Brevet FR2631263A1 — publié le 19891117

PROCEDE DE REFROIDISSEMENT D'UN PRODUIT HETALLIQUJE COULE EN CONTINU La présente invention concerne un procédé de refroidissement d'un produit métallique en cours de coulée continue destiné à réduire, voire éliminer la présence d'une importante zone ségré- gée dans la partie centrale du produit. Ce procédé est avantageu- sement applicable à la- coulée continue de produits en acier réputés difficilement coulables selon cette technique, comme les aciers ayant un large intervalle de solidification, c'est-à-dire par exemple ceux dont la teneur en carbone se situe entre 0,25 et 1,5 % environ. Pour la bonne compréhension de ce qui va suivre, on aura avantage à se représenter le produit en cours 'de solidification comme la combinaison de trois corps concentriques, à savoir: un anneau constitué par la croûte externe, ou peau, déjà solidifiée, enserrant un autre anneau à l'état pâteux, lequel entoure le coeur liquide de métal-en fusion. Par état pâteux; on entend un état o le métal se trouve à une température comprise entre le liquidus et le solidus, et o coexistent dans des proportions variables du métal liquide et des cristaux solides. Au cours de l'extraction du produit, celui-ci défile lentement le long de la machine en étant refroidi, de sorte que la solidification progresse de la périphé- rie vers le centre. Le coeur liquide et l'anneau pâteux présentent ainsi des profils coniques dont les pointes sont orientées vers le bas de la machine. Les interfaces entre ces différents corps concentriques constituent, respectivement, comme on a l'habitude de les désigner, les fronts de solidification finissante et commençante. A un stade avancé de la solidification, le coeur liquide disparaît (fond du puits de solidification commençante), et seuls subsistent une croûte solidifiée et un coeur pâteux. A un stade ultérieur, la zone pâteuse disparaît à son tour (fermeture du puits de solidification finissante) et le produit est complète- ment solidifié. 26312 63 La solidification et le refroidissement du -produit en cours de coulée sont normalement assurés dans trois zones succes- sives de la machine de coulée continue, à savoir, dans le sens de progression du produit au cours de son extraction: - la lingotière, o le métal liquide entre en contact avec des parois bonnes conductrices de la chaleur et énergiquement refroidies par circulation d'eau. C'est dans cette zone, dite de refroidissement primaire que débute la formation de la peau solidifiée qui enserre le coeur liquide du produit, et que le produit prend sa forme définitive; - la zone dite de "refroidissement secondaire", qui débute juste en-dessous de la lingotière et s'étend sur une longueur variable selon les conditions locales. Dans cette zone, la peau solidifiée du produit en défilement est arrosée par un fluide refroidissant (généralement de l'eau pulvérisée, ou un mélange-air eau), ce qui a pour effet d'accélérer la progression des fronts de solidification commençante et finissante vers l'intérieur du produit. Cependant, à l'endroit ou cesse l'aspersion d'eau, la solidification complète du produit n'est pas réalisée, et le coeur du produit demeure à l'état liquide; - et la portion de la machine qui fait suite à la zone de refroidissement secondaire. Le produit en défilement n'y est plus arrose et se refroidit de façon naturelle. C'est dans cette zone que s'achève la solidification du coeur du produit. Le refroidissement forcé du produit en lingotière et apres sa sortie de la lingotière procure une croissance rapide de l'épais- seur de peau solidifiée, afin de -limiter les risques de percée et d'augmenter sensiblement la vitesse d'extraction du produit, dont dépend directement la productivité de la machine de coulée continue. Par ailleurs, la solubilité dans le fer des éléments d'al- liage, tels que le carbone, est plus faible lorsque le fer est à l'état solide qu'à l'état liquide. Dans l'anneau pâteux, il existe donc localement dans le liquide des différences de concentration, par exemple en carbone. 