Brevet FR2740367A1 — publié le 19970430

BUSETTE POUR L'INTRODUCTION D'UN METAL LIQUIDE DANS UNE LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE DE PRODUITS METALLIQUES, DONT LE FOND COMPORTE DES ORIFICES L'invention concerne la coulée continue des métaux, notamment de l'acier. Plus précisément, elle concerne les tubes en matériau réfractaire dits "busettes" qui, habituellement, sont connectés par leur extrémité supérieure au récipient servant de réservoir de métal liquide, et dont l'extrémité inférieure plonge dans le bain de métal liquide contenu dans la lingotière o doit s'amorcer la solidification du produit métallique. Le premier rôle de ces busettes est de protéger de l'oxydation atmosphérique le jet de métal liquide sur son parcours entre le récipient et la lingotière. Elles permettent également, grâce à des configurations appropriées de leur extrémité inférieure, d'orienter favorablement les écoulements du métal liquide dans la lingotière pour que la solidification du produit s'effectue dans les meilleures conditions possibles. La coulée peut avoir lieu dans une lingotière devant conférer au produit une section de forme rectangulaire très allongée, qui le fait désigner habituellement par l'expression "produit plat". C'est le cas lorsque, en sidérurgie, on coule l'acier sous forme de brames, c'est à dire de produits ayant environ 1 à 2 m de large et une épaisseur généralement de l'ordre de 20 cm, mais pouvant descendre jusqu'à quelques cm sur certaines installations récentes dites "machines de coulée de brames minces". Dans ces exemples, la lingotière est composée de parois fixes énergiquement refroidies sur leur face qui n'est pas au contact du métal. On expérimente également des installations permettant d'obtenir, directement par solidification du métal liquide, des bandes d'acier de quelques mm d'épaisseur. Pour ce faire, on utilise des lingotières dont l'espace de coulée est délimité sur ses grands côtés par une paire de cylindres refroidis intérieurement à axes horizontaux parallèles et tournant autour de ces axes en sens inverses, et sur ses petits côtés par des plaques de fermeture (appelées faces latérales) en matériau réfractaire appliquées contre les extrémités des cylindres. Les cylindres peuvent également être remplacés par des bandes sans fin refroidies. Dans ces types de lingotière, on considère qu'il faut orienter les écoulements du métal liquide de manière homogène en direction des cylindres, et aussi en direction des petits côtés de l'espace de coulée. On cherche ainsi, notamment, à obtenir une homogénéisation thermique du métal de manière à atténuer les variations de l'épaisseur solidifiée selon le périmètre de la lingotière. Cette homogénéisation thermique et l'agitation du bain liquide qu'elle nécessite sont particulièrement cruciales dans le cas de la coulée de bandes minces, du fait de l'utilisation des faces latérales en réfractaire. En effet, si on n'assurait pas un renouvellement forcé du métal avoisinant ces faces latérales, ce métal se refroidirait de manière anormalement intense. On verrait alors apparaître des solidifications de métal indésirables sur les faces latérales, en particulier au voisinage de leur zone de contact avec les cylindres. Cette orientation est classiquement obtenue en faisant sortir le métal de la busette par deux orifices appelés "ouïes", ménagés à l'opposé l'un de l'autre sur la paroi latérale de la partie inférieure de la busette, et non par un orifice unique placé dans le fond de la busette. Habituellement, après être sorti d'une ouïe et être allé percuter le petit côté de la lingotière, le métal liquide se partage en deux boucles de recirculation. Une boucle supérieure vient lécher la surface du métal présent dans l'espace de coulée avant de redescendre le long de la busette, alors qu'une boucle inférieure commence par descendre le long du petit côté de la lingotière avant de remonter en direction de l'ouïe. Pour obtenir l'homogénéisation désirée, on utilise parfois, notamment en coulée entre cylindres, des busettes en deux parties (voir le document