Brevet FR2747062A1 — publié le 19971010

Lingotière de coulée continue pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux. La présente invention concerne la Coulée Continue des métaux, notamment de l'acier. Elle a trait plus spécifiquement à la technique dite de "Coulée Continue en Charge Verticale". Les premiers écrits semblent avoir été publiés sur cette technique déjà vers la fin des années soixante, dont le document FR-A-2 000 365 est un bon exemple. On sait depuis lors qu'elle se distingue de la Coulée Continue Verticale Classique, aujourd'hui très largement répandue dans le monde, essentiellement par le fait que l'élément "actif" de la lingotière, à savoir l'élément tubulaire métallique énergiquement refroidi, dans lequel doit s'initier et croître la solidification du métal coulé, est surmonté par une rehausse thermo-isolante devant contenir à l'état liquide le métal en fusion délivré par un répartiteur situé à faible distance au-dessus. Cet élément "actif" est classiquement un tube, fait d'une seule pièce (coulée de billettes et de "blooms") ou de plaques assemblées (coulée de brames ou gros "blooms"). II est en cuivre, ou en alliage de cuivre, énergiquement refroidi par une intense circulation d'eau contre sa paroi extérieure afin de pouvoir extraire un flux de chaleur suffisant pour assurer la solidification du métal en fusion mis au contact de sa paroi intérieure. Ces deux éléments contigüs, éventuellement alignés intérieurement, définissent un passage continu calibrant pour le métal coulé qui y entre en fusion par le haut et y sort par le bas sous forme d'une croûte solide venant de la solidification périphérique du métal coulé au contact de la paroi froide du corps de lingotière et enfermant un coeur encore liquide. La solidification se poursuit alors jusqu'à son terme dans la partie inférieure de la machine de coulée à l'aide de rampes d'arrosage. L'avantage primordial recherché par la Coulée Continue en Charge Verticale réside dans le fait que l'on parvient ainsi à éloigner la surface libre du métal coulé en lingotière (le "ménisque"), laquelle se situe alors au sein de la rehausse réfractaire, de l'endroit où naît nécessairement la solidification du métal coulé dès le premier contact avec la paroi froide du corps de lingotière, c'est-à-dire au niveau de l'arête de l'extrémité supérieure de l'élément en cuivre. On vise ainsi à couler en continu des demi-produits de meilleure qualité métallurgique et avec des vitesses d'exraction élevées, voire plus élevées qu'en Coulée Continue Classique, car le processus de solidification s'initie alors dans un environnement calme au plan de l'hydrodynamique, toutes les turbulences, notamment celles causées par l'arrivée du métal en fusion, restent confinées dans le volume tampon offert par la rehausse réfractaire. Par ailleurs, on ne connaît pas d'inconvénients majeurs à cette technique par rapport à la Coulée Continue Classique, dont elle peut être vue comme une évolution, sans rupture technologique significative. On peut sans difficultés particulières aménager une machine de Coulée Continue Classique en une machine de Coulée Continue en Charge, puisque le répartiteur notamment, bien que placé à faible distance audessus, reste non mécaniquement lié à la lingotière. Pourtant, alors que les premières publications sur la Coulée Continue en Charge de l'acier sont contemporaines de la naissance industrielle de la Coulée Continue Verticale, et que cette dernière a reçu l'extraordinaire développement que l'on connaît (plus de 80% de la production d'acier mondiale est réalisée aujourd'hui par Coulée Continue), la Coulée Continue en Charge Verticale demeure toujours à ce jour sans concrétisation industrielle connue. Les essais menés par les demandeurs ont permis de mettre à jour un problème majeur, qui peut expliquer cette absence de sanction industrielle I'instabilité dans le temps de la géométrie à l'interface "élément en cuivre refroidi-rehausse réfractaire". Cette géométrie en effet se dégrade par déformation de l'extrémité supérieure de l'élément refroidi. En Coulée Continue Verticale Classique, les déformations sont provoquées par des remontées intempestives de métal liquide pouvant aller jusqu'à des débordements hors de la lingotière. Elles sont rarement conséquentes