263 1263 /en carbone/ Si, au sein de l'anneau pâteu>, il y a mouvement du liquide enrichi cela se traduit par la presence, au centre du produit complète- ment solidifié, de zones dites "ségrégées", o la concentration en carbone (et/ou autres éléments ségrégants) est sensiblement plus élevée que dans les autres régions. Les autres éléments d'alliage ont un comportement analogue à celui du carbone, et l'emplacement des zones ségrégées peut être déduit des tests appelés communément "empreintes Baumann" qui permettent de repérer la répartition du soufre sur une section polie du produit. Ces zones ségrégées, repérables également sur des attaques métallographiques, ont une influence néfaste sur l'homogénéité des propriétés mécaniques du produit. C'est ainsi que la concentration relativement plus importante en carbone au centre conduit à une dureté plus élevée dans ces zones que dans le reste du produit après laminage. Ce phénomène est particulièrement marqué dans le cas des aciers très chargés en éléments d'alliage, tels que ceux contenant 0,5 à 1,5 % de carbone et couramment appelés aciers à large - /d'acier 3 roulement intervalle de solidification, comme la nuanceYl00 C6 par exemple. Une "empreinte Baumann" réalisée sur un échantillon du produit prélevé selon l'axe longitudinal de celui-ci montrerait que. les ségrégations se répartissent autour de l'axe du produit suivant des "vés" dont les mécanismes de formation ne sont d'ailleurs pas encore totalement élucidés. On a tenté de résoudre ce problème par l'application d'un brassage électromagnétique du métal dans la zone de solidification pâteuse de manière à forcer le liquide ségrégé à se répartir sur une zone plus étendue. Mais ce faisant, on corrige en fait les effets sans s'attaquer vraiment aux causes du phénomène. De plus, cette technique implique l'acquisition d'au moins un inducteur de brassage, ainsi que des coûts de fonctionnement non négligeables Le but de la présente invention est de proposer une solution simple ete économique pour-réduire, voire éliminer les zones fortement ségrégées dans le coeur des produits coulés en continu, en s'attaquant à la cause même responsable de leur formation. Elle peut s'ajouter ou se substituer à un brassage élec- tromagnétique dans la zone de fin de solidification pâteuse. 26312 63 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de refroidis- sement d'un produit métallique, notamment en acier, en cours de coulée continue, caractérisé en ce qu'on réalise un refroidisse- ment forcé du produit, alors que le produit se trouve en phase de solidification pâteuse, ce refroidissement étant mené de manière que la contraction thermique différentielle entre le coeur pâteux et la croûte déjà complètement solidifiée qui l'enveloppe, pro- voque en permanence'un effet deserragedu coeur par la croûte. Ce refroidissement est mis en oeuvre dans une zone qui s'étend au moins entre l'endroit o, en l'absence d'un tel refroidissement, la vitesse de refroidissement du coeur pâteux du produit dépasse- rait celle de la surface du produit, et un endroit o le comportement thermomécanique du coeur pâteux en cours de refroidis- sement est identique à celui de la croûte extérieure solidifiée. Comme on l'aura compris, l'invention consiste en fait à se servir 'de la croûte extérieure solidifiée comme d'un étau qui accompagne la contraction du coeur lors du refroidissement Autre- ment dit, le diamètre intérieur de l'anneau formé par la croûte solidifiée doit diminuer plus vite que ne diminuerait le diamètre du coeur pâteux si la croûte n'exerçait aucune action sur le coeur. Cet étau est mis en action, par la thermique, simplement au moyen d'un refroidissement accéléré de la surface du produit dans la partie basse de la machine, là o habituellement on laissait le produit se refroidir naturellement. On a indiqué plus haut que les causes de formation des "vés" ségrégés dans la partie centrale du produit coulé n'étaient pas à ce jour parfaitement identifiées et expliquées. Toutefois, l'hypothèse faite par les inventeurs comme étant la plus probable et qui sous-tend la présente invention, peut être schématiquement exposée de la façon suivante. Lors de la traversée de la zone de refroidissement secon- daire, la peau du produit se refroidit rapidement, alors que le coeur liquide demeure à une température presque constante. Au passage du produit dans la zone de refroidissement naturel, le refroidissement de la peau, qui n'est plus arrosée, devient beaucoup plus lent. D'autre part, compte tenu de la longueur habituelle de la zone de re'roidissement secondaire, c'est seule- ment lorsque le produit est déjà largement engagé dans la zone de refroidissement naturel que la température du coeur (qui se trouve alors dans l'état pâteux), tend à s'abaisser sensiblement. La partie interne pâteuse du produit se refroidit alors plus rapidement que la couche solide qui l'enveloppe et subit une plus forte contraction thermique. Les contraintes mécaniques ainsi créees se libèrent par formation de fissures dans le bloc central préalablement."pâteux", fissures dans lesquelles peut pénétrer par aspiration, du liquide fortement ségrégé. Ainsi, dans le produit complètement solidifié, les emplacements de ces fissures seront repérés par leur