Brevet FR2700283A1 — publié le 19940713

BUSETTE IMMERGEE POUR LA COULEE CONTINUE DES METAUX L'invention concerne le domaine de la coulée continue des métaux, notamment de l'acier. Elle a trait plus particulièrement à une busette immergée assurant l'introduction du métal liquide dans la lingotière. Dans la coulée continue de l'acier, l'acier liquide contenu initialement dans la poche de coulée s'écoule d'abord dans un récipient intermédiaire, le répartiteur. Le fond du répartiteur est pourvu d'un ou de plusieurs orifices situés chacun à l'aplomb d'une lingotière de l'installation de coulée continue. Par cet orifice, un jet d'acier s1 écoule et pénètre dans la lingotière sans fond à parois énergiquement refroidies, à l'intérieur de laquelle sa solidification s1 initie. Cette solidification s'achève ensuite à l'air libre dans la partie inférieure de la machine de coulée. Dans la grande majorité des cas, sur son parcours entre le répartiteur et la lingotière, le jet d'acier liquide est protégé par un tube en matériau réfractaire (par exemple en alumine graphitée) dont l'extrémité supérieure est connectée au fond du répartiteur, et dont l'extrémité inférieure plonge à l'intérieur du métal liquide en lingotière. Les rôles de ce tube, dit "busette immergée", sont de protéger le jet de métal liquide contre l'oxydation et la nitruration par l'air ambiant, de limiter son refroidissement en arrêtant son rayonnement, et d'amener le métal liquide dans la lingotière sous la couche de laitier de couverture afin d'éviter que le métal et le laitier ne forment une émulsion, de manière à prévenir l'entraînement dans le métal de particules de laitier.La configuration de la partie inférieure de la busette immergée peut prendre de multiples variantes en fonction de la forme de la section du produit coulé (circulaire pour les ronds, carrée ou faiblement rectangulaire pour les blooms et les billettes, rectangulaire à grand rapport longueur/largeur pour les brames) et de sa taille, et également des mouvements que l'on cherche à imposer au métal liquide à l'intérieur de la lingotière. On rencontre ainsi des busettes dites "droites", constituées d'un simple tube entièrement ouvert à son extrémité inférieure. On rencontre également des busettes dont l'extrémité inférieure est obturée et qui sont pourvues d'une multiplicité d'ouïes ménagées dans la paroi latérale de la busette.Ces ouïes peuvent être orientées horizontalement, ou obliquement en direction de la surface du métal en lingotière (dite "ménisque") ou de la partie inférieure de la lingotière. On a également proposé (voir le document JP 1266950) une busette droite elle-même pourvue de petites ouïes latérales. En coulée de brames, la configuration la plus fréquente est une busette munie de deux ouïes latérales tournées chacune vers une petite face de la lingotière. La stabilité des écoulements du métal liquide à l'intérieur de la lingotière apparaît de plus en plus comme étant l'un des critères essentiels qui gouvernent la qualité du produit obtenu et la fiabilité du processus industriel. Un régime d'écoulement piston à l'intérieur de la lingotière avec une alimentation proche du ménisque serait le cas idéal, mais les busettes actuellement utilisées ne permettent pas de s'en approcher suffisamment. Avec une busette droite, le métal pénètre verticalement dans la lingotière à très grande vitesse et cela crée des turbulences défavorables qui se prolongent très bas dans le puits liquide, où elles entraînent profondément les inclusions présentes dans le métal. De ce point de vue, les busettes à ouïes latérales sont préférables.Toutefois elles ne permettent pas d'obtenir une très bonne stabilité des écoulements, dans la mesure où une grande partie du métal qui y transite va d'abord heurter violemment le fond de la busette avant de rebondir et de perturber l'écoulement du métal passant directement par les ouïes latérales. Ces perturbations sont elles-mêmes très instables dans le temps, car la busette n'est pour ainsi dire jamais en charge (c'est-à-dire totalement remplie de métal) et le jet a tendance à y tournoyer de manière anarchique ou à osciller d'une ouïe à l'autre. Du fait de ces perturbations, le métal s'écoulant par les ouïes ne remplit qu'imparfaitement celles-ci, et en sort avec une vitesse plus élevée que celle qui serait théoriquement définie par le diamètre nominal des ouïes. Il est alors projeté violemment contre la paroi de la lingotière et se divise en diverses boucles de recirculation.On obtient ainsi des écoulements en lingotière irréguliers, bien différents de l'écoulement piston idéal et causant notamment des irrégularités du niveau du ménisque très défavorables à la qualité de surface du produit coulé. Ces phénomènes ne font que s'accentuer au