Brevet FR2677565A1 — publié le 19921218

PROCEDE D'AUGMENTATION DE LA PRODUCTION D'UNE LIGNE DE COULEE CONTINUE D'ACIER. La présente invention est reLative à La technique de couLée continue des aciers, et concerne L'augmentation de La production que L'on peut tirer d'une Ligne de couLée continue grâce à la mise en oeuvre de conditions de refroidissement particuLièrement efficaces. On sait que La technique de couLée continue d'acier consiste à extraire en continu et de façon contrôLée d'une Lingotière refroidie par un fLuide de refroidissement en circuLation et aLimentée en continu par de Acier Liquide un produit en cours de soLidification comportant une couche extérieure de métaL soLidifiée en Lingotière. Le reste du metaL extrait, encore à L'état Liquide se soLidifie progressivement en totaLité de ta surface jusqu'au coeur du produit sous L'effet d'un refroidissement secondaire agissant à ta surface du produit au cours de L'extraction. Des moyens de coupe disposés à un empLacement où Le produit est totaLement soLidifié permettent de sectionner Le produit à intervaLLes de temps bien définis. On obtient ainsi des Longueurs bien définies de produit. La couLée continue concernée par L'invention peut être de tout type connu par exempte droite verticaLe, courbe, horizontaLe, rotative et servir à La production de tout type connu de produits comme par exempLe des produits de section ronde, carrée ou rectanguLaire, ceux-ci étant dans toutes Les nuances d'acier couLabLes de façon connue en continu. Du fait de L'augmentation de La production horaire des instaLLations de fusion et d'affinage des aciéries et notamment du fait des grands progrès réaLisés par Les affinages hors four de fusion Le tonnage horaire d'aLimentation des Lignes de couLée continue existantes ne cesse d'augmenter. IL est toutefois impossibLe d'augmenter La production d'une Ligne en augmentant simplement La vitesse d'extraction du produit car on ne Laisse pas au métaL Liquide contenu dans te produit extrait de La Lingotière Le temps nécessaire pour une soLidification compLète, soLidification qui est nécessaire pour pouvoir sectionner Le produit. Pour augmenter La production d'une instaLLation de couLée continue et suivre ainsi La cadence de L'aciérie on est amené soit à modifier considérabLement, en L'aLLongeant du côté extraction, La structure des Lignes de couLée existantes soit à construire des Lignes de couLée suppLémentaires Dans tous Les cas ceci conduit à des investissements très importants et à un coût d'expLoitation accru. On a égaLement déjà cherché à modifier Les conditions du refroidissement secondaire en cours d'extraction qui est généraLement assuré par une projection d'eau en substituant à L'eau un méLange eauair sous pression. On espérait ainsi obtenir un refroidissement pLus énergique de La surface du produit extrait du fait notamment de La taiLLe pLus réduite des gouteLettes d'eau obtenues par atomisation de L'eau dans LXair Cette technique n'a pas conduit à des résuLtats notabLement meiLLeurs que la technique de refroidissement traditionneLLe. IL ne faut par aiLLeurs pas perdre de vue que toute augmentation de La production d'une ligne de coulée continue ne doit pas se faire au détriment de La quaLité des produits coulées, en particuLier de Leur santé interne et de Leur quaLité de peau. Le but de La présente invention est de proposer un procédé simpLe, efficace et très économique pour augmenter de façon substantieLLe La production, qui peut être par exempLe mesurée en Tonnes/heure, d'une Ligne de couLée continue. Un autre but de La présente invention est de permettre pour une couLée continue donnée d'augmenter de façon substantieLLe La vitesse d'extraction des produits coulés sans pour autant détériorer ni La qualité de surface des produits, ni Leur qualité métaLLurgique interne. Encore un autre but de L'invention est de rapprocher de La Lingotière La zone située sur L'axe d'extraction du produit où se situe Le point de fermeture du puits de métaL Liquide ou front de soLidification commençante ainsi que Le point de fermeture du puits de soLidification finissante. SeLon L'invention Le procédé permet d'augmenter La vitesse d'extraction d'un produit dans une Ligne de couLée continue d'acier. Sur cette Ligne de couLée continue, La Lingotière est suivie dans Le sens d'extraction du métaL par au moins une zone de refroidissement secondaire où se poursuit La soLidification du métaL coulée, qui a été initiée en lingotière, par contact d'un fLuide refroidissant