à l'égard de la poursuite de la coulée. En Coulée Continue en Charge, au contraire, en raison du report du ménisque en amont de l'élément refroidi, la situation est en permanence analogue à celle du type "débordement". Les déformations de l'extrémité supérieure de l'élément en cuivre, là précisément où s'initie la solidification du métal coulé, deviennent alors rédhibitoires (infiltrations du métal en fusion sous la rehausse, défaut d'alignement avec la rehausse... L'invention a précisément pour but d'éviter les déformations thermomécaniques de l'extrémité supérieure de l'élément refroidi en cuivre au cours de la coulée. A cet effet, I'invention a pour objet une lingotière de Coulée Continue pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, de l'acier en particulier, comprenant un élément métallique tubulaire (en cuivre ou alliage de cuivre) refroidi notamment par circulation d'eau contre sa paroi extérieure et destiné à assurer la solidification périphérique du métal coulé, au contact de sa paroi intérieure et une rehausse non refroidie, en matériau réfractaire thermo-isolant surmontant l'élément métallique refroidi destiné à contenir du métal coulé à l'état liquide et définissant avec lui un passage calibrant continu pour le métal coulé, lingotière caractérisée en ce qu'un anneau métallique, refroidi par circulation annulaire interne de fluide de refroidissement, est rapporté entre l'élément métallique tubulaire et la rehausse thermo-isolante, et dont la paroi intérieure est alignée avec ledit élément tubulaire métallique de manière à respecter le caractère continu du passage offert par la lingotière au métal coulé. De préférence, cet anneau est fait du même métal que l'élément tubulaire refroidi, c'est-à-dire en cuivre ou alliage de cuivre. De préférence encore, cet anneau est monté amovible de manière à pouvoir être aisément remplacé. Conformément à une variante de réalisation avantageuse, L'anneau comporte un circuit de refroidissement interne constitué par une chambre de circulation annulaire d'un fluide de refroidissement qui longe la paroi intérieure de l'anneau sur le pourtour de la lingotière, et de préférence au voisinage immédiat de cette paroi. Comme on l'aura sans doute déjà compris, I'invention consiste donc dans ses caractéristiques essentielles à insérer entre le tube de lingotière et la rehausse réfractaire, un corps froid, I'anneau, lequel constitue en fait un prolongement du tube, mais ayant son propre circuit de refroidissement, et dont la relative faible hauteur (par rapport à celle du tube) permet une efficacité de refroidissement jusqu'au niveau de ses extrémités, bien supérieure à ce que pourrait faire au mieux le système de refroidissement du tube à l'égard de l'arête de son extrémité supérieure tournée en regard de la rehausse. Pour fixer les idées, le tube d'une lingotière de coulée continue fait habituellement 0.7 à 1.0 mètre de long, alors que l'anneau selon l'invention présente, par exemple, 4 à 10 centimètres de haut. Au point de vue du processus de coulée, cela revient à translater le plan de démarrage de la solidification au niveau de l'arête supérieure de l'anneau. Autrement dit, pour assurer la fonction de démarrage de la solidification, on substitue à l'élément tubulaire refroidi de la lingotière un anneau autonome, de préférence démontable, également refroidi, mais dont l'effet de refroidisssement à ses extrémités est naturellement plus efficace en raison de sa faible hauteur comparativement à celle de l'élément tubulaire principal de la lingotière et donc de la possibilité d'y installer une lame d'eau de refroidissement circulant horizontalement et non plus verticalement. Dans ce dernier, en effet, les contraintes technologiques du circuit de refroidissement (chemise à eau reliant deux chambres à ses extrémités), liées à la nécessité d'assurer en priorité un refroidissement intense sur toute sa hauteur utile pour y extraire le flux de chaleur global considérable qu'impose la progression de la solidification périphérique du métal coulé qui le parcourt tout du long, atteignent en contrepartie leur limite de possibilité à empêcher une déformation des extrémités du tube si la température à ces endroits s'élève au niveau de celle de l'acier en fusion. L'invention surmonte cet