Brevet FR2642679A3 — publié le 19900810

FR 2642679 A3 19900810 FR 8817367 A 19881222 DISPOSITIF D'ELIHINATION DES INCLUSIONS NON NETAILIQUES DANS UN REPARTITEWR DE COULEE CONTINUE DE L'ACIER La présente invention s'inscrit dans le domaine de la coulée continue de métal liquide, notamment de l'acier. Elle concerne plus particulièrement l'élimination des inclusions non métalliques dans le répartiteur de coulée continue. Les utilisateurs d'acier exigent de plus en plus souvent de disposer de produits d'une excellente "propreté inclusion naire", c'est-à-dire contenant aussi peu que possible d'inclusions non-métalliques. Une grande partie de ces inclusions nonmétalliques sont des oxydes dont les principales origines sont les suivantes 1) la réaction avec l'oxygène dissous au sein du métal liquide d'éléments fortement réducteurs, tels que l'aluminium, le silicium, le manganèse, le calcium, etc. au moment de leur introduction dans le métal liquide 2) la réaction de ces memes éléments réducteurs avec l'oxygène atmosphérique qui, au cours des diverses étapes de l'élaboration et de la coulée, pénètre dans le métal liquide lorsque celui-ci est exposé à l'air libre 3) l'entraînement, au sein du métal, de particules oxydées provenant des matériaux solides avec lesquels l'acier liquide entre en contact lors de ces mêmes etapes : revêtements réfractaires de la poche et du répartiteur, poudres de couverture, tubes de protection des jets de coulée, etc. Parmi ces inclusions non-métalliques, peuvent également figurer, dans certains cas particuliers, des sulfures ou des nitrures. La coulée de l'acier liquide, et principalement son transvasement et son séjour dans le répartiteur de coulée continue, est une étape très importante pour la propreté du produit final. En effet, si le jet de coulée poche-répartiteur est mal protégé contre l'air ambiant (par exemple au moyen d'un tube dont l'étanchéité est insuffisante), de nouvelles inclusions oxydées se forment au sein du métal. Une formation d'inclusions oxydées peut également se produire si le tube de protection du jet de coulée et le revêtement réfractaire du répartiteur peuvent s'éro- der, ou s'ils contiennent des oxydes susceptibles de réagir avec les éléments réducteurs dissous dans l'acier liquide. D'autre part, de nouvelles inclusions peuvent être entraînées dans le métal si, lorsque la vidange de la poche approche de sa fin, du laitier de poche est aspiré dans le jet de coulée. Tous ces facteurs peuvent donc entraîner une pollution du métal liquide qui n'est pas forcément compensée par la décantation des inclusions dans le répartiteur. Une bonne propreté inclusionnaire obtenue à l'issue du traitement du métal en poche peut donc être facilement détériorée si un certain nombre de précautions, souvent contraignantes, ne sont pas prises lors de la coulée continue. S'il n'est pas possible de garantir un respect absolu de ces précautions, ou Si, malgré leur respect, la propreté obtenue est encore insuffisante pour satisfaire une clientèle particulière, par exemple, il est alors nécessaire d'accentuer la décantation des inclusions dans le répartiteur pour parvenir à la propreté inclusionnaire recherchée. Le répartiteur de coulée continue constitue un véritable réacteur métallurgiqe, l'intérieur duquel on peut distinguer notamment des zones où le métal s'écoule à grande vitesse vers la busette de coulée, et des zones, dites "zones mortes", où le métal tend à stagner et ne se renouvelle que relativement lentement. La principale zone à écoulement rapide est constituée par les couches inférieures de la portion de métal qui est comprise entre le jet poche-répartiteur et la ou les busettes de coulée. Le métal circulant dans ces zones ne séjourne qu'un temps relativement bref dans le répartiteur, ce qui laisse peu de possibilités de décantation aux inclusions. Les zones mortes, quant à elles, sont généralement situées aux extrémités du répartiteur et dans les couches supérieures du métal.Le métal qui parvient dans ces zones séjourne longtemp "ans le répartiteur, ce qui est favorable à la décantation des inclusions. Mais en contrepartie, ces zones mortes, à cause du faible renouvellement