fil de la coulée, car des inclusions non-métalliques initialement contenues dans l'acier liquide s'accumulent sur le fond de la busette (zone appelée "cuvier" lorsqu'elle est en forme de cuvette et qu'elle s'étend en dessous des orifices internes des ouïes), et élèvent progressivement son niveau. Pour obtenir des écoulements plus réguliers, on peut envisager de recourir à des moyens d'action extérieurs sur le métal liquide, tels qu'un brasseur électromagnétique ou un frein électromagnétique. Ces moyens sont cependant coûteux, et pour le dernier, par encore totalement au point. Le but de l'invention est de proposer un moyen simple de régularisation des écoulements du métal dans la lingotière, utilisable sur toute machine de coulée continue équipée d'une busette à ouïes latérales. A cet effet, l'invention a pour objet une busette immergée pour la coulée continue des métaux liquides, notamment de l'acier, formée par un tube en matériau réfractaire obturé à son extrémité inférieure par un fond et comportant une pluralité d'ouïes ménagées sur la paroi latérale dudit tube, caractérisée en ce que le fond dudit tube comporte au moins un trou de fuite pour le passage de l'acier liquide, et en ce que la surface totale desdits trous de fuite est comprise entre 0,015 et 0,5 fois la section de passage intérieure du tube, préférentiellement entre 0,015 et 0,15 fois cette section de passage. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à ménager dans le fond de la busette au moins un trou de fuite qui permet à une partie du métal parvenant jusqu'à lui de s'écouler dans la lingotière. La fonction des ces trous de fuite est d'atténuer le phénomène de remontée du métal liquide qui vient heurter le fond de la busette, et de dissiper une partie de l'énergie du métal s'écoulant dans la busette, en permettant l'écoulement d'une fraction du débit de métal par le fond de la busette. On obtient ainsi un meilleur remplissage de la section des ouïes latérales, ce qui minimise la vitesse de sortie du métal liquide. Cela permet de régulariser et de calmer les écoulements du métal dans la partie supérieure de la lingotière. On observe également une diminution de l'encrassement progressif des ouïes par des dépôts d'inclusions. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux figures annexées suivantes - la figure 1 qui représente schématiquement vue en section longitudinale un exemple de busette immergée selon l'Art Antérieur plongeant dans une lingotière de coulée continue - la figure 2 qui représente dans les mêmes conditions un exemple de busette immergée selon l'invention. Sur la figure 1 on voit le fond 1 du répartiteur contenant l'acier liquide 2. Celui-ci s'écoule du répartiteur à travers une busette de sortie 3 ménagée dans une brique de siège 4 insérée dans le fond 1 du répartiteur. La busette immergée 5 est plaquée par des moyens connus non représentés contre le fond 1 du répartiteur et connectée à la brique de siège 3 d'une manière aussi étanche que possible, ou lui est incorporée de construction. Elle amène l'acier liquide 2 dans une lingotière sans fond 6 dont les parois (7,7') sont énergiquement refroidies et initient la solidification du métal liquide 2. On a ainsi représenté la peau solidifiée 8 qui se forme contre les parois (7,7') et croît en épaisseur au fur et à mesure que le produit est extrait de la lingotière 6. Cette extraction est symbolisée par la flèche 9. Le métal liquide 2 présent dans la lingotière 6 est surmonté par une couche de laitier de couverture 10 qui le protège de l'atmosphère ambiante, arrête son rayonnement et s'infiltre entre la peau solidifiée 8 et les parois (7,7') de la lingotière en lubrifiant leur contact. Classiquement, ce laitier peut être remplacé par une couche d'huile de lubrification. La busette immergée 5 selon l'Art Antérieur représentée à titre d'exemple sur la figure 1 est une busette à deux ouïes latérales orientées vers le bas, classiquement utilisée en coulée continue de brames. Elle comprend ainsi un tube réfractaire 11, par exemple en alumine graphitée, de section transversale sensiblement circulaire. Ce tube 11 est obturé à son extrémité inférieure par un fond 12, et le métal liquide 2 en provenance du répartiteur s'échappe de la busette 5 par deux ouïes (13,13') tournées chacune vers l'une des parois (7,7') de la lingotière 6. Dans la configuration représentée, ces ouïes (13,13') sont de plus orientées vers le bas de la lingotière.Une quenouille 14 pouvant osciller verticalement selon l'axe de la busette de sortie 3 du répartiteur assure de manière connue le réglage du débit du métal liquide 2 sortant du répartiteur, en fonction du niveau du ménisque 15 désiré dans la lingotière et de la vitesse de coulée. En variante, ce réglage peut être assuré, de