Brevet FR2704786A3 — publié le 19941110

FR 2704786 A3 19941110 FR 9303870 A 19930330 PROCEDE DE COULEE CONTINUE EN CHARGE DES METAUX, NOTAIENT DE L'ACIER, ET LINGOTIERE POUR SA MISE EN OEUVRE La présente invention a trait à la coulée continue en charge des métaux, notamment de l'acier. L'opération de coulée continue consiste schématiquement comme on le sait, à verser un métal en fusion dans une lingotière essentiellement constituée d'un élément tubulaire sans fond définissant un passage pour le métal coulé, mais dont les parois, en cuivre ou plus généralement en alliage de cuivre, sont énergiquement refroidies par circulation d'eau, et de laquelle on extrait également en continu un produit déjà solidifié extérieurement sur plusieurs millimètres d'épaisseur. La solidification progresse ensuite vers l'axe du produit et s'achève au cours de la descente de celui-ci en aval de la lingotière dans la zone dite du "refroidissement secondaire" sous l'effet de rampes d'arrosage d'eau. Le produit obtenu(bloom, billette ou brame) est ensuite découpé à longueur, puis laminé avant expédition à la clientèle ou transformation sur place, en barres, fils, profilés, plaques, tôles, etc... Les défauts de surface ou sous-cutanés des produits issus de la coulée continue de l'acier peuvent être la cause de rebut, car l'opération de laminage les supporte mal, voire les amplifie jusqu'à dégrader de façon intolérable la qualité métallurgique des produits laminés. En coulée continue en lingotière verticale ou courbe (désignée ainsi par opposition aux lingotières de coulée continue horizontale qui elles sont directement connectées au récipient contenant le métal en fusion à couler), certains de ces défauts parmi les plus préjudiciables sont associés aux rides d'oscillation ou aux cornes solidifiées. On sait que l'apparition de tels défauts est principalement liée aux variations du niveau de la surface libre de l'acier liquide (appelée ménisque) dans la partie haute de la lingotière et à la première solidification du métal liquide qui s'initie juste sous le ménisque, au contact de la paroi froide en cuivre. Il est connu de lutter contre l'apparition de ces défauts en implantant directement sur le dessus de l'élément en cuivre de la lingotière une rehausse rigide en matériau réfractaire isolant de la chaleur prolongeant vers le haut le passage intérieur de la lingotière dans lequel est coulé le métal en fusion. Cette technique, désormais connue sous le nom de "coulée continue en charge" permet de reporter le ménisque en amont du début de la solidification, au niveau de la rehausse réfractaire avec la paroi de laquelle il vient au contact. De la sorte, si ce report est suffisant en distance (classiquement de 10, 15 cm), les variations en hauteur du ménisque n'ont plus d'effets sensibles sur la qualité de surface et sous cutanée des produits coulés. En outre, le volume de métal coulé contenu dans la rehausse sert de volume-tampon au sein duquel les turbulences d'écoulement qui se développent inévitablement sous l'effet du flux d'arrivée de métal sont amorties et n'ont donc plus d'effet au niveau de l'élément en cuivre où débute la solidification. On peut ainsi chercher à couler des produits de bonne qualité à vitesse d'extraction élevée. Cependant, la lubrification de la lingotière, qui est nécessaire pour éviter des collages de la croute solidifiée contre la paroi refroidie en cuivre, ne peut plus être effectuée directement depuis le ménisque, contrairement à la coulée continue classique. L'invention a pour but précisément d'assurer une lubrification correcte d'une lingotière de coulée continue en charge. Dans ce but, la présente invention a pour objet en premier lieu un procédé de coulée continue en charge des métaux en fusion, notamment de l'acier, dans une lingotière comprenant un élément tubulaire métallique, généralement en cuivre ou en alliage de cuivre, énergiquement refroidi, définissant un passage pour le métal en fusion et destiné à initier à son contact la solidification du métal coulé, procédé selon lequel on dispose sur ledit élément une rehausse en matériau réfractaire rigide thermiquement isolant qui prolonge vers le haut ledit passage, et en ce que, au niveau de la base de cette