Brevet FR2721241A1 — publié le 19951222

BUSETTE DE COULEE COMPORTANT UNE CHEMISE INTERNE APTE A FORMER UNE COUCHE IMPERMEABLE AU GAZ ET PROCEDE DE MISE EN OEUVRE Dans la coulée en continu de l'acier, des pièces de matériau réfractaire sont utilisées pour canaliser et réguler l'écoulement de l'acier liquide et pour le protéger de la réoxydation lorsqu'il s'écoule d'une poche vers un répartiteur et du répartiteur vers un moule de coulée en continu. Le matériau réfractaire est soumis à des conditions d'utilisation sévères. Il subit des contraintes thermiques, une érosion par l'acier, une oxydation, et d'une manière générale toutes les réactions qui résultent d'interactions entre les constituants du matériau réfractaire et de l'acier. Les matériaux réfractaires utilisés contiennent généralement du carbone. De manière fréquente ils utilisent une liaison carbone et sont composés d'un ou plusieurs oxydes réfractaires tel que l'alumine, la zircone, I'argile, la magnésie, la silice, le carbure de silicium ou d'autres grains denses. Ces réfractaires contiennent aussi généralement des quantités significatives de carbone sous la forme de graphite, de graphite amorphe, de noir de carbone et une quantité supplémentaire de carbone provenant du liant utilisé. En outre, les réfractaires sont recouverts d'une couche d'émail interne et externe qui permet d'éviter l'oxydation du matériau réfractaire durant le préchauffage et l'utilisation en formant une couche imperméable aux gaz. L'invention concerne une busette pour la coulée d'acier, cette busette comportant un corps réalisé en un matériau réfractaire contenant du carbone dans lequel est ménagé un canal d'écoulement pour l'acier. Elle s'applique notamment à la coulée d'acier entre une poche et un répartiteur de coulée en continu, et à la coulée d'acier entre un répartiteur et un moule de coulée en continu. Elle concerne également un procédé de préchauffage d'une busette selon l'invention. On connaît dà (EP 2 695 848) une busette de coulée de métal qui comporte un corps en matériau réfractaire dans lequel est ménagé un canal d'écoulement du métal en fusion. La busette comporte une chambre annulaire disposée autour du canal à proximité de la périphérie de ce canal et s'étendant à peu près sur toute sa longueur. La chambre est raccordée à des moyens de mise en dépression. Elle forme un écran à la migration des produits gazeux vers le canal d'écoulement. La busette peut comporter également une chemise en un matériau réfractaire sans carbone interposée entre la périphérie du canal et la chambre mise en depression. La dépression est maximale dans la zone localisée autour de la chambre annulaire. Mais, lorsqu'on s'éloigne de cette chambre, le réseau complexe de la porosité entraîne des pertes de charge importantes. Par suite, la dépression chute, ce qui limite considérablement l'évacuation des gaz formes. Il est donc très difficile d'eliminer les gaz à proximité directe de la zone de contact du réfractaire avec l'acier liquide. La présente invention a pour objet une busette pour la coulée d'acier qui remédie à ces inconvénients de l'art antérieur. Cette busette doit permettre d'empêcher totalement les échanges gazeux entre le matériau réfractaire constituant le corps de la busette et l'acier. En outre, elle doit être aise à fabriquer et d'un coût de revient peu èleve. Ces buts sont atteints conformément à l'invention par le fait que la busette comporte une chemise interne revêtant partiellement ou totalement le canal de coulée. Cette chemise est apte à former une couche frittée oxydée dense et imperméable aux gaz lorsqu'elle est portée à une température supérieure à lOOO C. Grâce à la présence d'une couche imperméable au gaz les réactions entre composés chimiques, particulièrement gazeux, qui peuvent se former à haute température dans le matériau réfractaire constituant le corps de la busette et dans l'acier liquide ne sont plus en contact direct et ne peuvent donc réagir. On remédie de ce fait à un grand nombre d'inconvénients des busettes de coulée de l'art antérieur tels que par exemple les phénomènes de bouchage qui se produisent lorsque le monoxyde de carbone réduit certains eSéments présents dans l'acier