1 dont la cuirasse métallique est revêtue intérieurement d'un revêtement réfractaire 3 Ce récipient reçoit le métal en fusion 4 et comporte un orifice latéral de sortie 5 disposé à proximité du fond dudit récipient, cet orifice étant ménagé dans une busette en matériau réfractaire 6, et une lingotière horizontale 7, en cuivre ou alliage de cuivre ou- verte à ses deux extrémités et adjacente à l'orifice de sortie 5 du récipient Ce dernier ainsi que la lingotière peuvent être de tout type connu ou à venir, la lingotière étant dans le présent exemple entourée à distance par une chemise 8 de manière à définir entre eux un espace 5 annulaire 9 pour le passage d'un fluide de refroidissement, généralement de l'eau. Le passage du métal liquide, du récipient à la lingotière, s'effectue par une conduite de communication 10 reliant l'orifice 5 du récipient à l'entrée de la lingotière La section droite interne de la conduite 6, 10 ménagée dans le joint peut être légèrement croissante dans le sens de coulée afin de compenser l'usure due à la solidification dans le joint. Cette conduite est ménagée par le joint 11 selon l'invention en nitrure de silicium, qui dans cet exemple s'engage par une extrémité libre 12 dans la lingotière à la manière d'un insert et dont tout le reste est 15 enveloppé d'un isolant thermique 13. En se reportant maintenant aux figures 2 et 3 on voit que le joint 11 est constitué d'un corps de forme circulaire évidé axialement pour ménager le passage 10 du métal coulé Ce corps est composé de deux parties contigues bien différenciées: d'une partie 14 de grande section droite pleine que l'on convient d'appeler "tête" du joint, et d'une partie 15 de faible section droite pleine que l'on convient d'appeler "nez" du joint. On a vu en référence à la figure précédente, que l'extrémité 12 du nez 25 pouvait être engagée dans l'entrée de la lingotière, ceci afin de bénéficier localement d'un refroidissement accéléré de la part de l'eau de refroidissement de la lingotière elle-même. Conformément à une variante préférée de l'invention et représentée sur la figure 2, la section droite pleine du nez du joint décroit 30 régulièrement en s'éloignant de la tête du joint De plus, pour des raisons pratiques de réalisation que l'on comprendra facilement, la tête et le nez du joint sont de préférence séparés par une zone 16 de variation plus brusque de section droite pleine. On peut très bien envisager une séparation brutale des deux parties 35 du joint, qui formerait un angle proche de 90 dans une coupe longitudinale, telle que la figure 2. Contrairement aux dispositifs actuels de coulée continue horizontale, o l'on essaie d'obtenir le début de la solidification du métal dans la lingotière, le joint selon l'invention, assure efficacement le début de 40 cette solidification dans le joint. En effet, l'étude des échanges thermiques dans le joint, telle que conçue par l'inventeur, montre que la densité de flux est très faible dans le tête du joint, puis croît peu à peu pour être très élevée dans le nez Par conséquent, le premier dépôt de métal solide est 5 favorisé dans la portion de la conduite 6, située dans le nez du joint, tout en restant également possible en amont du nez, selon les paramètres de la coulée (surchauffe du métal, vitesse d'extraction etc). Par contre la solidification est impossible dans la partie de conduite située dans la tête du joint, o le flux d'échange thermique est 10 pratiquement nul en raison de la masse importante de matière constitutive du joint en cet endroit. On comprend aisément que les résultats obtenus sont principalement dûs aux caractéristiques essentielles de la structure du joint i e la différence de section droite pleine On peut de la sorte exprimer 15 autrement l'invention de la manière fonctionnelle suivante caractérisant la constitution du joint entre deux parties: une partie retardatrice de la solidification (la tête) tournée du côté du récipient métallurgique, suivie d'une partie au contraire accélératrice de la solidification (le nez) placée en regard de la lingotière. Les dimensions plus particulièrement recommandées du joint sont telles que, sur la figure 2, l'épaisseur AA' de la tête 14 soit comprise entre 15 et 60 mm, l'épaisseur BB' du nez soit comprise entre 1 et 5 mm et que la longueur totale du joint, i e, AB, se situe de préférence entre 40 et 150 mm. En outre, sa composition en matériau réfractaire lui confère de bonnes propriétés d'isolant que l'homme de métier saura convenablement exploiter par le choix des épaisseurs des deux parties constitutives du joint (par exemple les valeurs citées ci-dessus), et en fonction de la disposition du joint dans l'installation de coulée continue Finalement, 30 le joint selon l'invention permet d'assurer un démarrage régulier de la solidification du métal en fusion, ce qui a pour principal avantage, l'obtention d'un métal solide homogène. Selon une variante préférée, la tête du joint, disposée en regard du récipient métallurgique dans une installation de coulée continue horizon35 tale telle que représentée sur la figure 1, est entourée d'un isolant thermique 8 qui évite ainsi un démarrage trop précoce de la solidification. Comme déjà dit auparavant, conformément à une disposition avantageuse représentée sur la figure 1 du joint selon l'invention, on intro40 duit une partie du nez du joint dans l'entrée de la lingotière Le système de refroidissement de la lingotière est alors judicieusement utilisé afin de générer un flux d'échange thermique suffisamment important dans la partie terminale du nez du joint Cette