obstacle au moyen d'un corps rapporté, également intensément refroidi, mais de faible hauteur de sorte à pouvoir y installer une circulation horizontale du fluide de refroidissement et assurer ainsi à la fois un refroidissement efficace de sa propre arête supérieure au contact de la rehausse réfractaire pour empêcher sa déformation à cet endroit au contact du métal en fusion, et de l'extrémité supérieure du tube de la lingotière avec lequel il est en contact étroit par sa face inférieure. L'invention sera bien comprise et d'autres aspects et avantages ressortiront plus clairement au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple de réalisation en référence à la planche unique de dessins annexée sur laquelle - la figure 1 montre schématiquement, en coupe verticale, la partie supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale d'acier selon la conception habituelle de l'art antérieur connu - la figure 2 est une vue partielle agrandie de la partie haute d'une machine du type précité mais montrant dans le détail la conception selon l'invention, selon un mode de réalisation le plus complet. Sur les figures, les mêmes éléments sont désigné par des références identiques. En se rapportant sur la vue générale de la figure 1, on voit que la partie supérieure d'une machine de Coulée Continue en Charge Verticale d'acier est constituée, dans le sens d'extraction du métal à produire, c'està-dire du haut vers le bas sur la figure, d'un répartiteur 1 (ou "tundish") contenant un bain de métal en fusion 2, qu'il distribue à une (ou plusieurs) lingotière 3 placée en-dessous au moyen d'un (ou plusieurs) orifice de sortie prolongé par une busette guide 20. La lingotière comprend, comme on le voit, un élément tubulaire en cuivre 4 énergiquement refroidi par circulation d'eau le long de sa face extérieure. Classiquement, une chemise en acier 5 est prévue à cet effet, autour et à faible distance du tube 4, pour canaliser une lame d'eau à circulation verticale 21. La chemise 5 présente à ses extrémités des ouvertures 22 qui mettent la lame d'eau 21 en communication avec une chambre d'introduction 6 et avec une chambre d'évacuation 7, délimitées par un manteau 8 entourant à distance la chemise 5. L'élément tubulaire interne 4 est surmonté d'une rehausse 9 en matériau réfractaire non refroidi, dont la paroi intérieure est de préférence alignée avec celle du corps 4 (et en tous cas, pas en retrait). Au plan du processus de coulée, le montage, "élément métallique refroidi 4 surmonté par la rehausse réfractaire isolante 9", définit un passage calibrant pour le métal coulé dont la partie supérieure 12 au sein de la rehausse constitue une zone-tampon, de confinement des perturbations hydrodynamiques provoquées par l'arrivée du jet 11 de métal en fusion dans la lingotière, et dont la partie inférieure 13, qui la prolonge, est une zone de solidification du métal coulé. Cette solidification, comme on le voit, s'initie dès le premier contact de l'acier coulé avec la paroi intérieure du corps en cuivre refroidi 4, à savoir sur l'arête supérieure 14 de celle-ci, et se poursuit vers l'aval en formant une croûte solide 15 dont l'épaisseur croît de la périphérie vers le centre. A la sortie de la lingotière, la croûte 15, épaisse d'un peu plus d'un centimètre, est suffisamment solide pour résister à la pression ferrostatique du coeur encore liquide 24 et poursuit sa croissance centripète jusqu'à solidification totale du demi-produit coulé 10 sous l'effet des rampes d'aspersion d'eau, non représentées, situées dans la moitié basse de la machine. Une fois complètement solidifié, le demi-produit est coupé en tronçons de longueur voulue (billettes, "blooms" ou brames, selon le format de la section coulée) et ces tronçons sont alors disponibles pour façonnages ultérieurs (laminage, etc.). En se reportant à présent sur la figure 2, on voit que, conformément à l'invention, L'élément tubulaire 4 est surmonté par un anneau 16 également en alliage de cuivre et également refroidi, mais au moyen de son propre système de refroidissement. Ce dernier, dans l'exemple décrit, est constitué par une chambre 17 longeant la paroi intérieure 18 de l'anneau à faible distance. Cette chambre, ici de forme circulaire, comporte ses entrée/sortie voisines l'une de l'autre de