rehausse, on injecte un fluide lubrifiant dans le passage pour le métal en fusion selon le pourtour de la lingotière. L'invention a également pour objet une lingotière pour la coulée continue en charge des métaux, notamment de l'acier, comprenant un élément tubulaire métallique, généralement en cuivre ou en alliage de cuivre, énergiquement refroidi, définissant un passage pour le métal coulé, et destiné à initier à son contact la solidification du métal coulé et une rehausse en matériau réfractaire rigide thermoisolant disposée au-dessus de l'élément tubulaire et le prolongeant vers le haut, lingotière caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour injecter un fluide lubrifiant dans le passage pour le métal en fusion à la base de la rehausse réfractaire de façon homogène sur la périphérie de l'élément tubulaire. Ces moyens sont avantageusement constitués par une pièce métallique annulaire refroidie insérée entre la rehausse et l'élément tubulaire et pourvue d'un circuit d'injection d'un fluide de lubrification comportant un orifice de sortie dudit fluide (une fente continue de préférence), qui s'ouvre selon le pourtour de l'élément tubulaire. L'invention sera décrite plus en détail dans ce qui suit, en référence la figure unique annexée représentant schématiquement, en coupe longitudinale partielle, la partie haute d'une lingotière de coulée continue, conforme à une forme de réalisation de l'invention. Sur cette figure, on a représenté en 1 l'élément tubulaire en cuivre (refroidi par une lame d'eau 9) d'une lingotière de coulée continue en charge de l'acier. Cet élément est surmonté d'une rehausse 2 en matériau réfractaire rigide présentant des propriétés d'isolant thermique élevées, ici un mélange d'alumine et de silice à raison de 90 et 10 % en poids respectivement. L'élément 1 de la lingotière définit intérieurement un passage 3 pour le métal en fusion 4. Ce métal est apporté, depuis un répartiteur non représenté situé au-dessus, par une busette immergée 5 à ouïes de sortie latérales 6. Le produit coulé est extrait de la lingotière par le bas à une vitesse V telle que la surface libre 7, ou ménisque, du métal coulé en lingotière s'établit à un niveau moyen en hauteur situé dans la rehausse 2 à une dizaine de cm environ au-dessus de l'élément en cuivre 1. Le ménisque 7 est classiquement recouvert d'un laitier de couverture 8 formé à partir d'un apport régulier de poudre ou de granulés fondant à la température du métal liquide et ayant des propriétés de protection contre les pertes thermiques par rayonnement thermique et contre l'oxydation du métal en fusion. La solidification du métal en fusion 4 s'initie au contact de l'élément refroidi en cuivre 1 sous la forme d'une croûte solide périphérique 10 qui va croissant vers l'axe (a) du produit à mesure de son extraction par le bas de la lingotière. Comme on le voit, une pièce métallique annulaire 11 est insérée entre la rehausse réfractaire 2 et l'élément en cuivre 1. Cet insert 11 constitue l'organe destiné à réaliser, à l'interface produit coulé-lingotière, une injection de lubrifiant liquide (huile minérale généralement) qui débouche de façon homogène sur le pourtour intérieur de la lingotière. Cette injection homogène de lubrifiant est obtenue grâce à une chambre de répartition 12 alimentée en lubrifiant depuis une source extérieure non représentée par un ou plusieurs canaux d'amenée 13 (par exemple quatre, à raison de un par face de la lingotière). Cette chambre 12 alimente un orifice de sortie constitué par une fente annulaire continue 14 de faible épaisseur (0,1 à 0,2 mm) qui débouche à la surface intérieure de la lingotière juste en amont de l'élément en cuivre 1 pour y répartir le débit de lubrifiant 22 nécessaire à la lubrification. Dans l'exemple décrit, la fente 14 est définie par une portée 16 ménagée à la base de la périphérie intérieure de l'insert 11 et qui coopère avec une portée correspondante 17 prévue à l'extrémité supérieure de l'élément en cuivre 1. Ces deux portées planes sont maintenues l'une en face de l'autre à faible distance (0,1 à 0,2 mm) grâce à des picots 15 répartis le long de l'une ou l'autre portée et servant d'entretoise d' écartement calibrée. Une faible épaisseur