disposition permet d'obtenir àcoup sûr le résultat recherché sans devoir mettre en oeuvre un moyen de 5 refroidissement supplémentaire dans l'installation de coulée Ceci étant, il demeure bien entendu possible de prévoir un système spécifique de refroidissement du nez du joint que l'on réglera indépendamment de celui de la lingotière De la même façon, il est possible de renforcer le pouvoir retardateur de la solidification dans la partie ( 14) de plus 10 grosse section droite pleine (ou tête du joint) en munissant celle-ci d'un système de chauffage On peut alors envisager, par exemple, un anneau inductif autour de la tête ( 14) du joint, o l'utilisation d'une résistance noyée dans le réfractaire de cette partie ( 14) du joint, ou encore tout autre moyen de chauffage ayant une action sélective sur la 15 tête du joint En conséquence, l'épaisseur AA' peut alors être réduite jusqu'à 5 mm Ces dispositions conduisent aux mêmes résultats que ceux précédemment précités. En conséquence, dans une opération de coulée continue, le métal en fusion se solidifie initialement dans la conduite ménagée dans le joint, 20 tout d'abord très peu dans la partie de la tête du joint qui précède immédiatement le nez et dont la densité de flux thermique extrait est suffisante pour réaliser cette première cristallisation Ensuite la cristallisation se poursuit régulièrement dans le nez du joint pour devenir maximale dans la lingotière o le refroidissement est le plus 25 énergique. Le joint selon l'invention permet d'obtenir un métal solidifié de façon homogène grâce aux conditions initiales de solidification régulière du produit coulé, et d'éviter toutes infiltrations de métal à la jonction du joint avec la lingotière. En outre, l'invention trouve son application pour la coulée continue horizontale de tous métaux et alliages. Il va de soi que l'invention ne saurait se limiter à l'exemple décrit, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure o sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendi35 cations jointes. Ainsi, la forme extérieure du joint peut être circulaire ou non, suivant la forme du produit fabriqué (carré, rectangulaire, polygonale, etc) En particulier, pour la coulée de billettes carrées, il est nécesssaire d'adopter une forme carrée au moins pour la partie extérieure 40 du nez du joint qui est engagé dans la lingotière, et pour l'intérieur du joint sur toute sa longueur de façon à assurer une continuité avec la lingotière. De même, la longueur du joint n'est nullement une caractéristique essentielle ou déterminante de l'invention. Il en est de même d'ailleurs de la taille ou du profil du passage axial ménagé dans le joint. C'est pourquoi, la définition retenue pour l'objet et l'invention porte sur la notion classique de "section droite pleine" soulignant par cet adjectif que seule la partie "matière" du joint est caractéristi10 que de l'invention. REVENDICATIONS 1) Joint destiné dans une installation de coulée continue horizontale des métaux, notamment de l'acier, à assurer le raccordement étanche entre l'orifice ( 5) de sortie du métal liquide ( 4) dans la partie 5 inférieure du récipient métallurgique ( 1) et la lingotière de coulée ( 7) , joint constitué par une pièce ( 11) en matière réfractaire évidée axialement de manière à ménager un canal interne pour le passage du métal coulé entre le récipient et la lingotière et caractérisé en ce que ledit joint ( 11) est formé de deux parties contigues ( 14,15) présentant entre 10 elles une différence de sections droites pleines. 2) Joint selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur de la partie de plus faible section droite pleine ( 15) décroît régulièrement en s'éloignant de la partie de plus grosse section droite pleine ( 14) 3) Joint selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la 15 partie de plus faible section droite pleine ( 15) est munie d'un système de refroidissement. 4) Joint selon les revendications 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que la partie de plus grosse section droite pleine ( 14) est munie de moyens de chauffage. 5) Joint selon les revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que la partie de plus grosse section pleine ( 14) comporte une isolation thermique extérieure ( 13). 6) Joint selon les revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que les épaisseurs des parties de plus grosse section droite pleine ( 14) et 25 de plus faible section droite pleine ( 15) présentent des valeurs comprises entre 5 et 60 mm environ et entre 1 et 5 mm environ respectivement. 7) Installation de coulée continue horizontale des métaux, notamment de l'acier, pourvue d'un joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la partie de plus grosse section droite 30 pleine ( 14) est disposée en regard du récipient métallurgique. 8) Installation de coulée continue horizontale selon la revendication 7 caractérisée en ce que l'extrémité ( 12) de la partie de plus faible section droite pleine ( 15) est engagée dans l'entrée de la lingotière ( 7). 9) Installation de coulée continue horizontale des métaux, notamment de 35 l'acier, pourvue d'un joint selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie de plus grosse section droite pleine ( 14) du joint est disposée en regard du récipient métallurgique ( 1) et en ce que des moyens sont prévus pour chauffer la dite partie ( 14). ) Installation de coulée continue horizontale selon la revendication 9 40 caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour refroidir la partie ( 15) de plus petite section droite pleine du joint.