part et d'autre d'une cloison qui obture la chambre. On réalise ainsi un circuit de refroidissement en forme d'anneau horizontal et dans lequel s'établit une circulation annulaire, donc horizontale de fluide de refroidissement (de l'eau par exemple) entourant le produit coulé. Sur la figure, seules ont été représentées les tubulures d'entrée 19 et de sortie 19' de l'eau de refroidissement reliant la chambre circulaire 17 à l'extérieur. L'anneau refroidi 16 est surfacé à sa base de manière à bien épouser la surface supérieure de l'élément 4 sur laquelle il repose, et éviter ainsi tout risque d'infiltration de métal en fusion. L'ensemble métallique refroidi formé par l'anneau 16 et l'élément tubulaire 4 constitue la partie "active" proprement dite de la lingotière. C'est là que s'initie la solidification du métal coulé et sa croissance à mesure que le produit coulé 15 progresse vers le bas à l'intérieur de cet ensemble. Le plan de démarrage de cette solidification est, non plus le plan passant par l'arête supérieure 14 de l'élément 4, mais celui passant par l'arête supérieure 23 de l'anneau 16. Cet ensemble 16-4 est surmonté par la rehausse thermo-isolante 9 vue précédemment. Conformément à une réalisation préférée de l'invention, cette rehausse 9 est elle aussi formée par deux éléments distincts superposés: - un manchon supérieur 25 en matériau réfractaire choisi pour ses qualités thermo-isolantes, car il s'agit d'éviter toute solidification parasite prématurée du métal coulé dans la zone de turbulence 12. On optera pour un réfractaire fibreux, par exemple le matériau commercialisé sous la dénomination A 120K par la firme KAPYROK. - et un élément inférieur, la bague 26, en matériau réfractaire choisi pour sa bonne tenue mécanique, car il s'agit de résister au mieux, au voisinage du cristallisoir 4-16, à l'érosion mécanique de la pointe supérieure de la croûte solide 15 sur l'arête 23 alors que l'ensemble est soumis au mouvement d'oscillation vertical habituel nécessaire à la réussite de la coulé ainsi qu'aux sollicitations thermo-mécaniques d'une machine fonctionnant par cycles thermiques imposés par le caractère nécessairement séquentiel du procédé de coulée. Un matériau tel que du SiAION (Sialon) de préférence dopé au Nitrure de Bore, pourra parfaitement convenir. De préférence, un circuit d'injection de gaz inerte perdu (de l'argon par exemple) est prévu entre la rehausse 9 et l'ensemble métallique 16-4. Ce circuit comprend une fente annulaire 28 ménagée à l'interface rehausse 9 - ensemble métallique 16-4 et débouchant à une extrémité selon le pourtour intérieur de la lingotière et reliée à son autre extrémité à une chambre de distribution 29 alimentée en argon par une tubulure calibrée 30, elle-même reliée à une source d'argon sous pression non représentée. L'intérêt d'une rehausse en deux parties superposées réside dans le fait de pouvoir améliorer la tenue mécanique de la partie basse soumise à l'érosion provoquée par les mouvements de "va et vient" de la pointe de solidification du métal coulé voisine imprimés par les oscillations verticales de la lingotière. En contrepartie, cette bague inférieure résistante 26 est inévitablement moins isolante de la chaleur que la partie haute. II y a donc formation possible, au contact de sa paroi intérieure alignée 27 avec celle de l'anneau refroidi 16, d'un voile de solidification parasite prématurée du métal coulé. Ce voile est un facteur d'hétérogénéité important à l'égard du processus de solidification contrôle dans l'ensemble métallique refroidi 164. C'est pour cette raison que, conformément à une mise en oeuvre avantageuse de l'invention et déjà connue par ailleurs (FR-A-93 03871), un rideau d'argon est insufflé à la base de la rehausse 9 dans le but de briser le voile de solidification parasite né sur la bague 26 et permettre un démarrage régulier et franc de la solidification du métal coulé au contact de l'anneau refroidi 16. On aura compris qu'un avantage déterminant de l'invention réside dans le fait que la partie supérieure la plus sollicitée de la lingotièe étant réalisée sous forme d'une pièce rapportée (I'anneau 16), cette partie peut être aisément remplacée par une pièce neuve en cas de besoin et dans des conditions économiques compatibles avec une mise en oeuvre