concentration élevée en éléments d'alliage, conduisant aux défauts cités plus haut. Dans le cas des aciers fortement chargés en éléments d'al- liage, tels que le carbone, comme le 100 C6 par exemple, l'écart entre les températures de début et de fin de solidification est relativement important, et la solidification pâteuse est donc susceptible de s'effectuer sur une zone plus étendue que dans le cas des nuances peu alliées. Ceci, joint à ne plus grande sensibilité à la ségrégation des éléments entre les phases liquide et solide, explique pourquoi' les nuances alliées sont à ce point sujettes à la formation de zones ségrégées dans la région axiale des produits coulés en continu. Dans certains cas extrêmes, de tels défauts rendent impossible l'obtention de produit finis d'une qualité suffisante, et imposent de devoir renoncer à les produire par coulée continue. On vient de voir rapidement comment l'invention, en provo- quant une contraction thermique de la croete solide périphérique, contrecarre les vélléités du produit à former ces fissures 26312 63 internes responsables des zones centrales fortement -ségrégées. Toutefois l'invention sera bien comprise et d'autres caractéristi- ques et avantages ressortiront de la description détaillée sui- vante donnée en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquelles: - la figure 1 représente schématiquement une installation de coulée continue courbe de demi-produits en acier, de conception classique; - la figure 2 représente l'installation de la figure 1, modifiée selon l'invention par adjonction d'une rampe de refroidis- sement dans la zone de fin de solidification, du produit; - la figure 3 montre un cas d'évolution des vitesses de refroidissement de la surface et du coeur du produit au cours de son défilement dans la partie inférieure de la machine. Sont figurés les deux cas de l'absence et de là présence d'un dispositif de refroidissement dans la zone de fin de solidifi- cation du produit. La figure 1 est une coupe schématique longitudinale d'une installation classique de coulée continue, et elle présente notamment le produit en cours de solidification. Une poche, non représentée, alimente en acier liquide 1 un panier répartiteur 2. L'acier liquide 1 s'écoule ensuite dans une ou plusieurs lingo- tières 3 aux parois en cuivre ou alliage de cuivre énergiquement refroidies par eau. C'est dans chacune de ces lingotières ou zones de refroidissement primaire Q que s'amorce par sa périphérie la solidification d'un produit 4 qui prend ainsi sa section défini- tive. La lingotière montrée par la figure 1 présente une courbure, et celle-ci se retrouve sur le produit. Le cas de la lingotière droite donnant naissance à un produit droit est également rencon- tré dans la pratique industrielle. Juste en-dessous de la lingo- tière 3 débute la zone de refroidissement secondaire Q dans laquelle le produit 4 est arrosé sur une longueur variable selon les machines par une rampe d'injecteurs 5. Ceux-ci projettent sur tout le pourtour du produit un fluide refroidissant, généralement de l'eau- pulvérisée ou altomisée. Vient ensuite la zone de refroidissement naturel O, o une machine classique telle que celle schématisée ne comporte pas de moyens de refroidissement du produit. Dans la partie inférieure de la machine se trouvent les moyens (non représentés) de décintrage du produit, chargés de lui donner une forme droite, et des moyens (non représentés) de tronçonnage du produit pour mise à longueur. La figure 1 permet de distinguer plusieurs régions concentri- ques à l'intérieur du produit en cours de coulée, correspondant à l'état physique de la matière' qu'elles renferment. Dans une section du produit située dans la partie supérieure de la machine (par exemple dans la zone ),-on rencontre successivement trois régions. A coeur (région 6) le métal se trouve entièrement à l'état liquide; la section de cette zone diminue au fur et à mesure de la solidification du produit, et après le point de fermeture du puits liquide 7, on ne trouve plus de métal liquide seul. Autour du coeur liquide 6, une région pâteuse 8 correspon- dant au métal en cours de solidification, renferme à la fois du liquide et du solide. La porportion de ce- dernier augmente à mesure que la température diminue. Autour de la région pâteuse, la croute 9 n'est constituée que de métal solidifié. Au-delà du point de fermeture du puits de solidification finissante 10, cette région 9 recouvre l'ensemble du produit, dont la solidification est alors achevée. La figure 2 présente la machine de coulée continue de la figure 1 modifiée selon l'invention. Les éléments communs avec la figure 1 sont