liquide à la surface du canal d'écoulement de l'acier et provoque sur cette surface la précipitation d'oxydes en particulier d'oxyde d'alumine. Les dépôts d'oxydes bouchent progressivement le canal de la busette, ce qui perturbe la régulation et réduit fortement sa durée d'utilisation. Par le fait que, selon l'invention, les échanges gazeux entre le corps réfractaire de la busette et l'acier sont empêchés, les phénomènes de bouchage connus antérieurement sont réduits de manière très importante. La présence d'une couche dense et imperméable présente encore d'autres avantages. Elle réduit les phénomènes de corrosion. En effet, dans les aciers à haute teneur en oxygène, la corrosion du matériau réfractaire est généralement accelrée par l'attaque de la liaison carbone par l'oxygène dissout en quantité importante. Elle réduit aussi la dégradation de la propreté de l'acier qui se produit en général par une reprise d'azote par passage d'air à travers le matériau réfractaire. Une couche dure et dense sans carbone évite de tels phénomènes. De préférence la chemise de la busette est constituée d'un matériau réfractaire comportant des précurseurs de frittage. Ces précurseurs sont destinés à favoriser le phénomène de frittage, c'est-à-dire de liaison de grain à grain. Il permet au frittage de se produire à une température plus basse et de s'exécuter en une durée plus courte. Ces précurseurs de frittage sont choisis notamment dans le groupe comprenant l'alumine calcinée, l'alumine calcinée réactive, la fumée de silice, les argiles. De préférence la chemise est réalisée en un matériau comportant au plus 9 % en poids de carbone, y compris le carbone contenu dans le liant utilisé. Idéalement le carbone total n'excédera pas 5 % en poids total. La chemise peut être constituée par un insert fabriqué séparément du corps puis assemblé à ce corps. Elle peut être également copressée en même temps que le corps de la busette. De préférence, on utilise un même liant pour lier le matériau constituant le corps de la busette et le matériau constituant la chemise. L'utilisation d'un même liant apporte une plus grande facilité de fabrication particulièrement dans le cas où la busette est copressée. En effet, dans ce dernier cas, il serait très difficile, voire impossible de copresser une busette en utilisant deux liants différents. Selon un mode de réalisation préfére, le matériau de la chemise comporte des agents de réduction de la perméabilité. Ces agents sont de préférence choisis dans le groupe constitué par les additions métalliques et particulièrement le silicium, le borax, le carbure de silicium, le carbure de bore, le nitrure de bore. Ces agents de réduction de la perméabilité ont pour but de créer une couche à perméabilité réduite qui s'ajoute à la couche dense oxydée imperméable au gaz formée par frittage de la paroi du canal de coulée. Dans une réalisation préférée, la chemise est constituee d'au moins 80 % d'alumine et n'est pas recouverte d'émail. Elle possède une épaisseur inférieure à 10 mm et l'épaisseur de la couche dense frittée imperméable au gaz est inférieure à 5 mm. L'invention concerne en outre un procédé de mise en oeuvre d'une busette selon l'invention. Selon ce procédé, on forme une couche dense, frittée et imperméable aux gaz à la surface du canal de coulée durant l'étape de préchauffage. De préférence l'étape de préchauffage s'effectue en portant la busette à une température de 1000oC en moins de 20 mn. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit, exemples de réalisation donnés à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux figures annexées. Sur ces figures la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une busette de coulée conforme à la présente invention - les figures 2 et 3 sont des vues partielle à échelle agrandie d'une partie des busettes représentées sur les figures l et 2 - la figure 4 est un schéma qui illustre le mode de préchauffage préféré utilise pour la création d'une couche dense frittée imperméable au gaz dans une busette conforme à la présente invention. la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une variante de réalisation d'une busette de coulée conforme à l'invention; La busette