Brevet FR2604933A1 — publié le 19880415

À 2604933 DISPOSITIF PERMETTANT L'INTRODUCTION D'UN FLUIDE DANS LA CHAMBRE DE REFROIDISSEMENT D'UN MOULE ROTATIF Le dispositif et le procédé, qui font l'objet de l'invention, concer- nent le refroidissement des moules rotatifs utilisés pour la coulée de liquides portés à des températures élevées. Ce dispositif et ce pro- cédé concernent en particulier les moules utilisés pour la coulée continue rotative de métaux ou alliages, tels que les aciers, en vue d'obtenir des billettes pleines ou creuses. Il est connu de réaliser autour d'un moule rotatif une chambre de refroidissement dont la paroi extérieure, solidaire de ce moule, est raccordée avec une arrivée de fluide grace à des dispositifs d'intro- duction de ce fluide. Les figures 1 et 2 représentent deux exemples connus de dispositif d'introduction de fluide dans une chambre de refroidissement. Figure 1: Dispositif connu d'introduction de fluide dans la chambre de refroidissement d'un moule rotatif comportant des joints d'étan- chéité dynamiques. Figure 2: Dispositif connu d'introduction de fluide dans la chambre de refroidissement d'un moule rotatif comportant un joint à fuite contrôlée par labyrinthe. La figure 1 représente un -dispositif connu de refroidissement d'un moule rotatif (1) qui tourne autour d'un axe (X-X), utilisé pour la coulée continue rotative de l'acier. Les moyens d'introduction de l'acier à la partie supérieure et d'extraction de la billette en cours de solidification à la partie inférieure sont connus et non représen- tés. Dans le cas de la figure, le moule est de révolution autour de l'axe (X-X). La chambre de refroidissement (2) est formée par l'espace annulaire compris entre la paroi du moule (1) et une paroi extérieure (3), de révolution, qui l'entoure. Cette paroi extérieure (3) comporte des orifices d'entrée de fluide tels que (4,5), également répartis -2- suivant une circonférence d'axe (X-X), au voisinage de son extrémité supérieure et des orifices de sortie (6,7) de fluide disposés au voisinage de son extrémité inférieure. Le dispositif d'introduction de fluide (8) comprend une boîte annu- laire (9) fixe, montée de façon connue sur un support non représenté. Cette boite (9) de révolution entoure la paroi extérieure (3) à la hauteur des orifices d'entrée (4,5) de fluide. La botte (9) est reliée par au moins une entrée telle que (10) à une canalisation d'arrivée de fluide de refroidissement de façon connue et non représentée. La boite (9) comporte un orifice de sortie annulaire (11) de révolution disposé en face des orifices d'entrée tels que (4,5) de la chambre de refroi- dissement (2). Les deux bords (12,13) de l'orifice de sortie (11) comportent chacun un joint à lèvre (14,15). Ces joints viennent en appui glissant sur la surface de révolution de la paroi extérieure (3), respectivement audessus et au-dessous des orifices tels que (4,5). Ils sont orientés de façon à empêcher le passage à l'extérieur du fluide qui traverse l'espace qui sépare l'orifice de sortie (11) des orifices d'entrée tels que (4,5). On peut ainsi introduire dans la chambre de refroidissement (2) un fluide, tel que de l'eau, à partir de la boîte annulaire (9) sans observer de pertes de fluide importantes. Ce dispositif d'introduction de fluide (8) a cependant le sérieux inconvénient de freiner très fortement la rotation du moule autour de l'axe (X-X) à cause du frot- tement exercé par les deux joints à lèvre sur toute l'étendue de leur zone de contact annulaire avec la paroi (3). Ce frottement est d'autant plus grand que la pression est plus élevée. Il est donc nécessaire, pour entraîner en rotation le moule à la vitesse voulue, d'utiliser un moyen d'entraînement relativement puissant, comportant par exemple un mécanisme à pignon conique (16) qui engrène, sur une couronne dentée (17) montée autour de la paroi (3), un moteur ou une transmission mécanique non représenté entraînant en rotation, de façon connue, le pignon (16). Ce mécanisme entraîne une augmentation des prix de construction et des frais d'entretien de la machine de coulée. La figure 2 représente un dispositif d'introduction de fluide-(18) qui permet d'éviter la création d'un important couple résistant s'opposant