du métal qu'elles contiennent, diminuent le volume utile du répartiteur, c'est à dire le volume dans lequel la plus grande partie du métal a la possibilité de s'écouler à une vitesse normale. Comme la machine de coulée continue doit être alimentée avec un débit de métal donné, cela conduit à imposer à l'ensemble du métal, un temps de séjour moyen inférieur à ce qu'il serait en l'absence de zones mortes. Cette diminution du temps de séjour moyen est défavorable à la décantation des inclusions, et 1' in- fluence globale des zones mortes sur la propreté inclusionnaire du métal s'écoulant hors du répartiteur est donc néfaste. Les faits qui précèdent ont pu être mis en évidence notamment par des essais conduits sur des maquettes hydrauliques simulant des répartiteurs. De tels essais sont aussi fréquemment utilisés pour la recherche de configurations de répartiteur susceptibles de favoriser la décantation des inclusions grâce à un temps de séjour moyen du métal élevé. Une telle configuration se caractérise par l'absence de courants conduisant directement le métal vers les busettes de coulée, et par des zones mortes aussi réduites que possible. Pour ce faire, une solution à présent classique consiste à disposer dans le répartiteur des obstacles en matériau réfractaire qui modifient les écoulements du métal. On peut, en particulier, implanter sur le fond du répartiteur un ou plusieurs barrages par-dessus lesquels doit passer le métal, et qui interrompent les lignes de courant conduisant rapidement aux busettes de coulée. On peut également utiliser, seules ou en association avec ces barrages, des chicanes barrant la partie supérieure du répartiteur. De telles mesures visent à imposer au métal un parcours sinueux pour allonger son temps de séjour dans le répartiteur. Elles peuvent également permettre, par endroits, d'orienter les écoulements en direction de la surface du bain, ce qui donne une impulsion verticale aux inclusions et favorise leur décantation. La configuration et l'emplacement de tels obstacles doivent être soigneusement étudiés en fonction des conditions locales telles que la forme et les dimensions du répartiteur, l'emplacement des busettes de coulée, le débit de métal visé, etc. Une autre possibilité d'améliorer la décantation des inclusions est d'implanter dans le fond du répartiteur, un élément de brassage par insufflation de gaz neutre, tel que l'argon. La montée des bulles de gaz provoque des mouvements au sein du métal, qui perturbent les écoulements naturels. De tels éléments peuvent être implantés en dessous des zones mortes afin de les transformer en zone agitées participant au volume utile du répartiteur. Ils peuvent aussi être disposés à l'aplomb des lignes de courant menant directement aux busettes de coulée, afin de briser ces lignes. Leur rôle est alors comparable à celui des barrages cités précédemment ; mais, de plus, les bulles de gaz sont susceptibles de capter les inclusions sur toute la hauteur du répartiteur, et de les entraîner à la surface du bain. Ces éléments de brassage sont constitués -par un réfractaire poreux, ou par un réfractaire dense à l'intérieur duquel ont été ménagés des canaux de faible diamètre à partir d'une chambre d'alimentation dans laquelle est introduit le gaz. Dans beaucoup de cas, ces éléments de brassage sont disposés de façon à barrer transversalement le fond du répartiteur. Cependant, les inventeurs se sont rendu compte qu'un tel emplacement présente l'inconvénient suivant. Les répartiteurs sont généralement plus larges à leur partie supérieure qu'à leur partie inférieure, pour faciliter le démontage de leur revêtement réfractaire. Ceci entraîne que le brassage du métal induit par les bulles de gaz s'échappant de l'élément de brassage ne concerne pas l'intégralité de la section du répartiteur de part et d'autre de la zone brassée, située à l'aplomb de la partie de l'élément d'où s'échappent les bulles de gaz, subsistent des volumes de métal liquide dans lesquels le métal continue à s'écouler naturellement. Ceci constitue donc une limitation de l'efficacité de l'élément de brassage pour l'élimination des inclusions. D'autre part, l'alimentation en gaz de