de coulée représentée sur la figure 1 est destinée à être placée sous un répartiteur. Elle peut être fixe sous ce répartiteur en position fixe, par exemple cimentée dans une brique de siège ou par l'intermédiaire d'un mécanisme à baïonnette ou analogue. Elle peut également être placée dans une machine de changement de tube qui permet, de manière connue, de remplacer rapidement un tube par un autre. La busette comporte un corps désigné par la référence 2, une partie supérieure par laquelle l'acier liquide pénètre dans un chenal de coulée 4 qui traverse la busette de part en part. Dans l'exemple de réalisation représenté le métal liquide s'écoule par des ouïes 6 disposées latéralement par rapport au corps. Enfin, de manière connue, la busette de coulée comporte une manchette 8 réalisée en un matériau résistant à l'érosion par la poudre de couverture du moule de coulée. Cette manchette sera placée au niveau de l'acier dans le moule de coulée en continu où de la poudre de couverture flotte sur l'acier liquide. Les deux ouïes 6 débouchent sous le niveau du métal de façon à éviter tout contact avec l'air. Le corps 2 de la busette est réalisé en un matériau réfractaire traditionnel par exemple un matériau comportant de 20 à 30 % de carbone et un ou plusieurs oxydes réfractaires tel que l'alumine, la zircone, la silice, la magnésie, etc... Le corps 2 est revêtu extérieurement d'une couche d'émail 3 qui a pour but d'éviter l'oxydation du matériau réfractaire durant le préchauffage et l'utilisation. L'intérieur du canal de coulée 4 est constitué d'un matériau réfractaire comprenant une teneur basse en graphite. La perte au feu totale de ce matériau est inférieure à 9 %. Cela signifie que lorsque ce matériau est oxydé durant l'étape de préchauffage de la busette, le graphite qu'il contient et le carbone contenu dans le liant représentent 9 % ou moins du poids de réfractaire. En outre, la chemise 10 comporte une quantité importante d'un oxyde réfractaire tel que l'alumine. Cette quantité est au moins égale à 80 %. Enfin, le matériau constituant la couche 10 comporte des précurseurs de frittage, notamment l'alumine calcinée, l'alumine calcinée réactive, la fumée de silice ou les argiles. Les précurseurs de frittage sont des grains de petite taille, c'est-à-dire des grains dont la surface spécifique est grande. Par suite la surface de contact entre les grains est augmentée. L'alumine calcinée présente une surface spécifique importante et l'alumine calcinée réactive une surface spécifique encore plus importante. La fumée de silice produit une réfaction alumine-silice pour créer de la mullite. La densification de la chemise s'opère alors par mullitisation. Les systèmes de type argile crée également des liaisons céramiques à une température relativement basse de l'ordre de 1000 à il 00 C. Grâce à la présence de l'un ou plusieurs de ces précurseurs de frittage on peut créer à une température relativement basse, par exemple 10000 C, une liaison de type grain à grain entre les grains d'alumine (liaison ceramique). Cette couche est dense, dure et possède des pores de faible diamètre. Elle est donc imperméable au gaz. Cette couche est formée de préférence durant le préchauffage de la busette. L'opération de préchauffage permet d'oxyder le carbone contenu dans la chemise 10 et ainsi de l'eliminer. On obtient de ce fait une couche sans carbone à la surface du canal d'écoulement 4 de la busette. Il convient toutefois de remarquer que, contrairement aux tentatives observées antérieurement, cette couche sans carbone possède une faible épaisseur. A titre d'exemple, si l'épaisseur de la chemise est de 10 mm, l'épaisseur de la couche décarburée sera typiquement de 3 mm, et au maximum de 5 mm. On constate ainsi qu'une partie importante de l'épaisseur de la chemise n'est pas décarburée pendant le préchauffage. En fait, durant cette opération, on observe deux phénomènes simultanées. D'une part l'oxydation du carbone qui augmente la perméabilité du matériau de la chemise dans une proportion d'autant plus importante que la teneur en carbone est plus grande. C'est la raison pour laquelle, de manière générale, la teneur en carbone du matériau de la chemise ne doit pas être