à la rotation d'un moule rotatif (19) et permet de simplifier la construction de la machine de coulée, la barre pouvant entraîner la -3lingotière par frottement. Comme dans le cas de la figure 1, le moule rotatif (19) d'axe (X1-X1) est entouré d'une chambre de refroidisse- ment (20) dont la paroi extérieure (21) comporte des orifices d'entrée de fluide tels que (22,23) répartis suivant une circonférence d'axe (X1-X1) au voisinage de son extrémité supérieure. Des orifices de sortie tels que (24,25) sont disposés au voisinage de l'extrémité inférieure de cette paroi (21). Le dispositif d'introduction de fluide (18) comporte une boite annulaire (26), fixe, alimentée en fluide par au moins un orifice d'entrée (27) relié à une canalisation d'arrivée de fluide non représentée. La boite (26) comporte un orifice de sortie annulaire (28) disposé en face des orifices d'entrée de fluide tels que (22,23) de la chambre de refroidissement. Les deux bords (29,30) de cet orifice (28) sont munis de chicanes fixes, respectivement (31,32) qui coopèrent chacune avec un groupe de deux chicanes entrai- nées en rotation, respectivement (33,34 et 35,36) de façon à former un labyrinthe, respectivement (37,38). Chacun de ces deux groupes de chicanes entraînées en rotation est monté sur une bride, respectivement (39,40), solidaire de la paroi extérieure (21), respectivement au-dessus et au-dessous des orifices d'entrée tels que (22,23). Ces labyrinthes (37,38) jouent le rôle de joints à fuite limitée de fluide. La fuite est d'autant plus faible qu'il est possible de réaliser un faible jeu entre chicanes fixes et chicanes mobiles. Dans la pratique, les nécessités opératoires im- posent des jeux de plusieurs dixièmes de millimètres entre chicanes fixes et chicanes mobiles. Compte tenu du grand diamètre des brides (39,40) sur lesquelles sont montés ces labyrinthes, diamètre qui est le plus souvent de 300 à 700 mm et de la pression de fluide de refroi- dissement qui est le 'plus couramment de l'eau, la perte de fluide est couramment de 20 à 25 % de la quantité de fluide mise en oeuvre. Cette perte est extrêmement gênante car elle se produit tout autour de l'installation de coulée et la récupération des fuites est souvent difficile. De plus, il peut arriver que des particules solides soient entraînées par le fluide de refroidissement et viennent se coincer entre chicanes fixes et mobiles. Un tel incident peut provoquer le blocage de la rotation du moule, annulant ainsi tout le bénéfice de la simplicité dû à l'entraînement en rotation par la barre elle-même. On a recherché la possibilité de concevoir un dispositif d'introduc- tion de fluide dans la chambre de refroidissement d'un moule rotatif qui permette la rotation de ce moule sans freinage notable par des -4- joints glissants tels que par exemple des joints à lèvre et qui per- mette aussi de réduire au minimum les pertes de fluide au niveau des orifices d'entrée dans la chambre de refroidissement. On a cherché aussi la possibilité d'éviter les risques de blocage de la rotation du moule par des particules transportées par le fluide venant se coincer entre les parties fixes et les parties mobiles d'un tel dispositif, permettant de réaliser l'introduction du fluide dans la chambre de refroidissement. Le dispositif qui fait l'objet de l'invention permet l'introduction d'un fluide de refroidissement dans la chambre de refroidissement d'un moule rotatif utilisé pour la coulée de liquides portés à des tempéra- tures élevées, tels que des métaux ou alliages, sans exercer de frei- nage sensible du mouvement de rotation du moule et sans risques de blocage de celui-ci. Il permet aussi de limiter à un très faible niveau les pertes de fluide au voisinage des orifices d'entrée du fluide dans la chambre de refroidissement. Ce dispositif s'applique au refroidissement d'un moule rotatif tournant autour d'un axe de rota- tion, comportant une chambre de refroidissement formée par l'espace annulaire compris entre la paroi du moule et une paroi extérieure qui l'entoure. Il comprend des orifices d'entrée de fluide répartis annu- lairement autour de la paroi extérieure, au voisinage de l'une de ses extrémités, et débouchant du côté aval sur la chambre de