de cette fente est nécessaire pour permettre à la tension superficielle du métal en fusion de contrecarrer la tendance qu'à celui-ci à pénétrer dans la fente sous la poussée ferrostatique et à ltobstruer en s'y figeant. On tiendra également compte de ce que la pression d'injection à la sortie de la fente 14 pour réaliser la lubrification doit être légèrement supérieure à la pression ferrostatique à l'endroit de la fente, et augmentée de la pression du dégagement gazeux, dans le cas d'huile, en raison du cracking thermique de celle-ci au contact du métal coulé. Par exemple, dans le cas d'une coulée d'une billette de format carré de 15 cm de côté, le débit d'huile à injecter pourra être de l'ordre 3 cm3/mn. Pour éviter des difficultés de tenue de l'insert 11 dues à l'agressivité thermique du métal en fusion 4 avec lequel il est mis au contact par sa surface intérieure 21, cet insert est de préférence en cuivre et refroidi. Comme on le voit, ce refroidissement est assuré par un circuit interne de circulation d'eau constitué par un canal annulaire 18 faisant le tour de l'insert et pourvu d'une entrée d'eau 19 et d'une sortie voisine non représentée placées de part et d'autre d'une cloison de séparation 20. A température d'entrée ambiante, un débit d'eau de l'ordre de 5m3/h est suffisant pour évacuer le flux de chaleur nécessaire au bon maintien de l'insert. Ce dernier, comme la rehausse 2, présentera de préférence un diamètre intérieur égal à celui de l'élément en cuivre 1, afin d'éviter de former dans le passage 3 du métal coulé des aspérités en relief ou en creux qui pourraient être nuisibles à la bonne exécution de l'opération de coulée. Par contre, la surface intérieure 21 de l'insert 11 qui, bien que de hauteur réduite à 1 ou 2 cm de préférence, peut avantageusement être revêtue d'un matériau moins thermoconducteur que le cuivre, par exemple en acier inoxydable, en nickel ou en céramique, afin de réduire la tendance du métal en fusion à débuter la solidification 10 à son contact. Pour la même raison, on peut aussi prévoir une rugosité particulière pour la surface 21. Comme on l'aura compris, l'invention permet d'injecter un lubrifiant 22 de manière homogène au bon endroit sur toute la périphérie d'une lingotière de coulée continue en charge. La solution conforme à l'invention présente en outre l'avantage de pouvoir considérer l'insert 11 comme une pièce d'usure qui peut être remplacée au besoin, sans interférer par conséquent sur la durée de vie de la lingotière. L'invention ne se limite pas à l'exemple décrit, mais peut présenter de nombreuses variantes de mise en oeuvre équivalentes dans la mesure où sont respectées les caractéristiques énoncées dans les revendications jointes. Ainsi, la fente 14 peut être remplacée par une pluralité de canaux radiaux disposés côte à côte et suffisamment proches les uns des autres pour assurer une arrivée de lubrifiant homogène selon le pourtour intérieur de la lingotière (par commodité, on conservera le terme de "fente" pour les désigner également). De même, le lubrifiant utilisé n'est pas nécessairement un liquide, mais peut être un fluide visqueux, voire pâteux, dans la mesure encore une fois où sa répartition autour de la lingotière à sa sortie de la fente 14 est suffisamment homogène pour assurer une lubrification régulière de toute la périphérie de la croûte solidifiée 10. De même encore, cette fente 14 continue, ou constituée d'une pluralité de canaux, peut être prévue à l'intérieur même du corps de l'insert 11, si des dispositions sont prises pour éviter qu'elle ne se pince ou se ferme par écrasement sous l'effet de la quantité de mouvement qutacquiert la masse de la rehausse lors des oscillations verticales habituelles de la lingotière. De même, une injection de gaz, de préférence chimiquement inerte à l'égard du métal coulé, par exemple de l'argon dans le cas de la coulée d'acier, peut être effectuée juste sous l'insert 11 de façon répartie selon le pourtour de la lingotière pour assurer un début de solidification franc au contact de l'élément tubulaire 1 sans liaison continue avec un éventuel voile solidifié déjà formé en amont. L'invention s'applique à tout produit coulé ou coulable en continu, quelque soit son