Brevet FR2625121A1 — publié le 19890630

L'invention concerne une lingotière de coulée continue, en particulier une lingotière à plaques pour la coulée continue de produits sidérurgiques tels que blooms ou brames, dont les parois latérales sont constituées chacune d'une paroi d'appui à laquelle est fixée une plaque intérieure venant en contact avec le métal en fusion, la face arrière de la plaque intérieure, dirigée vers la paroi d'appui, étant pourvue de canaux de fluide de refroidissement parallèles, formés par des fentes ouvertes vers la paroi d'appui, dont la largeur est inférieure et la profondeur est supérieure à la largeur des nervures ou ailettes situées entre les fentes. Des lingotières de coulée continue de ce type (DE-A-2 423 481, AT-B-329 209) sont appliquées à la coulée de pro- duits sidérurgiques ayant des sections ou formats de brames ou de blooms. Pour maintenir basse la température des plaques inté- rieures, généralement en cuivre ou alliage de cuivre, même à des vitesses de coulée élevées, on attache une grande importance au refroidissement intense et uniforme des plaques intérieures. Sur des lingotières de coulée continue connues, les ner- vures ou ailettes formées entre les canaux de refroidissement servent à maintenir faible la quantité de fluide de refroidissement nécessaire par unité de temps et à obtenir une haute vitesse d'écoulement de ce fluide. Elles permettent également de maintenir faible le volume de matière à enlever sous forme de copeaux lors de la fabrication des plaques intérieures. Par le "Nippon Kokan Technical Report", n 48 (1987), il est connu de prévoir les canaux de refroidissement sous forme de fentes larges de 5 mm, profondes de 15 mm et espacées de 20 mm. Cependant, cette exécution ne permet qu'un refroidissement peu efficace, de sorte que l'on est obligé de prévoir une vitesse d'écoulement relativement élevée du fluide de refroidissement afin de garantir une température acceptable des plaques intérieures, mais ce qui diminue le rendement. Le but de l'invention est d'éviter cet inconvénient et de créer une lingotière de coulée continue, du type décrit au début, avec laquelle il soit possible d'obtenir un refroidissement parti- culièrement efficace avec seulement une faible quantité de fluide 2625 1 2 1 de refroidissement spécifique (par tonne d'acier par exemple) et à une vitesse de fluide qui ne soit pas trop élevée. Surtout, lors de la fabrication des plaques intérieures, le volume de matière à enlever en copeaux doit rester faible. Conformément à l'invention, ces résultats sont obtenus par le fait que la largeur des ailettes de refroidissement est inférieure ou égale à 13 mm et que la vitesse d'écoulement du fluide de refroidissement est réglée de manière que le coefficient de transmission thermique alpha entre la plaque intérieure et le fluide de refroidissement soit de 20 à 70 kW/m2K, de préférence de à 50 kW/m 2K, de sorte que la densité de flux calorifique pour la plaque intérieure est plus grande que la densité de flux calori- fique pour une plaque intérieure lisse, sans ailettes. L'invention est basée sur la constatation que les ailettes formées entre les canaux de refroidissement ne peuvent être efficaces en tant qu'ailettes de refroidissement que si le rapport de la profondeur d'une fente à la largeur d'une ailette de refroidissement est supérieur à 1 et que, en plus, le coefficient de transmission thermique alpha soit compris entre les limites indiquées ci-dessus. On obtient ainsi une vitesse de fluide qui est faible comparativement à l'état de la technique et qui présente avec le coefficient de transmission thermique alpha la relation alpha = c. VH085, si bien qu'on obtient une évacuation de chaleur 2 efficace, sans que le fluide de refroidissement soit échauffé trop fortement. Si le rapport de la profondeur d'une fente à la largeur d'une ailette de refroidissement est plus petit que 1, les ailettes sont gênantes pour l'effet de refroidissement en ce sens qu'elles entravent le refroidissement; une exécution lisse de la face arrière des plaques intérieures, avec omission des ailettes, serait alors plus efficace. Des recherches ont montré que la densité de flux calori- fique (la quantité de chaleur évacuée par unité de temps et par unité de surface par un fluide de refroidissement ayant une vitesse d'écoulement déterminée) est plus grande pour une plaque