industrielle de la Coulée Continue en Charge, ce qui n'est pas le cas du remplacement de l'élément tubulaire interne 4. Conformément à une autre réalisation avantageuse, on réduit la tendance au collage de la croûte 15 contre la paroi de la lingotière en complétant la lubrification connue, réalisée par injection d'un lubrifiant au travers de l'élément en cuivre 4 (voir par le FR-A-91 01551) par une mise en vibration à l'aide d'un transducteur à ultra-sons et appliqué sur l'extrémité libre du retour supérieur 32 de l'élément refroidi 4. Ce transducteur pourra être du type "piezoélectrique". L'obliquité de la direction d'application des ultra-sons (Cf. fig.2) n'est pas obligatoire. Elle présente l'avantage néanmoins de conjuger un effet vibratoire vertical avec un effet vibratoire horizontal, tous deux contribuant à réduire les frottements du produit coulé 10 dans la lingotière. Pour plus de détails, on pourra se reporter au document FR-A89 07839. II va de soi que l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais s'étend à de multiples variantes ou équivalents dans la mesure où ses caractéristiques essentielles données dans les revendications jointes sont reproduites. En particulier, I'invention s'applique aux produits longs, comme aux produits plats. Aussi, les termes utilisés ci-avant comme "anneau", "annulaire" ou "bague", bien qu'ils évoquent une forme circulaire, doivent être compris dans une assertion plus générale englobant les lingotières dont l'élément tubulaire interne refroidi est constitué par des plaques assemblées (lingotière pour la coulée continue de brames ou de gros blooms par exemple). De même l'invention s'applique à la coulée continue non seulement de l'acier, mais tout autre métal coulable en continu et notamment les métaux a plus bas point de fusion que l'acier que sont l'aluminium ou le cuivre. REVENDICATION 1. Lingotière de Coulée Continue pour la Coulée Continue en Charge Verticale des métaux, comprenant un élément métallique tubulaire refroidi et destiné à assurer la solidification périphérique du métal coulé au contact de sa paroi intérieure, et une rehausse non refroidie en matériau réfractaire thermo-isolant surmontant l'élément métallique refroidi destiné à contenir du métal coulé à l'état liquide et définissant avec lui un passage calibrant continu pour le métal coulé, lingotière caractérisée en ce qu'un anneau métallique (16), refroidi par circulation interne annulaire de fluide de refroidissement est rapporté entre l'élément métallique tubulaire refroidi (4) et la rehausse thermo-isolante (9), et dont la paroi intérieure (26) est alignée avec ledit élément tubulaire métallique de manière à respecter le caractère continu du passage offert par la lingotière au métal coulé (10). 2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau métallique refroidi (16) est réalisé dans le même métal que l'élément métallique tubulaire (4). 3. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'anneau métallique refroidi (16) présente une hauteur comprise entre 4 et 10 centimètres environ. 4. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit anneau (16) est monté amovible sur l'élément métallique tubulaire (4). 5. Lingotière selon la revendication 1 ou 3, caractérisée en ce que l'anneau (16) comporte un circuit de refroidissement interne constitué par une chambre de circulation horizontale du fluide de refroidissement (17) qui longe la paroi intérieure (18) de l'anneau sur le pourtour de la lingotière. 6. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que la rehausse réfractaire (9) est constituée de deux éléments distincts superposés: un manchon supérieur (25) en matériau réfractaire ayant de bonnes propriétés d'isolation thermique, et une bague inférieure (26) en matériau réfractaire ayant une bonne tenue mécanique. 7. Lingotière selon la revendication 1 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit (28, 29, 30) d'injection de gaz inerte selon le pourtour intérieur de la lingotière entre la rehausse (9) et l'anneau (16). 8. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est pourvue d'un transducteur ultra-sonore (31) appliqué sur l'extrémité du retour supérieur (32) de l'élément métallique tubulaire (4) et destiné à imprimer des mouvements vibratoires à la lingotière.