refroidisse- ment. Du côté amont, ces orifices sont précédés d'une zone d'entrée annulaire en forme de gorge, de révolution par rapport à l'axe de rotation. Ce dispositif comprend également une boîte annulaire, non rotative, de révolution par rapport à l'axe de rotation qui entoure la paroi extérieure au voisinage de la zone d'entrée annulaire et qui est reliée à une arrivée de fluide sous pression par au moins un orifice d'alimentation; deux tuyères annulaires, de révolution par rapport à l'axe de rotation, sont solidaires de la boite et en communication avec celle-ci par leurs orifices d'entrée annulaires. Chacune comporte un orifice annulaire de sortie qui débouche dans un passage annulaire compris entre la paroi extérieure de la chambre de refroidissement et au moins un élément de paroi, non rotatif, solidaire de la boite annulaire. L'extrémité amont de chacun de ces deux passages annulaires est en communication avec l'espace extérieur, tandis que l'extrémité aval est en communication avec la zone d'entrée annulaire en forme de gorge. Les orifices des tuyères sont disposés de façon telle que la lame annulaire de fluide qui débouche de la tuyère est orientée en -5- direction de l'extrémité aval du passage annulaire. La pression de fluide dans la botte est ajustée de façon que la vitesse de déplace- ment de la lame annulaire de fluide, au débouché de chacune des tuyères, soit au moins de 25 m/s. La chambre de refroidissement comporte, à l'extrémité opposée à celle o se trouvent les orifices d'entrée de fluide, au moins un orifice de sortie. De préférence, la section totale de cet ou de ces orifice(s) de sortie est déterminée de façon que la pression de fluide, dans la chambre de refroidissement, au voisinage des orifices d'entrée de fluide, soit d'environ 0,5 à 1,5 bars relatifs. Avantageusement, des moyens de collecte de fluide sont disposés de façon à recueillir celui-ci au voisinage du ou des orifi- ce(s) de sortie. Avantageusement, la largeur (el) de l'orifice de sortie de chacune des tuyères, dans sa partie la plus étroite, est comprise entre 0,6 mm et 1 mm. Avantageusement également, la largeur (e2) du passage annulaire, en aval du débouché de la tuyère et dans sa partie la plus étroite, est telle que el4e2 41,5 el. Avantageusement également, la largeur (e3) du.passage annulaire, en amont du débouché de la tuyère, est au plus égale à (e2). La longueur (L1) du passage annulaire en aval du débouché de chaque tuyère est avantageusement telle que L1I>5.e2 et, de préférence, telle que Li>/8.e2. Avantageuse- ment, au niveau de chaque passage annulaire, au moins en aval du débouché de chaque tuyère, la surface extérieure de la paroi exté- rieure de la chambre de refroidissement est cylindrique de révolution et il en est de même pour la surface en regard de la paroi non rota- tive solidaire de la botte annulaire. Avantageusement, cette surface de la paroi non rotative est prolongée en aval de chaque passage annulaire par une zone incurvée qui infléchit le parcours du fluide en direction de la zone d'entrée annulaire en forme de gorge. I1 est possible de combiner le mouvement de rotation du moule avec un déplacement alternatif parallèlement à son axe. Dans le cas o l'en- semble fourni par la botte annulaire et les tuyères demeure fixe, il convient d'accroître la longueur (L1) d'une quantité égale à la moitié de l'amplitude de déplacement alternatif. La partie supérieure de la paroi extérieure de la chambre de refroi- dissement peut être démontable pour faciliter la mise en place de la boîte annulaire et des tuyères. De même, la botte annulaire peut aussi être démontable. -6- L'invention concerne aussi un procédé d'introduction d'un fluide dans la chambre annulaire de refroidissement d'un moule rotatif. Dans ce procédé, on projette au moins une lame annulaire de fluide à partir d'un orifice annulaire, à une vitesse de déplacement d'au moins 25 m/s dans un passage annulaire dont au moins l'une des parois est mobile en rotation par rapport à cet orifice. Le passage annulaire est en commu- nication, avec l'espace extérieur en amont de l'orifice et, en aval de celui-ci, avec une zone d'entrée annulaire formée dans la paroi exté- rieure de la chambre de refroidissement en amont des