lisse que 26 2 5 1 2 1 pour une plaque de même épaisseur sur Laquelle des ailettes ont été formées selon l'état de la technique. Le rapport de la densité de flux calorifique d'une plaque pourvue d'ailettes à la densité de flux calorifique d'une plaque lisse ne devient supérieur à 1 que quand les ailettes prennent la fonction de "ailettes de refroidis- sement", c'est-à-dire lorsqu'elles renforcent l'effet de refroidis- sement, ce qui est seulement le cas si des rapports déterminés de dimensions géométriques et une certaine grandeur du coefficient de transmission thermique alpha sont respectés. Le principal facteur déterminant est, à cet égard, la largeur maximale d'une ailette. De préférence, la largeur de fente est comprise entre 3 et 7 mm et le rapport de la largeur de fente à la largeur d'ailette est tout au plus de un à deux. La géométrie des fentes est impor- tante pour le bon fonctionnement d'un refroidissement, notamment parce que les fentes ne doivent pas être trop étroites sinon des impuretés risquent de s'y bloquer et la réalisation des fentes devient difficile ou impossible du fait qu'il faut utiliser une fraise de diamètre très réduit. A l'inverse, les fentes ne doivent pas non plus être trop larges sinon le volume de matière à enlever, lors de l'usinage des fentes par enlèvement de copeaux, devient excessif. D'autres caractéristiques et avantages de L'invention sortiront plus clairement de la description qui va suivre des exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en plan schématique d'une Lin- gotière; - La figure 2 est une coupe transversale partielle et à plus grande échelle d'une plaque intérieure; - La figure 3 est une vue en élévation partielle de cette plaque intérieure, prise dans le sens de la flèche III de La figure 2; - la figure 4 est une coupe longitudinale de cette plaque, prise suivant La Ligne IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est un graphique montrant le rendement de refroidissement en fonction du coefficient de transmission ther- mique pour les variantes de plaques intérieures représentées sur Lés figures 6 et 7, La première montrant un mode de réalisation seLon l'état de La technique et La figure 7 montrant un mode de réalisation selon L'invention; et - la figure 8 est un graphique montrant la dépendance du rendement de refroidissement de la largeur des ailettes et du coef- ficient de transmission thermique. La référence 1 désigne la boîte à eau en forme d'enve- loppe d'une lingotière à plaques pour la coulée continue de brames, dans laquelle sont disposées les parois latérales des grands côtés 2 et les parois latérales des petits côtés 3. Chacune des grandes 2 et petites parois 3 sont constituées d'une paroi d'appui 4, 5 à laquelle est fixée une plaque intérieure 6, 7 qui vient en contact avec le métal en fusion. Les plaques intérieures 6, 7 sont généra- lement en cuivre ou alliage de cuivre s'il s'agit de la coulée con- tinue d'acier. Les grandes parois latérales 2 peuvent être approchées et écartées l'une de l'autre par des mécanismes de réglage 8 montés sur la boîte à eau et elles peuvent être immobilisées en diffé- rentes positions relatives par un dispositif de blocage 9, de manière que les petites parois latérales 3 puissent être serrées entre les grandes parois latérales 2 ou qu'une fente de grandeur constante subsiste entre ces dernières et les petites parois laté- rales 3. Les grandes parois 2 comme les petites parois 3 sont branchées sur la boite à eau 1 par des raccordements d'eau de refroidissement désignés par 10. Chacune des petites parois laté- rales 3 est déplaçable et réglable en inclinaison au moyen de méca- nismes de réglage 11 qui comprennent par exemple des broches filetées reliées à la partie voisine du bord supérieur et à la partie voisine du bord inférieur de la petite paroi 3 concernée. Les plaques intérieures 6, 7 des grandes 2 et petites parois Latérales 3 sont pourvues, sur leurs faces arrière 12, c'est-à-dire sur leurs faces appliquées contre la paroi d'appui 4 ou 5 correspondante, de canaux de fluide de refroidissement, qui sont parallèles entre eux et sont constitués par des fentes 13 26 2 5 1 2 1 ouvertes du côté de la paroi d'appui 4 ou 5. Les flancs délimitant chaque fente sont de préférence parallèLes et perpendiculaires au plan de la plaque intérieure. Afin d'éviter le gauchissement des plaques intérieures 