tels éléments est effectuée au moyen d'une conduite noyée dans le revêtement du répartiteur, cette conduite étant reliée à l'élément par un raccord soudé ou vissé. Une telle liaison est délicate à réaliser au cours du montage de l'élément et manque de fiabilité, du fait des contraintes, notamment thermiques, auxquelles elle est soumise lors de la coulée. L'alimentation en gaz de l'élément risque donc de ne pas être assurée pendant la totalité de la coulée. Le but de la présente invention est, d'une part, d'améliorer l'efficacité des éléments de brassage du métal liquide en répartiteur, de façon que leur action concerne la totalité du métal traversant la section du répartiteur où ils sont implantés, et d'autre part, de simplifier et de fiabiliser l'alimentation en gaz de ces éléments de brassage. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour éliminer les inclusions non-métalliques dans un répartiteur de coulée continue des métaux, notamment de l'acier, comportant au moins un élément de brassage du métal liquide par insufflation de gaz implanté dans le fond du répartiteur, caractérisé en ce que, à l'aide de l'élément de brassage, on forme un "rideau" de bulles et en ce qu'on oblige tout le métal à passer au travers dudit "rideau". L'invention a également pour objet un dispositif pour éliminer les inclusions non-métalliques dans un - répartiteur tel qu'il vient d'être défini, dispositif caractérisé en ce qu'il est constitué par un moyen de striction locale latérale du répartiteur et par ledit élément de brassage, lequel est implanté dans ou au voisinage immédiat dudit moyen de strict ion, et présente une dimension "utile" supérieure ou égale à la largeur du répartiteur à l'endroit de la striction. Dans une forme de réalisation, ledit moyen de strict ion est formé par une paire de déflecteurs dont l'arête libre est sensiblement verticale et disposés l'un en regard de l'autre contre les grandes parois du répartiteur. Dans une autre forme de réalisation, ledit moyen de striction est constitué par une cloison s'appuyant sur les grandes parois du répartiteur, barrant toute sa hauteur de remplissage, et munie d'une zone perforée comportant au moins une ouverture pour le passage du métal liquide, la plus grande largeur de ladite zone perforée étant inférieure ou égale à la dimension "utile" dudit élément de brassage. Ladite cloison et l'élément de brassage sont solidaires, et l'insufflation de gaz dans le métal liquide est effectuée par l'une au moins des portions de l'élément de brassage situées en amont, en dessous et en aval de la cloison. Préférentiellement, l'alimentation en gaz de cet élément est effectuée au moyen d'une conduite ménagée dans la partie non perforée de la paroi réfractaire surmontant l'élément de brassage. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à associer un ou des éléments de brassage de l'acier liquide par insufflation de gaz, disposés dans le fond du répartiteur, à un ou des obstacles. Ces obstacles orientent l'écoulement du métal de telle façon que toutes les fractions du métal sont forcées de passer l'aplomb d'un élément de brassage, et sont ainsi obligatoirement soumises à l'influence des bulles de gaz s'échappant de cet élément. Cet effet est obtenu au moyen d'un rétrécissement local de la largeur de passage du métal à l'intérieur du répartiteur, et l'élément de brassage est implanté soit immédiatement en amont, soit immédiatement en aval, soit à l'intérieur de cette zone rétrécie.Le rétrécissement est assuré par une paire de déflecteurs latéraux, ou, mieux encore, par un barrage perforé disposé transversalement à l'écoulement du métal, ce barrage étant solidaire d'un élément de brassage. Dans ce dernier cas, les deux éléments du- dispositif selon l'invention sont donc réunis dans le même assemblage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée en référence aux planches de dessins annexées, sur lesquelles - la figure 1 représente en vue de dessus un répartiteur muni d'un élément de brassage et d'un dispositif de striction composé d'une paire de déflecteurs selon la première forme de réalisation proposée - la figure 2 représente, vu de face, un dispositif