repérés par les mêmes chiffres. La différence entre les deux configurations réside dans l'adjonction à la machine originale d'une deuxième rampe d'injecteur 11, située dans la zone de la machine o le produit achève sa solidification. La figure 3 montre des exemples d'évolution de la vitesse V d'évolution de la température du métal en surface et à coeur au fur et à mesure de l'avancement du produit dans la zone O de la machine o il achève sa solidification. Cet avancement est 26312 63 exprimé par la distance D au nénisque, c'est-à-dire à la surface du métal liquide en lingotière. Les courbes ont été tracées à l'aide de modèles mathématiques similaires de ceux dont disposent les utilisateurs de machines de coulée continue. Elles sont valables pour les conditions de coulée suivantes: - format du produit: billettes de section carrée, de 105 mm de côté, - composition du produit: acier à 0,7 % de carbone. - vitesse d'extraction du produit: 3,3 m/min. Dans ces conditions la solidification complète du produit est réalisée à une distance de 11,20 m du ménisque, marquée sur la figure par la ligne S. Les courbes A et B'correspondent au cas de la figure 1, o le produit, dans la partie terminale de la machine, n'est soumis à. aucun refroidissement forcé. La courbe A représente la vitesse d'évolution de la température en surface du produit. Elle montre que cette vitesse reste sensiblement constante (soit une perte de 0,5 C/s) sur toute la longueur de la zone considérée. La courbe B représente la vitesse d'évolution de la température du coeur pâteux du produit. Elle montre que, au début de la zone considé- rée, cette température reste pratiquement constante. Ce n'est qu'à partir d'une distance au ménisque d'environ 8 m que le refroidisse- ment du coeur pâteux s'accélère de façon notable. Au delà d'une distance au ménisque de 9,5 m, le coeur pâteux commence à perdre plus de 0,5 C/s, et donc à se refroidir plus vite que la surface. Cela entraîne une-contraction thermique du coeur plus forte que celle de la surface, phénomène dont on a vu que, selon l'hypothèse faite par les inventeurs, il était à l'origine des défauts sur le produit que l'invention a pour but d'éviter. Les courbes C et D correspondent au cas de la figure 2, o le produit, conformément à l'invention, est soumis à un refroidisse- ment forcé dans la zone O) de fin de solidification au moyen de la rampe d'injecteurs 11. Ces courbes ont été tracées dans l'hypothèse o le produit est arrosé, entre les distances au ménisque 8,40 m et 11,20 m, par de l'eau à un débit de 12 m3' -par heure et par m2 de produit arrosé, ce débit étant réparti de façon homogène sur l'ensemble de la zone d'arrosage. La courbe C représente la vitesse d'évolution de la température de la surface du produit, et la courbe D représente la vitesse d'évolution de la température du coeur pâteux. En amont de la zone de refroidisse- ment, ces courbes se confondent respectivement avec les courbes A et B. Dès le début de la zone de refroidissement forcé, le refroidissement de la surface s'accélère brusquement, pour attein- dre 9 C/s à la distance au ménisque 9 m. Ensuite, le refroidisse- ment devient de plus en plus lent, à cause de la détérioration progressive de la qualité des échanges thermiques entre l'eau de refroidissement (dont le débit et la température sont constants) et le produit (dont la température diminue au fur et à mesure qu'il progresse dans la zone de refroidissement). Simultanément, le refroidissement forcé a pour conséquence d'accélérer le refroi- dissement du coeur pâteux, mais cet effet ne se fait sentir que tardivement (à partir de la distance au ménisque 10 m), et progressivement. En fin de compte, ce n'est qu'à. une distance au ménisque de 11 m, que le refroidissement du coeur pâteux devient plus rapide que celui de la surface du produit. A ce niveau, le coeur pâteux a pratiquement achevé de se solidifier, et son comportement thermomécanique est suffisamment proche de celui de la croûte entièrement solidifiée pour que le phénomène de contrac- tion thermique différentielle soit négligeable, et que les "vés" ségrégés ne puissent êt.re formés. L'exemple décrit ci-dessus n'est, bien sûr, pas limitatif. Une figure similaire à la figure 3 peut-être tracée pour toute machine de coulée continue, sur laquelle serait coulé un produit donné dans des conditions définies. On considère que, au-delà de l'endroit o la fraction solide du coeur pâteux du produit atteint 90 %, il est inutile de pour- suivre l'arrosage. Dans certains cas, il est nmême suffisant de n'arroser que jusqu'à une fraction solide de 60 %. 