orifices d'entrée dans cette chambre. De préférence, le passage annulaire a une lafgeur au moins égale à celle de l'orifice annulaire et pas supérieure à une fois et demie cette dernière. Ce passage a une longueur au moins égale à 5 fois sa propre largeur et plutôt 8 fois. La section des orifices de sortie de fluide de la chambre de refroi- dissement et le débit d'au moins une lame annulaire de fluide sont ajustés de façon que, dans la chambre annulaire, au voisinage des orifices d'entrée, la pression de fluide soit d'environ 0,5 à 1,5 bars relatifs. Le procédé s'applique en particulier à la coulée continue de métaux ou alliages tels que par exemple des aciers. On utilise le plus souvent comme fluide de refroidissement de l'eau additionnée ou non d'additifs convenables. L'exemple et les figures ci-après décrivent, de façon non limitative, un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention. La figure 3 est une vue en élévation et en coupe d'un dispositif suivant l'invention. La figure 4 est une vue agrandie de la partie gauche de la figure 3 au niveau des moyens d'introduction de fluide. Le dispositif suivant l'invention, représenté aux figures 3 et 4, comprend un moule rotatif (41), de section circulaire, qui tourne autour d'un axe (X2-X2) grâce à des paliers de type connu, non repré- --7-- sentés, supportés de façon connue par une structure fixe non représen- tée. Ce moule est entouré d'une chambre annulaire de refroidissement (42) dont la paroi extérieure (43) cylindrique, de révolution, com- porte des orifices d'entrée de fluide tels que (44,45) répartis sui- vant une circonférence au voisinage de son extrémité supérieure. Ces orifices débouchent du côté aval sur la chambre de refroidissement (42). Du côté amont, ils sont précédés d'une zone d'entrée annulaire (46), en forme de gorge, de révolution par rapport à l'axe (X2-X2). Une boite annulaire (47), non rotative, de révolution par rapport à l'axe (X2-X2), montée de façon connue sur un support non représenté, entoure la paroi extérieure (43) au voisinage de la zone d'entrée annulaire. Elle est reliée à une arrivée d'un fluide de refroidisse- ment sous pression, tel que, par exemple, de l'eau, par deux orifices d'alimentation (48,49). Deux tuyères annulaires (50,51) de mêmes dimensions, de révolution par rapport à l'axe (X2-X2), sont solidaires de cette boîte; leurs orifices annulaires d'entrée (52,53) sont en communication avec son volume intérieur (54) tandis que leurs orifices annulaires de sortie (55,56) débouchent chacun dans un passage annu- laire (57,58) compris entre la paroi extérieure (43) en rotation de la chambre de refroidissement (59,60) et des éléments de paroi non rotatifs (61,62) solidaires de la boîte annulaire. Chaque passage annulaire (57,58) est en communication par son extrémité amont (63,64) avec l'espace extérieur et par son extrémité aval (65,66) avec la zone d'entrée annulaire (46). Les orifices de sortie des tuyères (55,56) sont orientés de façon que la lame annulaire de fluide issue de chaque tuyère traverse le passage annulaire correspondant en direction de son extrémité aval. De préférence, chaque tuyère est inclinée par rapport au passage annulaire correspondant d'un angle ne dépassant pas 15 degrés. Au-delà de l'extrémité aval (65,66) de chaque passage annu- laire, la paroi non rotative comporte une zone incurvée (67,68) qui oriente le parcours du fluide en direction de la zone d'entrée annu- laire (46). La chambre de refroidissement (42) comporte deux orifices de sortie de fluide (69,70) au voisinage de son extrémité inférieure. Des moyens de collecte non représentés, tels qu'une gouttière annu- laire, permettent de recueillir le fluide issu de ces orifices et de l'évacuer. La section totale de ces orifices de sortie (69,70) est inférieure à la section totale des orifices d'entrée tels que (44,45), de façon à obtenir dans le haut de la chambre de refroidissement (42), au voisinage de ces orifices d'entrée, une pression de fluide d'envi- ron 0,5 à 1,5 bars relatifs. -8- Dans ces conditions, la zone d'entrée annulaire (46) est, en régime normal, remplie de fluide. Pour empêcher le refoulement du fluide en direction de l'extrémité amont de chacun des passages, les dimensions