avec La surface du produit en cours d'extraction. SeLon L'invention on règLe la pression du fLuide refroidissant issu des moyens de refroidissement de façon que la température de surface dudit produit respectivement entre L'entrée (Tse) et La sortie (Tss) de Ladite zone de refroidissement secondaire soit teLLe que Le coefficient d'échange thermique moyen h pour cette zone de refroidissement secondaire soit au moins égaL à 0,050 caL/cm2.s. K. Le coefficient d'échange thermique moyen h est défini dans La suite de La description. Dans tout Le texte Les températures seront exprimées en Kelvin. Avantageusement Le fLuide de refroidissement choisi sera de L'eau. On donne ci-dessous à titre d'exempLe non Limitatif un mode de caLcuL cLassique, résuLtant de L'appLication des équations de La chaleur, du fLux thermique extrait de La surface extérieure du produit Lors d'une opération de couLée continue. Sur La figure 1 est représenté le produit (1) en cours d'extraction ou dans La Lingotière sur une Ligne de couLée continue. IL s'agit ici d'un produit à section rectanguLaire ayant pour faces Xl, X2, X3, X4. On a égaLement positionné seLon Les axes de symétrie du produit et seLon L'axe d'extraction un système de coordonnées rectanguLaires de référence Oxl - 0x2 - 0x3. On considère une tranche élémentaire de produit (2) seLon 0x3 d'épaisseur dx3 qui se dépLace seLon 0x3 à La vitesse d'extraction (en cm/sec) dx3 V = ------- , t étant le temps en secondes dt Cette tranche, suivant son étant thermique peut être å La fois soLide, soLide + Liquide ou Liquide En prenant comme hypothèse que Les échanges thermiques seLon L'axe x3 d'extraction sont négLigeables, Le transfert de chaLeur par conduction dans La tranche (2) peut s'écrire : dans LaqueLLe : : T = température d'un voLume éLémentaire (3) de La tranche éLémentaire (2) # = # = conductivité thermique du métaL en caLfcm x s # = masse voLumique du métaL en g/cm3 c = chaLeur specifique du métaL en caL/g K t = temps en secondes bien connue des thermiciens dans LaqueLLe Par aiLLeurs par raison de symétrie on peut raisonner sur un quart du produit La condition X T /# x1 = O pour tous les points situés sur L'axe 0x2 et de même # T/ # x2 = O pour tous Les points situés sur L'axe 0x1 étant satisfaite Pour caLcuLer T à partir de (a) il faut connaître Les conditions aux Limites qui sont A) Pour t=o (départ de La coulée et du caLcuL) correspondant à la tranche de produit incLuant La surface du métat Liquide en Lingotière. T = To température de L'acier Liquide arrivant en Lingotière. B) Pour Les tranches de produit qui sont en Lingotière soit pour L O V (L = hauteur d'acier en Lingotière et V vitesse d'extraction du produit en cm/s), Le flux moyen de chaLeur #xi extrait à travers La surface perpendiculaire à Xi (Xi = X1 ou X2 ou X3 ou X4) s'écrit pour une face Xi donnée. étant exprimé en caL/cm2.sec. avec Qxi = débit massique d'eau de refroidissement de la Lingotière pour La face Xi en g/s, Ce = chaLeur spécifique de L'eau en cal/cm3 K # #xi = échauffement de L'eau passant dans la Lingotière pour la face Xi en K, Sxi = surface de La Lingotière en contact avec Le métal coulé selon La face Xi en i pouvant prendre successivement Les valeurs 1 à 4 correspondant aux 4 faces du produit (1) C) Dans le cas où La ligne de coulée comporte une zone non refroidie, par exempLe entre deux zones de refroidissement secondaire ou entre La sortie de ta Lingotière et l'entrée dans une zone de refroidissement secondaire, si sa longueur est supérieure ou égale à 100 mm on utilise avantageusement pour cette zone non refroidie comme conditions aux Limites du fLux extrait de la surface du produit en une zone éLémentaire (4) de La surface perpendicuLaire aux faces X1, X2, X3, X4 et contenu dans La tranche élémentaire (2) pour t correspondant au passage de la tranche (2) dans cette zone avec i prenant les va Leurs 1, 2, 3, 4 et = émissivité de la surface. = constante de Stephan en cal/cm2.sec.K4 Tsxi = température de surface de La zone élémentaire (4) en K TA = température ambiante en K D) Pour Les tranches de produits qui sont dans la j ème zone de refroidissement secondaire (iL peut y avoir plus d'une zone de refroidissement secondaire et en général j pourra prendre Les valeurs 1 ou 2) de Longueur selon Ox3 Lj (cm) dont le commencement est situé à La distance Dj (cm) du ménisque liquide, t est tel que Dj lj + Dj V V Le flux de chaleur en une zone élémentaire (4) de la surface perpendiculaire aux faces X1, X2, X3, X4 ) xij extrait