manière également connue, par un dispositif à tiroir interposé entre le fond du répartiteur 1 et la partie supérieure de la busette immergée 5. Les écoulements du métal 2 résultant de cette configuration peuvent être modélisés par des essais sur maquette hydraulique en appliquant la théorie des similitudes. Une telle modélisation montre que, pendant la coulée, la busette immergée 5 telle qu'elle vient d'être décrite est rarement en charge, car le débit de métal liquide 2 est généralement réglé par la quenouille 14 à une valeur inférieure au débit maximal admissible.De plus les fréquentes oscillations de la quenouille 14 perturbent la régularité de l'écoulement du métal. Ces perturbations sont encore accentuées lorsqu'une insufflation de gaz neutre est pratiquée à l'intérieur de la busette 5 afin d'éviter l'oxydation du métal liquide par de l'air qui s'infiltrerait soit au niveau de la connexion entre la busette 5 et le fond 1 du répartiteur, soit par les porosités du tube réfractaire 11. De plus, dans la configuration représentée de l'extrémité inférieure de la busette 5, avec les ouïes (13, 13') inclinées vers le bas, on note la présence d'un espace 16, dit "cuvier", entre les bords inférieurs des orifices internes des ouïes (13,13') et le fond 12 de la busette. La profondeur de cet espace peut atteindre quelques dizaines de mm.Ce cuvier 16 constitue un lieu privilégié pour le dépôt des inclusions non-métalliques contenues dans l'acier liquide, et se comble progressivement au fur et à mesure que se forme le dépôt d'inclusions 17. Cette formation du dépôt 17 introduit une perturbation supplémentaire dans les écoulements du métal 2 hors de la busette 5 théoriquement prévus. Le résultat est que les ouïes (13,13') ne sont qu'imparfaitement remplies par le flot principal de métal. Cela équivaut pratiquement à une réduction importante de la surface de sortie disponible pour le métal, et à débit constant (imposé par l'ouverture de la quenouille 14), le métal sort de la busette 5 à une vitesse trop élevée et va heurter les parois (7,7') de la lingotière. Les écoulements se divisent alors en boucles de recirculation ascendantes (19,19') et descendantes (20,20'). Les boucles ascendantes (19,19') viennent lécher la poudre de couverture 10 et déforment le ménisque 15. I1 y a alors un risque de réentrainement de la poudre 10 au sein du métal coulé, ce qui détériore sa propreté. D'autre part, la solidification de la peau 8 devient irrégulière, et la qualité de surface du produit coulé est elle aussi dégradée. Les boucles descendantes (20,20') viennent lécher la peau solidifiée 8 et perturbent également sa formation.Enfin, on observe dans la partie supérieure des ouïes (13,13') la formation de dépôts d'inclusions (21,21') qui contribuent eux aussi au bouchage progressif des ouïes (13,13') et accentuent les phénomènes dont il vient d'être question. Ces inclusions sont issues du métal qui traverse les ouïes (13,13') à faible vitesse en dehors du flot principal, et proviennent également des courants de recirculation qui amènent à l'intérieur des ouïes (13,13') du métal qui a léché la poudre de couverture 10 et s'y est chargé en inclusions. La figure 2 représente l'installation de la figure 1 équipée d'un exemple de busette selon l'invention (les éléments communs aux deux figures y sont désignés par les mêmes repères). La busette 5 a son fond 12 percé d'un trou de fuite 18 de diamètre sensiblement plus faible que le diamètre intérieur de la busette 5, par lequel peut s'écouler une fraction du métal liquide 2 présent dans la busette 5. Grâce à ce trou de fuite, une partie de l'énergie du jet de coulée est dissipée hors de la busette 5, puisque le rebond de l'acier liquide 2 sur le fond 12 est diminué. La régularité des écoulements dans la busette s'en trouve améliorée et la vitesse moyenne du métal diminuée.Le résultat est que le flot principal du métal 2 s'écoulant hors de la busette 5 remplit une fraction nettement plus importante de la section des ouïes (13,13') que dans le cas précédent, ce qui diminue la vitesse de sortie du métal. Les turbulences des écoulements dans la lingotière 6 sont donc nettement amoindries et les jets de métal sortant des ouïes (13,13') s'évasent doucement au lieu d'être orientés violemment contre les parois (7,7') de la lingotière 6. On n'observe ainsi plus les graves perturbations au niveau du ménisque 15, et les écoulements dans la partie inférieure de la lingotière 6 sont eux aussi exempts des recirculations (20,20') que l'on observait avec la busette classique. On se rapproche ainsi davantage de l'écoulement piston que l'on désire idéalement obtenir. Les dépôts d'inclusions dans le fond de la busette sont, d'autre part, considérablement diminués, ce qui garantit un