élevée et en tous cas elle ne doit pas être supérieure à 9 %. D'autre part, parallèlement à l'oxydation du carbone s'effectue le phénomène de frittage qui tend au contraire à créer une couche imperméable qui s'oppose à la poursuite de la décarburation vers l'intérieur du matériau réfractaire. Pour que la busette fonctionne de façon satisfaisante il est nécessaire que le frittage de la couche superficielle l'emporte rapidement sur son oxydation. C'est la raison pour laquelle on a prévu les précurseurs de frittage qui ont été mentionnes précédemment et qui ont pour but de le faciliter et de l'acce1érer. Il est possible de réaliser la chemise 10 séparément du corps de la busette 2 puis de l'insérer dans ce corps. Toutefois ce n'est pas ce procédé qui a été utilisé pour la realisation de la busette représentée sur la figure l. Cette dernière a en effet été réalisée par le procédé dit de copressage isostatique. Deux mélanges, l'un correspondant à la composition du corps 2 de la busette, l'autre à celle de la chemise 10 ont été placés simultanément dans un moule déformable comprenant un mandrin axial destiné à former un évidement correspondant au chenal de coulée 4. L'ensemble a été soumis à un pressage isostatique. Un même liant a été utilisé pour le corps 2 et pour la chemise 10. L'utilisation d'un même liant est un grand avantage parce qu'elle permet de donner une cohésion plus grande à la pièce et assure une meilleure liaison entre le corps 2 et la chemise 10. On a représenté sur les figures 2 et 3 une partie de la busette de la figure 1 avant l'opération de préchauffage (figure 2) et après le préchauffage (figure 3). Sur la figure 2 on distingue la couche 2 correspondant au corps et la couche 10 correspondant à l'épaisseur de la chemise avant le préchauffage. Sur la figure 3 la couche 2 formant le corps est restée identique. En revanche la couche 10 se décompose désormais en une couche loa qui constitue la couche dense frittée oxydée imperméable au gaz décrite précédemment et une couche lob qui n'a pas été oxydée parce qu'elle a été protégée de l'oxydation par la couche lova. Sa composition est donc restée identique à la composition initiale qu'elle avait antérieurement au préchauffage. On constate par conséquent que la busette, qui au départ était constituée seulement de deux couches distinctes, se compose maintenant de trois couches différentes. De préférence, on inclut encore des agents de réduction de la perméabilité dans la chemise 10. Ces agents d'imperméabilité sont par exemple le silicium métal, le borax, le carbure de bore (B4C), le nitrure de bore (BN). Ces agents ont pour but de réduire la perméabilité de la couche lob de manière à former une barrière supplémentaire pour s'opposer à la circulation des gaz entre l'acier liquide circulant dans le chenal de coulée 4 et le corps du matériau réfractaire 2. On a représenté sur la figure 4 un graphique qui illustre la façon correcte de préchauffer une busette de l'invention. Selon la courbe A on a grevé rapidement la température de la busette à une température au moins égale à 1000oC. Cette température a été mesurée dans le matériau réfractaire à l'intérieur du canal 4. Ceci a été effectué en une durée inférieure à 20 mn. En effet, comme on l'a expliqué antérieurement, deux phénomènes se produisent simultanément durant le préchauffage, d'une part l'oxydation de la couche carbonée et d'autre part la création d'une couche dense frittée. Si la couche dense frittée imperméable l0a représentée sur la figure 3 ne se forme pas rapidement, l'oxydation se poursuivra dans toute l'épaisseur de la chemise 10 et pourra également atteindre le corps 2. Pour que ceci ne se produise pas il est nécessaire d'atteindre rapidement la température de frittage, c'est-à-dire une température au moins égale à 1000 C comme on l'a schématisé sur la figure 4. Il est donc nécessaire que la puissance des brûleurs utilisés pour le préchauffage soit suffisante pour permettre d'atteindre rapidement cette température. La courbe B illustre une montée en température trop lente. La température de 1000 C nécessaire pour que le frittage puisse s'effectuer dans de bonnes conditions n'est atteinte qu'après une durée trop