de la surface du produit s'exprime par (e) 0 xij = hxij (Tsxij - Tej) avec i = î à 4 pour chacune des faces et hxij = coefficient d'échange moyen de La zone j pour la face perpendiculaire Xi en cal/cm2.s. K ; hxij est pris constant sur L'ensemble de la zone de refroidissement secondaire j et c'est ce coefficient h, coefficient d'échange thermique moyen, qui intervient dans Les caractéristiques de base de L'invention telle qu'exposée précédemment, que L'on veut calculer. Il sera par La suite désigné simplement h par souci de simplification. Tsxij = température de La surface de La zone élémentaire (4) perpendiculaire à la face Xi contenue dans la tranche (2) considérée de la zone j de refroidissement en K, Tej = température moyenne du fluide de refroidissement (eau) de La zone j de refroidissement prise à la sortie des buses de refroidissement en K. L'équation (a) est aLors résoLue de façon connue par voie numérique en utiLisant par exemple la méthode des différences finies, le temps et Les distances selon 0x3 étant divisés en intervalles discrets. Une information sur ce type de calcul est donnée par exemple dans L'article de J.K. Briacombe et aL Steelmaking Proceedings volume 63. Washington DC 1980 p 235 à 252. Avantageusement on recale le modèle au moins sur la température d'entrée de La zone j dont on veut calculer h avec précision en mesurant cette température de surface par tout moyen connu. On connaît par ailleurs par construction de la ligne de coulée, par mesure ou par référence à des tables de données \ , C, P , To, L, V, Qxi, Cet Oxi, Sxi, Dj, lj, Tej. Pour calculer h qui selon L'invention doit être supérieur ou égal à 0,050 on opère par itérations successives en entrant des valeurs de h dans l'équation (e) et en résolvant l'équation (a) à l'aide des conditions aux limites exposées précédemment et notamment de l'équation (e) Cette résolution permet d'obtenir des valeurs calculées de Tsxij que l'on compare aux températures mesurées en un point donné du produit à La surface du produit à l'entrée et à la sortie de La zone de refroidissement secondaire j par exempLe une température au milieu des surfaces du produit à ce niveau. On répète L'opération jusqu'à concordance entre températures calculées et températures mesurées. Dans le cas d'une coulée continue de ronds, les formules ci-dessus se simplifient et Le calcul peut se faire en coordonnées cylindriques, la résolution de L'équation de la chaleur devenant mono-dimensionnelle. L'invention se caractérise par Le choix d'une pression du fluide de refroidissement dans La zone de refroidissement secondaire qui soit teLLe que combinée avec les autres paramètres de régLage de la couLée continue on obtienne pour cette zone de refroidissement secondaire un coefficient d'échange thermique moyen h au moins égal à 0,050 cal/cm2.s. K. Les autres paramètres sont constitués notamment par la géométrie et la disposition des moyens de projection du fluide de refroidissement qui est en général de l'eau par rapport à La surface du produit de coulée continue Ces moyens de refroidissement sont géneralement disposés à demeure sur l'installation de coulée continue si bien que l'effet du refroidissement, à pression donnée, sera variable d'une dimension de produit coulé à une autre. L'invention consiste, en jouant sur la pression, à toujours travaiLler avec un coefficient h moyen au moins égal à 0,050 cal/cm2.s. K quels que soient par tailleurs les autres paramètres de la coulée. La pression à la sortie des moyens de refroidissement sera avantageusement régLée entre 12 et 25 bars relatifs - La zone de refroidissement secondaire de L'invention peut être unique ou suivie d'au moins une autre zone. Dans ce cas Le refroidissement effectué sur cette autre zone peut être un refroidissement effectué dans les mêmes conditions que la zone de refroidissement de L'invention. Toutefois en général, on se contentera d'effectuer dans cette autre zone un refroidissement classique et moins énergique, avec des pressions de fLuide pLus basses. On a aLors sur cette autre zone de refroidissement un coefficient h d'échange thermique moyen de La zone qui peut par exempLe varier entre 0,01 et 0,03 cal/cm2.s.K. La zone de refroidissement secondaire de L'invention se trouve toujours à proximité plus ou moins grande de la Lingotière et elle est avantageusement constituée par La zone de refroidissement secondaire existant de façon connue et classique sur toute Ligne-de couLée continue. Cette zone aura avantageusement, pour