format (billettes, blooms, brames). En particulier, sa mise en oeuvre n'est pas limitée à la coulée avec busette immergée et laitier de couverture, mais peut fort bien être utilisée en coulée en jet libre avec de préférence dans ce cas, la présence dans ce cas d'un manchon souple étanche à l'air reliant le haut de la rehausse au fond du répartiteur placé au-dessus pour éviter la réoxydation du métal en fusion. On comprendra cependant quten raison de sa nature même, l'invention est d'application réservée aux installations de coulée continue par gravité, c'est-à-dire dotées de lingotières verticales ou courbes, à l'exclusion de toute autre, notamment les lingotières pour coulée continue horizontale. Toutefois, par élément tubulaire refroidi (référence 1 sur la figure), il faut entendre non seulement un tube monolithique pour la coulée de blooms ou de billettes rondes ou quadrangulaires, ou un conduit constitué par assemblage de plaques pour la coulée de formats allongés comme les brames, mais il faut également entendre par exemple deux cylindres tournant en sens opposés en regard l'un de l'autre pour couler directement des bandes minces, ou tout autre forme de lingotière à parois accompagnantes. REVENDICATIONS 1) Procédé de coulée continue des métaux en fusion, notamment de l'acier, dans une lingotière comprenant un élément tubulaire métallique (1) énergiquement refroidi définissant un passage (3) pour le métal coulé (4), et destiné à initier à son contact la solidification (10) du métal coulé, selon lequel on dispose sur ledit élément (1) une rehausse thermiquement isolante (2) qui prolongeant vers le haut ledit passage et constituée de matière réfractaire rigide pour être capable de contenir du métal en fusion coulé, caractérisé en ce que, au niveau de la base de ladite rehausse, on injecte un lubrifiant (22) dans le passage (3) pour le métal coulé (4) selon le pourtour de la lingotière. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme lubrifiant, un lubrifiant à l'état liquide. 3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce au-dessus de l'injection du lubrifiant, on injecte un gaz sous pression dans le passage (3) pour le métal coulé et de manière répartie autour de la lingotière. 4) Lingotière pour la coulée continue en charge des métaux en fusion, notamment de l'acier, comprenant - un élément tubulaire métallique (1) énergiquement refroidi définissant un passage (3) pour le produit coulé (4) et destiné à provoquer à son contact le début de la solidification (10) du métal de fusion, - une rehausse (2) en matériau réfractaire rigide à propriété thermoisolante disposée au-dessus de l'élément tubulaire (1) en le prolongeant vers le haut, lingotière caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des moyens (11) pour injecter un fluide lubrifiant dans le passage (3) pour le métal en fusion à la base ladite rehausse (2) selon le pourtour de la lingotière. 5) Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens pour injecter un fluide lubrifiant sont constitués par un insert métallique refroidi (11) de forme annulaire logé entre la rehausse réfractaire (2) et l'élément tubulaire (1) et pourvu, ou définissant, un orifice de sortie (14) de lubrifiant débouchant sur le pourtour inférieur de la lingotière. 6) Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'insert métallique (11) comporte intérieurement une chambre (12) de répartition du lubrifiant dans l'orifice de sortie (14) et pourvue d'au moins un canal d'entrée (13) relié à une source extérieure de fluide lubrifiant. 7) Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'insert métallique (11) comporte un circuit de refroidissement interne (18,19,20) par circulation d'un fluide refroidissant. 8) Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'insert (11) est en cuivre. 9) Lingotière selon la revendication 5 ou 8, caractérisée en ce que la surface intérieure (16) de l'insert (11) est revêtue d'un matériau à propriétés de conduction de la chaleur atténuées par rapport au métal dont il est constitué. 10) Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour injecter sous l'insert (11) un gaz réparti selon le pourtour intérieur de la lingotière dans le passage (3) pour le métal coulé.