fonctionnement de la busette à conditions constantes sur une plus longue période. De plus, les ouïes (13,13') étant à présent complètement remplies par du métal s'écoulant à sa vitesse normale en direction des parois (7,7') de la lingotière 6, en n'observe plus de dépôts anormaux d'inclusions dans la partie supérieure des ouïes (13,13'). Enfin lorsqu'on insuffle du gaz dans la busette 5, son mélange avec le métal liquide s'effectue de manière plus uniforme, ce qui améliore la stabilité de l'écoulement et la protection du métal contre l'air infiltré. Le trou de fuite 18 doit être suffisamment grand, afin d'une part d'avoir une influence significative sur la dissipation d'énergie à l'intérieur de la busette 5 et d'autre part de limiter les risques de son bouchage par les inclusions. Mais inversement, un trou de fuite 18 d'une taille excessive conduirait à envoyer une fraction trop importante de métal liquide dans la région axiale de la lingotière 6, et on s'éloignerait ainsi des conditions d'un écoulement piston telles qu'on les recherche. De plus on risquerait de retomber dans le défaut que l'on cherchait à éviter, à savoir un mauvais remplissage des ouïes (13,13') par le flot de métal liquide 2 qui s'en échapperait. Pour éviter un bouchage du trou de fuite 12, son diamètre minimal doit être de 5 mm. Pour une résolution satisfaisante des problèmes d'hydrodynamique, si la busette 5 a une section intérieure égale à So, la surface du trou de fuite 18 doit être comprise entre 0,015 So et 0,5 So. Préférentiellement, cette surface est comprise entre 0,015 So et 0,15 So. L'invention se distingue ainsi nettement de la busette du document JP 1266950, où le trou central de la busette a un diamètre égal au diamètre intérieur de la busette et représente la principale voie de sortie pour le métal liquide. Les petites ouïes latérales ne sont là que pour créer une possibilité de retour à l'intérieur de la busette d'une fraction du métal de la lingotière. I1 est également possible de prévoir, au lieu d'un trou de fuite 12 unique, une pluralite de trous de fuite dont la somme des surfaces serait comprise entre 0,015 So et 0,5 So, et dont chacun aurait un diamètre supérieure ou égal à 5 mm. On a alors avantage à les disposer le plus loin possible des ouïes, afin de réduire l'importance des zones mortes au fond du cuvier. L'invention peut être utilisée avec profit sur toute busette immergée pourvue d'ouïes latérales, quels que soient le nombre et les orientations de celles-ci et le format du produit coulé (y compris, par exemple, les produits plats de très faible épaisseur coulés entre deux cylindres rotatifs refroidis). Elle est particulièrement efficace lorsque la busette comporte un cuvier de quelques dizaines de mm de profondeur. Mais elle est aussi applicable aux busettes connues munies d'un fond conique protubérant, ou d'un fond plat situé au ras du bord inférieur des ouïes. A titre d'exemple, de très bons résultats ont été obtenus avec une busette présentant les caractéristiques suivantes, installée sur une coulée continue de brames d'acier - diamètre extérieur du tube 11 : 120 mm - diamètre intérieur du tube 11 : 80 mm - diamètre des ouïes (13,13') : 80 mm - ouïes orientées vers le bas, avec leur axe incliné de 35 par rapport à l'horizontale - profondeur du cuvier 16 (mesurée entre le bord inférieur des ouïes (13,13') et le fond 12) : 10 mm ; - diamètre du trou de fuite : 16 mm. Les autres conditions de coulée étaient - dimensions de la lingotière : 1300 x 220 mm - vitesse de coulée : 1,6 m/min. Bien entendu, l'invention est applicable à la coulée continue de tout métal liquide, et pas seulement de l'acier. REVENDICATIONS 1) Busette immergée (5) pour la coulée continue des métaux liquides, notamment de l'acier, formée par un tube (11) en matériau réfractaire obturé à son extrémité inférieure par un fond (12) et comportant une pluralité d'ouïes (13,13') ménagées sur la paroi latérale dudit tube (11), caractérisée en ce que le fond (12) dudit tube (11) comporte au moins un trou de fuite (18) pour le passage du métal liquide, et en ce que la surface totale desdits trous de fuite (18) est comprise entre 0,015 et 0,5 fois la section de passage intérieure du tube (11). 2) Busette immergée (5) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la surface totale desdits trous de fuite (18) est comprise entre 0,015 et 0,15 fois la section de passage intérieure du tube (11). 3) Busette immergée (5) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdits trous de fuite (18) ont chacun un diamètre minimal de 5 mm. 4) Busette immergée (5) selon l'une des revendications 1 à 3 , caractérisée en ce qu'elle comporte un cuvier (16) ménagé à son extrémité inférieure en dessous des orifices internes desdites ouïes (13,13').