263 1263 Il est conseillé de poursuivre le refroidissement forcé du produit jusqu'à environ 1 m au-delà du point de fin de solidification déterminé par le calcul, compte tenu de l'incertitude existant sur ce calcul. C'est dans cet esprit que sur la figure 3, la rampe de refroidissement 11 est représentée comme se prolongeant au-delà du point 10. 'De même, l'incertitude de calcul sur la détermination du point d'intersection entre les courbes A et B de la figure 3 est de + 1 m environ. Le choix du point o débute le refroidissement forcé doit tenir compte de cette incertitude. Il est donc conseillé de placer les premiers injecteurs de la rampe 11 à au moins 1 m en amont dudit point d'intersection. Mais il faut également s'assurer que cet avancement du début du refroidissement ne provoque pas un croisement prématuré des courbes C et D de la figure 3, c'est-à-dire qui aurait lieu en un point o la fraction solide du coeur pâteux serait inférieure à 60 % au moins.. Les débits d'eau de refroidissement recommandés sont de l'ordre de 8 à 15 m 3/h et par m2 de métal arrosé. Préférentiellement, on choisit un débit de 12 m3/mn h. Ce procédé est aisément adaptable à toutes les machines de coulée continue destinées à la fabrication de produits en acier. Il -est plus spécialement conçu pour la coulée de nuances d'acier contenant environ de 0,25 à 1,5 % de carbone. Une variante de ce procédé consisterait à concevoir la rampe de refroidissement 11 de façon que le débit de fluide refroidissant varie entre le début et la fin de la zone de refroidissement. La valeur du débit global moyen sur l'ensemble de la zone serait inchangée par rapport à la configuration décrite précédemment. De cette façon, il serait possible de mieux contrôler le flux de chaleur extrait du produit le long de la zone de refroidissement, dans le but d'atténuer la diminution, visible sur la figure 3, de la vitesse de refroidissement en surface du produit. Ainsi, on augmenterait la probabilité d'avoir jusqu'à l'extrême fin de la solidification un refroidissement à coeur moins rapide qu'en peau. REVENDJ CATIONS 1) Procédé de refroidissement d'un produit métallique, notam- ment en acier, en cours de coulée continue, caractérisé en ce qu'on réalise un refroidissement forcé du produit lorsque celui-ci se trouve à coeur en phase de solidification pâteuse, ledit refroidissement étant mené de manière que la contraction thermique différentielle entre le coeur pâteux et la croûte extérieure déjà complètement solidifiée provoque en permanence un effet de serrage du coeur par la croûte. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement forcé est mis en oeuvre dans une zone qui s'étend le long de la machine de coulée au moins entre l'endroit o, en l'absence d'un tel refroidissement, la vitesse de refroidissement du coeur pâteux du produit dépasserait celle de la surface du produit, et un endroit o le comportement thermomécanique du coeur pâteux en cours de refroidissement est identique à celui de la croûte extérieure solidifiée. 3) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on maintient le refroidissement de façon que l'effet de serrage du coeur pâteux par la croûte solidifiée se poursuive jusqu'à un point o la proportion de matière solide au sein du coeur pâteux est au moins de 60 %. 4) Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que on effectue le refroidissement forcé par projection d'un fluide refroidissant sur la surface du produit coulé, tel que de l'eau. ) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on effectue le refroidissement avec de l'eau sous un débit moyen compris entre 8 et 15 m' par heure et par m2 de produit arrosé. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on choisit pour ledit débit moyen une valeur d'environ 12 m' par heure et par m2 de produit arrosé. 7) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le débit de fluide refroidissant varie entre le début et la fin de la zone de refroidissement. 8) Procédé selon les revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'on l'applique à la coulée de produits en acier dont la teneur pondérale en carbone est de l'ordre de 0,.25 à 1,5 %. 9) Installation de coulée continue de produits métalliques, notamment en acier, caractérisé en ce que, dans le but de mettre en oeuvre le procédé de refroidissement selon les revendications 1 et 2, des moyens de refroidissement du produit sont disposés dans la portion terminale de la longueur métallurgique. ) Installation de coulée continue selon la revendication 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de refroidissement sont constitués par des rampes d'arrosage projetant sur la surface du produit coulé, un fluide de réfroidissemment.