composé d'une cloison perforée solidaire d'un élément de brassage, selon la deuxième forme de réalisation proposée ; - la figure 3 représente une coupe selon A-A dé ce même dispositif - la figure 4 schématise un répartiteur vu de dessus, équipé de tels dispositifs - la figure 5 représente, vue de face, une variante de ce même dispositif. La figure 1 représente un répartiteur 1 de forme évasée revêtu intérieurement par un matériau réfractaire 2 et muni d'une unique busette de sortie du métal 3. Il est alimenté en métal liquide en un lieu marqué par une croix 4, et le métal s'écoule en direction de la busette 3 dans le sens indiqué par la flèche 5. Dans le fond du répartiteur est implanté un élément 6 de brassage du métal liquide par insufflation de gaz, de type connu, muni de moyens d'alimentation en gaz non représentés. Cet élément a une forme allongée et est disposé sensiblement perpendiculairement à la direction d'écoulement du métal liquide. Les bulles de gaz peuvent s'échapper de l'élément sur une largeur 1' dite largeur "utile" de l'élément. Cette largeur "utile" est forcément inférieure ou au plus égale à la largeur du répartiteur au niveau de son fond. Immédiatement en aval de l'élément de brassage 6 est implantée une paire de déflecteurs 7 et 7' en matériau réfractaire qui s'appuient sur les grandes parois 8 et 8' du répartiteur. Ces déflecteurs se font face, ont leur arête libre sensiblement verticale, et sont séparés par un espace de largeur maximale 1, permettant le passage du métal. Selon l'invention, cette largeur 1 est inférieure à la largeur "utile" 1' de l'élément de brassage 6.L'effet technique de cette caractéristique est d'imposer à tout le métal liquide traversant le répartiteur 1 de passer à travers le "rideau" formé par les bulles de gaz s'échappant de l'élément de brassage 6, et d'être ainsi soumis à l'action épuratrice de ce "rideau". Ainsi, l'élimination des inclusions peut être réalisée de façon plus complète que si, en l'absence de déflecteurs, de part et d'autre du "rideau" de bulles, subsistaient des zones que le métal pourrait traverser sans rencontrer de bulles de gaz sur son chemin. La figure 2 représente une autre forme de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Le répartiteur 1 a été coupé dans un plan situé en avant dudit dispositif. A l'intérieur du répartiteur, le métal s'écoule dans une direction perpendiculaire au plan de coupe. Sur toute la largeur du répartiteur, et perpendiculairement à la direction d'écoulement du métal, est fixé l'élément de brassage 9. Cet élément est, de façon préférentielle, constitué par un matériau réfractaire dense dans lequel ont été ménagés des canaux 10 de faible diamètre (de l'ordre de 1 mm, voire moins). Ces canaux débouchent d'une part dans une cavité 11 ménagée à l'intérieur de l'élément de brassage et désignée par le terme "chambre d'arrivée du gaz", et d'autre part sur une surface de l'élément de brassage en contact avec l'acier liquide.Ces canaux sont avantageusement ordonnancés en rangées et disposés en quinconce pour assurer une bonne homogénéité du "rideau" formé par les bulles de gaz issues de ces canaux. La figure 2 montre trois rangées de canaux, mais ce nombre n'est, bien entendu, aucunement limitatif. Sur la partie supérieure de l'élément de brassage 9 est fixée une paroi réfractaire 12 servant de barrage. Cette paroi obture la section du répartiteur, et son bord supérieur atteint un niveau plus élevé que le niveau maximal atteint par le métal en cours de coulée, symbolisé par la ligne 13. La paroi 12 est munie d'une perforation 14 de forme rectangulaire, par laquelle le métal peut s'écouler. Cette perforation 14 est située immédiatement au-dessus de l'élément de brassage 9, et sa caractéristique essentielle est que sa largeur 1 est inférieure à la largeur 1' de la zone de l'élément de brassage 9 dans laquelle sont inscrites les sorties des canaux 10 orientées vers le métal liquide. Cette largeur 1' correspond à la largeur "utile" de l'élément de brassage. Avantageusement, la paroi est munie, dans sa partie supérieure, de perforations 15 permettant d'assurer le passage du laitier de répartiteur de l'amont à l'aval du