de ceux-ci, la section de la tuyère et la vitesse de déplacement de la lame de fluide doivent être ajustées convenablement. Dans le cas du présent exemple, la largeur (el) de l'orifice de chaque.tuyère, dans sa zone la plus étroite, est de 0,8 mm. La largeur (e2) du passage annulaire en aval du débouché de la tuyère est de 1 mm sur une lon- gueur (Li) de 10 mm. Enfin, la largeur (e3) du passage annulaire en amont du débouché de la tuyère est de 0,8mm. Dans ces conditions, en établissant dans le volume intérieur (54) de la boite annulaire (47) une pression de 3 à 5 bars relatifs, on obtient, au débouché de chaque tuyère (55,56), une vitesse de la lame de fluide supérieure à 25 m/s qui permet d'alimenter la chambre de refroidissement dans les condi- tions voulues tout en permettant de contrôler le refoulement de fluide à travers les passages annulaires en direction de leurs extré- mités amont (63,64). Le dispositif permet, si nécessaire, de combiner avec le mouvement de rotation du moule (41), un déplacement alternatif parallèlement à l'axe (X2-X2). On constate alors un glissement suivant cet axe de la paroi mobile du passage annulaire par rapport à la paroi non rotative. Il faut alors donner à ce passage annulaire une longueur moyenne (L1) accrue d'une valeur correspondant à la moitié de l'amplitude du dépla- cement alternatif. Si l'amplitude de ce mouvement d'oscillation est par exemple de 10 mm, on majorera la longueur (L1) de 5 mm, ce qui portera (L1), dans le cas du présent exemple, à 15 mm. On pourrait aussi, au lieu de majorer cette longueur, donner à l'ensemble, boîte annulaire et tuyères, un mouvement alternatif synchronisé avec celui du moule et de même amplitude. Pour permettre la mise en place de l'ensemble formé par la boite annulaire (47) et les tuyères (50,51) autour de la paroi extérieure (43) de la chambre de refroidissement, la partie supérieure (71) de celle-ci, comprenant la bride (72) sur laquelle vient en appui la bride (73) du moule (41) est démontable. Elle est assemblée par emboî- tage avec la partie inférieure, au niveau de la zone d'entrée annu- laire, comme on le voit figure 4. Des moyens connues d'étanchéité et de liaison, non représentés, solidarisent entre elles ces deux parties -9- de la paroi extérieure de façon étanche. De même, la boite annulaire (47) comporte un couvercle annulaire (74), démontable, qui permet la mise en place et le remplacement de la pièce annulaire (75) qui forme les éléments de paroi non rotatifs (61,62) des passages annulaires (57,58) en aval des tuyères, ainsi que les prolongements incurvés (67,68) de ces éléments de paroi. Cette pièce (75) forme aussi l'une des deux parois (76, 77) de chaque tuyère (50,51). Elle est maintenue à l'intérieur de la botte par des reliefs tels que (78,79) répartis annulairement, de faible épaisseur, et orientés radialement de façon à ne pas perturber l'alimentation en fluide des tuyères. Ces reliefs s'engagent dans des logements tels que (80,81) ménagés dans la paroi inférieure (82) et dans le couvercle (74) de la boîte (47j. Le cou- vercle est solidarisé avec la boite, de façon étanche, par des moyens connus et non représentés. De très nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif suivant l'invention qui ne sortent pas du domaine de celle-ci. En particulier, les moyens d'introduction de fluide comprenant les tuyères, l'agencement des passages annulaires, les orifices d'entrée de fluide, la zone d'entrée annulaire peuvent faire l'objet d'adapta- tions nombreuses. Le fluide utilisé peut être de l'eau avec ou sans additifs, ou d'autres fluides. Les caractéristiques des tuyères, les jeux entre parties fixes et mobiles, peuvent aussi faire l'objet de nombreuses adaptations, en particulier en fonction des fluides utili- sés. L'invention concerne aussi tout procédé de coulée en moule rotatif de liquides à température élevée dans lequel on introduit un fluide de refroidissement dans une chambre annulaire de refroidissement disposée autour du moule. Le procédé s'applique en particulier à la coulée continue des métaux ou alliages tels que par exemple les aciers. -10- REVENDICATIONS 1. Dispositif permettant l'introduction d'un fluide dans la chambre de refroidissement d'un