des produits de coulée continue à section carrée, rectangulaire ou ronde une longueur mesurée parallèlement au produit coulé fonction de La section effective des produits coulés qui peut par exemple varier entre 0,8m et 2,20 m. Les conditions définies ci-dessus permettent sur une Ligne ou une installation de coulée continue donnée, en réglant la valeur de h à des valeurs comprises entre 0,050 à 0,075 cal/cm2.s.K d'augmenter la vitesse d'extraction du produit coulé dans des proportions importantes allant par exemple de plus 10 % à plus 30 x de la valeur de service normale, ceci tout en conservant la qualité de peau et la qualité interne des produits. IL en résulte bien entendu une productivité de la ligne de coulée continue qui est augmentée dans les mêmes proportions. L'invention sera expliquée maintenant à l'aide d'un exemple d'application et de figures correspondantes. La figure 1 représente une portion de produit couLé en continu de section rectangulaire dans Laquelle on a figuré une tranche de matière. La figure 2 représente une Ligne de coulée continue selon le procédé de coulée continue rotative pour la production de produits ronds sur laquelle L'invention est mise en oeuvre. La figure 1 a dejà été expLiquée pour le calcul du coefficient d'échange thermique moyen h. La figure 2 représente de façon schématique une Ligne de couLée continue selon le procédé de coulée continue rotative. Un tel procédé qui est en soit connu est par exempLe décrit dans Revue de métallurgie CIT, Février 1981 pages 119-135 et permet de fabriquer des produits de section circulaire de grande qualité. La Ligne s 'détend de la Lingotière 20 au plan de coupe 21 par la scie 22. A La sortie de La lingotière dans Le sens d'extraction est instaLLée une zone de refroidissement secondaire Z1 fonctionnant selon L'invention Les moyens de refroidissement sont constitués de 6 rampes d'alimentation 24 disposées annulairement autour du produit couLé 23, sur lequel les sont branchés des gicleurs 25 disposés en quinconce et dirigés vers Le produit 23. La longueur totale hi de cette zone de refroidissement est de 120 cm et elle est alimentée en eau sous pression par l'alimentation 31, te surpresseur 26 et la canalisation 27, la pression au droit des gicLeurs pouvant varier entre 2 bars et 30 bars Cette zone Z1 est immédiatement Logée sous La Lingotière 20. La Ligne comprend également une deuxième zone Z2 de refroidissement secondaire. Les moyens de refroidissement sont constitués de façon analogue à la zone Z1 de 4 rampes d'alimentation 28 sur Lesquelles sont branchés des gicLeurs 29 disposés en quinconce et dirigés vers Le produit 23. Ces gicleurs sont aLimentés en eau par l'alimentation 31 et la canalisation 30 qui peut être mise en pression par Le surpresseur 26. Cette zone Z2 a une longueur h2 de 136 cm et est positionnée à une distance d de 100 cm au-dessous de La zone ZI. Afin de bien contrôLer La valeur de h on mesure Les températures en fonctionnement stabilisé à la surface du produit coulé à l'entrée et à la sortie des zones Z1 et Z2 en des points déterminés comme expLiqué précédemment. Compte tenu de La position de La scie 22, on détermine La vitesse d'extraction possible du produit dans la ligne de façon à effectuer ta coupe immédiatement après ta fermeture du puits de solidification finissante. Cette vitesse d'extraction varie avec les conditions de refroidissement pratiquees sur Les zones de refroidissement secondaire et particulièrement de ta zone Zi. On utilise l'installation seLon La figure 2 pour produire des ronds pleins de diamètre 177 mm en aciers de différentes compositions. Dans Les conditions normales d'exploitation de la ligne de coulée continue la zone Z1 est alimentée par une pression en eau au droit des gicleurs 25 de 8 à 10 bars relatifs. La zone Z2 est alimentée à des pressions de l'ordre de 2,5 à 3,5 bars retatifs. On constate par des mesures de températures effectuées sur produit que dans ces conditions le coefficient d'échange moyen h de la zone ZI est de L'ordre de 0,020 à 0,025 cal/cm2.s.K, ceLui de La zone Z2 est de l'ordre de 0,010 à 0,020 cal/cm2.s.K. La vitesse d'extraction est aLors au maximum de 1,75 m/minute. On appLique alors le procédé selon L'invention sur la même ligne. On règle alors La pression d'alimentation au droit des gicleurs 25 de La zone Z1 à des pressions variant entre 12 et 25 bars relatifs, les pressions d'alimentation de la zone Z2 restant les mêmes que précédemment Dans ces conditions, on obtient un