barrage. Une conduite 16 d'amenée de gaz, reliée à des moyens (non représentés) d'insufflation de gaz sous un débit contrôlé, traverse de haut en bas la partie non perforée de la paroi 12 et débouche dans la chambre d'arrivée du gaz 11.De cette façon, l'alimentation en gaz de l'élément de brassage est totalement indépendante du répartiteur, et le circuit d'alimentation ne comporte aucun raccord dont la fiabilité poserait problème. La figure 3 montre l'acier liquide 17 traversant le barrage 12 dans le sens indique par la flèche 24. Cette figure met en évidence la structure de l'ensemble formé par l'élément de brassage 9 et le barrage perforé 12. On voit, en particulier, que la partie du barrage 12 située en dessous de la perforation rectangulaire 14 vient s'insérer dans une entaille 18 pratiquée dans la face supérieure de l'élément de brassage 9. La figure 2 montre également que, dans cette réalisation, l'élément de brassage a approximativement le profil d'un parallélépipède dont les arêtes supérieures sont taillées en biseau. Ce profil particulier permet, dans la partie amont de l'élément, d'orienter l'écoulement du métal liquide vers la perforation 14, alors qu'un profil complètement parallélépipédique aurait tendance à freiner cet écoulement dans la partie inférieure du répartiteur et à créer une zone morte.D'autre part, c'est sur ces portions biseautées que débouchent les canaux 10 d'arrivée de gaz. Ces portions ont l'avantage d'offrir une surface importante et de rendre possible le ménagement d'un grand nombre de canaux 10, aussi bien en aval qu'en amont du barrage. La figure 3 montre enfin le laitier de couverture 19 recouvrant le métal liquide en répartiteur. Ce laitier peut passer de l'amont à l'aval du barrage 12 en empruntant les perforations 15. La figure 4 montre un exemple d'implantation de tels dispositifs dans un répartiteur 1 équipé -de deux busettes de coulée 20 et 20', et alimenté en métal liquide en son milieu 21. Deux dispositifs selon l'invention, comprenant chacun un élément de brassage 9,9', un barrage perforé 12,12' et une conduite d'alimentation en gaz neutre 16, 16', sont implantés chacun entre le point d'arrivée du métal liquide 21 et les busettes de coulée 20 et 20'. Les barrages délimitent ainsi un compartiment central 22 dans le répartiteur. Vers. la fin de la vidange de chaque poche, du laitier de poche est aspiré dans le jet de coulée par effet vortex.Les perforations supérieures 15 (non représentées sur la fig. 4) des barrages 12 et 12', permettent à ce laitier de s'étaler sur toute la surface du répartiteur, et d'éviter qu'il ne s'accumule dans le compartiment central, si plusieurs poches sont coulées successivement dans le même répartiteur. Une telle accumulation de laitier, dans une partie du répartiteur soumise à la fois à l'agitation du jet de coulée et au brassage par les éléments 9 et 9', peut conduire à une pollution du métal par entraînement de laitier en son sein ou réaction des oxydes réductibles du laitier avec les éléments désoxydants, tels que l'aluminium dissous dans le métal. La figure 5 montre un dispositif analogue, dans lequel la perforation rectangulaire unique de l'exemple précédent est remplacée par un ensemble de perforations circulaires 23. Ces perforations sont inscrites dans une zone dont la largeur maximale 1" satisfait à la condition précédemment exigée pour la largeur 1 de la perforation rectangulaire 14 : l" est inférieure à la largeur "utile" 1' de l'élément de brassage 9. Le dispositif selon l'invention est également susceptible d'être implanté dans les répartiteurs dits "répartiteurs en T", dans lesquels l'alimentation en métal liquide est effectuée dans un compartiment latéral qui communique avec la cuve du répartiteur. Un dispositif unique peut alors être placé à la limite entre le compartiment latéral et la cuve, et assure à lui seul le traitement de l'ensemble du métal coulé. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté. Ainsi, l'élément de brassage en réfractaire dense, pourvu de fins canaux, peut être remplacé par un élément en réfractaire poreux. Celui-ci présenterait toutefois l'inconvénient de ne pas garantir une bonne homogénéité du "rideau" de bulles de gaz. D'autre part, au lieu d'être composé de deux pièces assemblées, le dispositif selon l'invention peut être constitué d'une seule pièce. Cela pourrait permettre, en particulier, de ménager des canaux supplémentaires dans l'élé- ment de brassage, qui déboucheraient à l'intérieur de la performation. On peut également choisir de brasser le métal uniquement en amont ou uniquement en aval du barrage, en ne ménageant des canaux de sortie du gaz que sur l'une des faces biseautées de l'élément de brassage. Il est aussi possible d'adopter d'autres configurations pour la ou les perforations du barrage . L'essentiel est que la largeur maximale de la zone dans laquelle ces perforations sont inscrites ne dépasse pas la largeur "utile" de l'élément de brassage. REVEWDICATIONS 1) Procédé pour éliminer les inclusions non-métalliques dans un répartiteur de coulée continue des métaux, notamment de l'acier, comportant au moins un élément de brassage du métal liquide par insufflation de gaz implanté dans le fond du répartiteur, caractérisé en ce que, à l'aide de l'élément de brassage on forme un rideau de bulles et en ce qu'on oblige tout le métal à passer au travers dudit rideau 2) Dispositif pour éliminer les inclusions non-métalliques dans un répartiteur (1) de coulée continue des métaux, notamment de l'acier, comportant au moins un élément de brassage (6) du métal liquide par insufflation de gaz implanté dans le fond du répartiteur, caractérisé en ce qu'il est constitué par un moyen de striction locale latérale du répartiteur et par ledit élément de brassage (6) lequel est implanté dans ou au voisinage immédiat dudit moyen de strict ion, et présente une dimension utile (1') supérieure ou égale à la largeur du répartiteur (t) à l'endroit de la striction. 3) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de strict ion est formé par une paire de déflecteurs (7,7' > dont l'arête libre est sensiblement verticale et disposés l'un en regard de l'autre contre les grandes parois (8,8') du répartiteur. 4) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen de striction est constitué par une cloison (12) s'appuyant sur les grandes parois du répartiteur,.barrant toute sa hauteur de remplissage, et munie d'une zone perforée comportant au moins une ouverture (14) pour le passage du métal liquide, la plus grande largeur O) de ladite zone perforée étant inférieure ou égale à la dimension utile(lt) de l'élément de brassage (9) qui lui est associé, et en ce que ladite cloison (12) et ledit élément (9) sont solidaires, l'insufflation de gaz dans le métal liquide étant effectuée par l'une au moins des portions de l'élément de brassage (9) situées en amont, en dessous et en aval de la cloison. 5) Dispositif selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que ledit élément de brassage (9) est en matériau réfractaire poreux. 6) Dispositif selon la revendication 2 ou 4, caractérisé en ce que ledit élément de brassage (9) est en matériau réfractaire dense, et en ce que le gaz pénètre dans le métal par des canaux (10) ménagés à l'intérieur du réfractaire, à partir d'une chambre d'arrivée de gaz (11) ménagée à la base dudit élément. 7) Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que ledit élément de brassage (9) a approximativement la forme d'un parallélépipède dont les arêtes supérieures sont taillées en biseau. 8) Dispositif selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que lesdits canaux (10) débouchent sur les portions biseautées de l'élément de brassage. 9) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'alimentation en gaz dudit élément de brassage (9) est effectuée au moyen d'une conduite (16) traversant la partie non perforée de la paroi réfractaire (12) surmontant l'élément de brassage (9) et débouchant dans la chambre d'arrivée de gaz (11). 10) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi réfractaire (12) comporte dans sa partie supérieure au moins une perforation située au-dessus du niveau maximal (131 atteint par le métal dans le répartiteur, destinée à rendre possible le passage du laitier de répartiteur d'un côté à l'autre de ladite paroi réfractaire (12).