longue, nettement supérieure à 20 mn. Dans ces conditions la décarburation de la chemise 10 s'est produite de manière excessive et il ne sera pas possible d'obtenir une couche suffisamment étanche. Sur la courbe C la montée en température est rapide mais la température maximale atteinte reste inférieure à 1000 C. En conséquence, dans ce cas également, le frittage de la couche tOa ne se produira pas dans de bonnes conditions. On a représenté sur la figure 5 une variante de réalisation de la busette de la figure 1. La différence réside dans le fait que la chemise 10 ne recouvre pas totalement le canal de coulée 4. La partie supérieure de la busette, appelée zone de siège, la partie inférieure du canal 4 et les ouïes ne sont pas recouvertes par la chemise 10. En outre, de manière classique la busette de l'invention peut être recouverte extérieurement d'une couche d'émail permettant d'éviter l'oxydation du matériau réfractaire durant le préchauffage et l'utilisation. Toutefois cette couche d'émail ne doit pas être présente sur la chemise 10 car elle empêcherait son oxydation pendant le préchauffage et donc sa densification superficielle qui est un effet recherché conformément à la présente invention afin de créer une couche dense frittée comme on l'a expliqué antérieurement. REVENDICATIONS 1. Busette pour la coulée d'acier, ladite busette comportant un corps (2) realisé en un matériau réfractaire comportant du carbone, dans lequel est ménagé un canal d'écoulement (4) pour l'acier, caractérisé en ce qu'elle comporte une chemise interne (10) revêtant partiellement ou entièrement le canal de coulée (4), cette chemise de coulée (10) étant apte à former une couche (10a) frittée dense oxydée et imperméable aux gaz lorsqu'elle est portée à une température supérieure à 1000 C. 2. Busette selon la revendication t caractérisé en ce que la chemise (10) est constituée d'un matériau réfractaire comportant des précurseurs de frittage. 3. Busette selon la revendication 2 caractérisé en ce que les précurseurs de frittage sont choisis dans le groupe comprenant l'alumine calcinée, l'alumine calcinée réactive, la fumée de silice, les argiles. 4. Busette selon l'une quelconque des revendications l à 3 caractérisé en ce que la chemise est réalisée en un matériau comportant au plus 9 % en poids de carbone. 5. Busette selon l'une quelconque des revendications l à 4 caractérisé en ce que la chemise est constituée par un insert fabriqué séparément du corps (2) puis assemblé à ce corps (2). 6. Busette selon l'une quelconque des revendications l à 4 caractérisé en ce que la chemise est copressée avec le corps (2) de la busette. 7. Busette selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'un même liant est utilisé pour le matériau constituant le corps (2) de la busette et le matériau constituant la chemise (lu). 8. Busette selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le matériau de la chemise (10) comporte des agents de réduction de la perméabilité. 9. Busette selon la revendication 8 caractérisé en ce que les agents de réduction de la perméabilité sont choisis dans le groupe comprenant les additions métalliques, particulièrement le silicium, le borax, le carbure de silicium, le carbure de bore, le nitrure de bore. 10. Busette selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la chemise (10) est constituée d'au moins 80 % d'alumine. 11. Busette selon l'une quelconque des revendications l à 10 caractérisé en ce que la chemise (10) n'est pas recouverte d'émail. 12. Busette selon l'une quelconque des revendications l à 11 caractérisé en ce que la chemise possède une épaisseur inférieure à 10 mm. 13. Busette selon l'une quelconque des revendications l à 12 caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche (10) dense frittée imperméable est inférieure à 5 mm. 14. Procédé de mise en oeuvre d'une busette selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'on forme une couche dense, frittée et imperméable au gaz (lova) à la surface du canal de coulée (4) durant l'étape de préchauffage. 15. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que l'étape de préchauffage s'effectue en portant la busette à une température de 1000oC en moins de 20 mn.