6, 7, elles sont fixées rigidement aux parois d'appui 4, 5 au moyen d'un grand nombre de vis de serrage 14. Les trous taraudés 15 pour ces vis 14, formés avantageusement par des douilles intermédiaires 16 fixées dans les plaques intérieures 6, 7, sont disposés en rangées parallèLes 17, comme on peut le voir en particulier sur la figure 3. Les fentes 13, dans lesquelles circule le fluide de refroidissement, sont prévues entre ces rangées 17, s'étendant dans le sens de la hauteur de la lingotière. Les fentes 13 sont formées de manière que le rapport de la profondeur 18 d'une fente 13 à la distance entre deux fentes 13 voisines, c'est-à-dire à la largeur 19 de l'ailette 21 située entre elles, soit supérieur à 1 dans les zones de surface entre les rangées de trous 17. Les fentes 13 ont une largeur 20 de 5 mm (leur largeur est de préférence de 3 à 7 mm) et les ailettes 21 situées entre elles ont une largeur de 11 mm ou de 12 mm dans la dernière zone - comprise entre deux rangées de trous 17 - voisine d'une extrémité de la plaque intérieure 6: Leur profondeur 18 est visible sur les figures 2 et 4 et correspond à 18 mm. L'épaisseur totale des plaques intérieures 6, 7 est d'environ 40 mm. Les plaques inté- rieures 6, 7 peuvent être retouchées sur environ 11 mm sur les faces venant en contact avec le métal en fusion. Le fond des fentes 13 est plan dans l'exemple de réalisa- tion représenté, mais il pourrait également être en demi-cercle. Les fentes 13 sont parcourues par le fluide de refroidis- sement et les ailettes 21 situées entre elles agissent comme des ailettes de refroidissement. Ceci va maintenant être expliqué plus en détail en référence au graphique de la figure 5, o le rendement êta est indiqué en ordonnée et le coefficient de transmission ther- mique alpha est indiqué en abscisse. Le rendement êta exprime le rapport de la densité de flux calorifique d'une paroi pourvue de canaux de refroidissement en forme de fentes à la densité de flux calorifique d'une paroi lisse, obtenue par l'omission des ailettes 21 délimitées par les fentes 13. Pour toutes les valeurs de êta inférieures à 1, les ailettes 21 n'agissent pas comme des ailettes de refroidissement, mais perturbent au contraire la transmission de la chaleur, de sorte que l'effet de refroidissement est inférieur à celui obtenu avec une paroi lisse de comparaison. Si êta est supérieur à 1, les ailettes 21 procurent un meilleur refroidissement comparativement à une paroi lisse, ce qui signifie que les ailettes 21, en raison de l'effet de refroidissement amplifié par elles, agissent dans ce cas comme des ailettes de refroidissement. Le graphique de la figure 5 montre plus particulièrement la plage du coefficient de transmission thermique entre 20 et kW/m2K et ce pour deux modes de réalisation différents des fentes et des ailettes de refroidissement. La ligne en traits mixtes a indique, pour l'ailette 22 représentée sur la figure 6 (pour laquelle le rapport de la profondeur (15 mm) de la fente 13 à la largeur (15 mm) d'une ailette 22 est d'environ 1), la dépendance du rendement êta du coefficient de transmission thermique alpha entre 20 et 50 kW/m2K. C'est seulement à partir d'une valeur d'alpha inférieure à 24 que êta est supérieur à un. Par conséquent, l'ailette 22 représentée sur la figure 6 agit seulement en tant qu'ailette de refroidissement pour de très faibles valeurs du coef- ficient de transmission thermique alpha, donc seulement pour de faibles vitesses d'écoulement du fluide de refroidissement; or, une telle vitesse ne permettrait pas de produire un refroidissement suffisant de la plaque intérieure et ne peut donc pas être utilisée dans la pratique. La figure 8 illustre le principe de la relation entre la largeur d'une ailette, le coefficient de transmission thermique alpha et par suite la vitesse du fluide de refroidissement vH 0 2 (qui découle de la relation alpha ='constante. v0'85)et le rende- À H20 ment êta. Le graphique de la figure 8 permet de voir que pour une largeur d'ailette préfixée, la vitesse d'écoulement vH 0 du fluide 2 de refroidissement représente un facteur important de l'effet de 2625 1 2 1 l'aiLette, c'est-à-dire de son action en tant qu'ailette de refroi- dissement ou non, en ce sens que, plus la vitesse d'écouLement du fluide de refroidissement est élevée, pLus la quantité de chaleur évacuée augmente, certes, mais le