moule rotatif utilisé pour la coulée de liquides portés à température élévée tels que les aciers, cette chambre de refroidissement étant formée par l'espace annulaire compris entre la paroi du moule et une paroi extérieure qui l'entoure, laquelle com- porte des orifices d'entrée du fluide de refroidissement répartis sur une circonférence dont l'axe correspond à l'axe de rotation du moule et au moins un orifice de sortie de ce fluide, caractérisé en ce-qu'il comprend une boîte annulaire (47), non rotative, qui entoure la paroi extérieure (43) au voisinage des orifices d'entrée du fluide (44,45) dans la chambre de refroidissement, orifices qui sont précédés du côté amont par une zone d'entrée annulaire (46) en forme de gorge, cette boite comprenant deux tuyères (50,51) annulaires, chacune de ces tuyères ayant un orifice de sortie de fluide (55,56) qui débouche dans 1_ un passage annulaire (57,58) compris entre la paroi extérieure de la chambre de refroidissement et au moins une paroi non rotative (61,62) solidaire de la boîte annulaire, l'extrémité amont (63,64) de ce passage étant en communication avec l'espace extérieur et l'extrémité aval étant en communication avec la zone d'entrée annulaire, les orifices de sortie des tuyères étant orientés de façon que la lame de fluide qui en débouche parcoure le passage annulaire en direction de son extrémité aval. 2. Dispositif suivant revendication 1 caractérisé en ce que la pres- sion de fluide dans la boîte annulaire est ajustée de façon que la vitesse de déplacement de la lame annulaire de fluide au débouché de chacune des tuyères soit au moins de 25 m/s. 3. Dispositif suivant revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que la largeur (el) de l'orifice de sortie de chacune des tuyères, dans sa partie la plus étroite, est compris entre 0,6 et 1 mm, la largeur (e2) du passage annulaire correspondant, en aval du débouché de la tuyère, dans sa partie la plus étroite, étant telle que el d e2 î 1,5 el. 4. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la largeur (e3) du passage annulaire, en amont du débouché de la tuyère, dans sa partie la plus étroite, est au plus égale à (e2). -11- 5. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la longueur (Li) du passage annulaire en aval de chaque tuyère est telle que Ll> 5.e2. 6. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la paroi non rotative de chaque passage annulaire, en aval du débouché de la tuyère correspondante, est prolongée vers l'aval par une zone incurvée (67,68) qui infléchit le parcours du fluide en direction de la zone d'entrée annulaire. 7. Procédé permettant d'introduire un fluide dans la chambre de re- froidissement annulaire d'un moule rotatif, pour la coulée de liquides à température élevée tels que les aciers, dans lequel la paroi exté- rieure de cette chambre comporte des orifices d'entrée d'un fluide et des orifices de sortie de ce fluide caractérisé en ce qu'on projette une lame annulaire d'un fluide de refroidissement, à partir d'un orifice également annulaire, avec une vitesse de déplacement au moins égale à 25 m/s à la sortie de l'orifice, dans un passage annulaire dont l'une des parois au moins est mobile en rotation par rapport à cet orifice, ce passage étant en communication avec l'espace extérieur en amont de l'orifice et, en aval avec une zone d'entrée annulaire, formée dans la paroi extérieure en amont des orifices d'entrée de fluide dans la chambre de refroidissement, le passage annulaire, en aval de l'orifice annulaire d'introduction de fluide, ayant une largeur au moins égale à celle de cet orifice annulaire et pas supé- rieure à deux fois cette largeur, et ayant une longueur au moins égale à cinq fois sa propre largeur. 8. Procédé suivant revendication 7 caractérisé en ce qu'on ajuste le débit de fluide introduit sous forme d'une lame annulaire dans un passage annulaire ainsi que la section totale des orifices de sortie de fluide de la chambre de refroidissement annulaire, de façon que la pression dans cette chambre de refroidissement, au voisinage des orifices d'entrée de fluide, soit d'environ 0,5 à 1,5 bars relatifs. 9. Procédé suivant la revendication 8 caractérisé en ce que le fluide de refroidissement est de l'eau.