coefficient moyen d'échange h de la zone Z1 compris entre 0,055 et 0,075 cal/cm2.s.k, le coefficient moyen de La zone Z2 étant inchangé et on peut extraire Le produit de coulée continue à une vitesse d'autant plus grande que Le coefficient h de La zone Z1 est grand a savoir VaLeurs de valeur de h la vitesse d'extraction (cal/cm2 .s.K) (m/minute) 0,055 à 0,060 1,83 0,060 à 0,065 1,90 0,070 2,00 0,075 2,20 Soit une augmentation de productivité pour la ligne allant de 4,5 % à 25 X à partir d'une vitesse d'extraction moyenne de 1,75 m/min. Les produits conservent par aiLLeurs une excellente peau et une bonne santé interne comme ceLa a pu être établi par des coupes prélevées régulièrement en cours de coulée et confirmé par leur transformation ultérieure en tubes par les laminoirs à percer et lamineur les tubes habituels. On constate que te phénomène de refroidissement que traduit le coefficient d'échange moyen h de la zone Z1 est d'une part variable d'un produit d'une section donnée à un produit d'une autre section et d'autre part subit des variations discontinues pour un produit de section donnée en fonction de la pression d'injection de l'eau de refroidissement Cela montre que L'augmentation de productivité pour une installation donnée est bien liée à la pression par une relation complexe fonction notamment des moyens de projection de l'eau de refroidissement et de Leur géométrie et des conditions de couLée en particulier de La température de coulée Selon L'invention, le choix de La pression de L'eau de refroidissement est tel que l'on garantisse un coefficient h substantiellement supérieur à tout ce qui existe sur Les instalLations actuellement en service ou décrites dans la littérature. IL est à noter par ailleurs que Les consommations d'eau à la tonne de produit coulé restent constantes pour La Ligne de coulée de la figure 2, ceci maLgré L'augmentation de La vitesse d'extraction. Cette information prouve là aussi que selon Le procédé, à partir du moment où La quantité d'eau de refroidissement utilisée est suffisante, Le paramètre important est bien la pression d'injection et non la quantité d'eau injectée. REVENDICATIONS 1) Procédé d'augmentation de la vitesse d'extraction d'un produit dans une Ligne de coulée continue d'acier, dans lequel la lingotière est suivie dans le sens d'extraction du métal par au moins une zone de refroidissement secondaire (Z1) où se poursuit La solidification de métal coulé, solidification qui a été initiée en Lingotière, par contact d'un fluide refroidissant issu de moyens de refroidissement avec La surface du produit en cours d'extraction caractérisé en ce que L'on règle la pression du fluide de refroidissement à la sortie des moyens de refroidissement de façon que la température de surface dudit produit respectivement entre l'entrée (Tse) et la sortie (Tss) de Ladite zone de refroidissement secondaire soit telle que le coefficient d'échange thermique moyen h pour cette zone de refroidissement secondaire soit au moins égal à 0,050 cal/cm2.s.K. 2) Procédé selon La revendication 1 caractérisé en ce que te coefficient h est compris entre 0,050 et 0,075 cai/cm2.s.K. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le fLuide refroidissant est de l'eau. 4) Procédé selon L'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que Les moyens de refroidissement sont constitués par des gicleurs disposés à proximité du produit. 5) Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la pression à La sortie des moyens de refroidissement du fluide de refroidissement est comprise pour une ligne de couLée continue déterminée et suivant Les dimensions du produit coulé entre 12 et 25 bars relatifs. 6) Procécé selon La revendication 1 caractérisé en ce que La zone de refroidissement secondaire est suivie d'une deuxième zone de refroidissement secondaire située dans le sens de L'extraction à proximité de La première zone. 7) Procédé seLon La revendication 6 caractérisé en ce que L'on règle Les conditions de refroidissement de La deuxième zone de façon à avoir un coefficient d'échange thermique moyen pour cette zone compris entre 0,01 et 0,03 cal/cm2.s.K. 8) Procédé seLon L'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la coulée continue est une coulée courbe. 9) Procédé seLon L'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que La coulée continue est une coulée continue rotative. 10) Procédé selon L'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la coulée continue est une coulée continue horizontale.