rendement êta se dégrade. Ce fait sera décrit ci-après en référence aux modes de réalisation représentés sur les figures 6 et 7 et au tableau sui- vant, dont la ligne I se rapporte à la construction de plaques classiques selon la figure 6 et la ligne II se rapporte à la cons- truction de plaque illustrée par la figure 7. Le tableau indique, pour chacune des exécutions et pour deux vitesses de fluide de refroidissement VH 0, l'une relativement basse et une seconde plus élevée, le rendement éta, la valeur de alpha et la valeur de alphaef, ce qui correspond à alpha x êta. On voit qu'avec la cons- truction selon l'invention, pour la même valeur de alphaeff de 000, on obtient une plus faible vitesse d'écoulement du fluide de refroidissement. êta alpha alphaeff vHO0 delta 2 (x 0,1 MPa) I (figure 6) 1,244 20 000 24 887 3,32 0,929 53 845 50 000 10,63 0,89 II (figure 7) 1,426 20 000 28 520 3,34 1,083 46 150 50 000 8,92 0,62 Ce tableau permet donc de voir que pour obtenir des tem- pératures basses et égales sur les plaques intérieures représentées par les figures 6 et 7, on peut se contenter, dans le cas de l'exé- cution selon l'invention (figure 7), d'une plus faible vitesse d'écoulement vH 0 du fluide de refroidissement, donc d'une plus H2 faible quantité de fluide de refroidissement spécifique (par tonne d'acier par exemple), avec une plus faible perte de charge delta et une plus faible puissance de pompage. et une plus faibLe puissance de pompage. 2625 1 2 1 La courbe b en trait plein sur la figure 5, indique le rendement êta obtenu avec une ailette de refroidissement 21 selon la figure 7 pour différents coefficients de transmission thermique alpha. On voit que cette courbe se trouve au-dessus de la droite êta = 1 pour tous les coefficients de transmission thermique entrant en ligne de compte, si bien que l'ailette 21 de la figure 7 agit dans tous les cas, donc aussi à des vitesses d'écoulement très différentes du fluide de refroidissement, comme une ailette de refroidissement. Dans le cas de l'ailette de la figure 7, le rap- port de la profondeur 18 de la fente 13 à la largeur 19 de l'ailette 21 est d'environ 1,5. Il s'est révélé que pour des débits et des vitesses habi- tuels du fluide, l'effet de refroidissement réalisable par une plaque intérieure 6, 7 pourvue de fentes13 ne peut être supérieur à celui obtenu avec une plaque intérieure lisse que si le rapport de la hauteur des ailettes ou de la profondeur 18 des fentes à la largeur 19 des ailettes 21 est supérieur à 1. La largeur 20 des fentes 13 sera habituellement d'environ 5 mm et dépend de la technique de fabrication et notamment du diamètre des fraises employées pour réaliser les fentes 13; d'un côté les fraises ne doivent pas être trop fines et, de l'autre côté, leur diamètre ne doit pas dépasser une certaine valeur pour que le volume de matière à enlever lors du fraisage reste aussi faible que possible. 26 2 5 1 2 1 REVENDICATIONS 1. Lingotière de coulée continue, en particuLier lingo- tière à plaques pour la coulée continue de produits sidérurgiques tels que blooms ou brames, dont les parois Latérales (2, 3) sont constituées chacune d'une paroi d'appui (4, 5) à laquelle est fixée une plaque intérieure (6, 7) venant en contact avec le métal en fusion, la face arrière (12) de la plaque intérieure (6, 7), dirigée vers la paroi d'appui (4, 5), étant pourvue de canaux de fluide de refroidissement parallèles, formés par des fentes (13) ouvertes vers la paroi d'appui, dont la largeur (20) est inférieure et la profondeur (18) est supérieure à la largeur (19) des nervures ou ailettes (21) situées entre les fentes (13), caractérisée en ce que la largeur (19) des ailettes de refroidissement (21) est infé- rieure ou égale à 13 mm et que la vitesse d'écoulement du fluide de refroidissement est réglée de manière que le coefficient de trans- mission thermique alpha entre la plaque intérieure (6, 7) et le fluide de refroidissement soit de 20 à 70 kW/m 2K, de préférence de à 50 kW/m2K, de sorte que la densité de flux calorifique pour la plaque intérieure (6, 7) est plus grande que la densité de flux calorifique pour une plaque intérieure lisse, sans ailettes. 2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la largeur (20) des fentes est comprise entre 3 et 7 mm et que le rapport de la largeur (20) des fentes à la largeur (19) des ailettes est tout au plus de 1 à 2.