JP-A-60021171). La première partie est composée d'un tube cylindrique dont l'extrémité supérieure est connectée à un orifice pratiqué dans le fond du répartiteur qui constitue la réserve d'acier liquide alimentant la lingotière, orifice qui est obturable à volonté par l'opérateur, partiellement ou totalement, grâce à une quenouille ou un système à tiroir assurant la régulation du débit de métal. De la section de cet orifice dépend le débit maximal de métal qui peut s'écouler à l'intérieur de la busette. La deuxième partie, fixée à l'extrémité inférieure du tube précédent, par exemple par vissage, ou lui étant intégrée de construction, est destinée à être immergée dans le bain de métal liquide présent dans la lingotière. Elle est composée d'un élément creux à l'intérieur duquel débouche l'orifice inférieur du tube cylindrique précédent. L'espace intérieur de cet élément creux a une forme générale allongée, et est orienté sensiblement perpendiculairement au tube. Lorsque la busette est en service, l'élément creux est placé parallèlement aux grands côtés de la lingotière, et le métal liquide s'écoule dans la lingotière par deux ouïes pratiquées à chacune des extrémités de l'élément creux. Il est également connu d'équiper des busettes de l'un des types qui viennent d'être décrits d'un ou plusieurs orifices, ménagés dans leur fond. Le métal s'écoulant par ce ou ces orifices alimente directement en métal chaud la partie de la lingotière située à l'aplomb de la busette, ce qui améliore l'homogénéité thermique de l'espace de coulée, notamment au voisinage des cylindres. Lorsqu'il y en a une pluralité, ces orifices sont alignés selon une direction parallèle à l'orientation générale des ouïes. Ces orifices sont parfois appelés "trous de fuite" (voir, par exemple, le document FR 2 233 121) dans le cas o ils ont une aire totale faible par rapport à celle des ouïes. Leur fonction est alors également de dissiper une fraction de l'énergie du métal qui vient percuter le fond de la busette, en permettant à une partie de ce métal de s'écouler à travers le fond. On limite ainsi la quantité de métal liquide qui rebondit sur le fond et vient perturber la régularité de l'écoulement du métal par les ouïes. Dans tous les cas, on diminue la vitesse de sortie du métal au niveau des ouïes, car on améliore leur remplissage. Les écoulements ainsi obtenus sont plus calmes et plus réguliers dans le temps à l'intérieur de la lingotière, ce qui est favorable à la qualité du produit coulé. De même, l'encrassement des ouïes par les inclusions non-métalliques du métal est ralenti. Dans le cas des busettes pour la coulée entre cylindres du type évoqué plus haut, on peut ainsi prévoir d'utiliser une rangée de tels orifices en fond de busette, alignés selon une orientation parallèle à l'orientation générale de l'élément creux, dans le plan de symétrie longitudinal de la busette. L'inconvénient du ou des orifices de fond de busette ainsi disposés est que le métal chaud s'écoulant par chacun d'eux tend à être entraîné dans la partie ascendante de la boucle de recirculation inférieure du métal s'écoulant par les ouïes. En conséquence, seule une petite fraction de ce métal chaud parvient profondément dans la partie centrale de l'espace de coulée, et la fonction d'homogénéisation thermique de cet espace que l'on assignait aux orifices n'est pas correctement remplie. Le but de l'invention est de proposer une configuration de la partie inférieure de la busette qui permette effectivement d'obtenir cette homogénéité thermique à l'aide de simples orifices de fond de busette. L'invention a pour objet une busette pour l'introduction de métal liquide dans une lingotière de coulée continue de produits métalliques plats comportant deux grands côtés et deux petits côtés, du type comportant à son extrémité inférieure deux ouies ménagées sur sa paroi latérale à l'opposé l'une de l'autre et destinées à envoyer le métal liquide chacune en direction d'un petit côté de ladite lingotière, et au moins deux orifices ménagés dans le fond de ladite extrémité inférieure, caractérisée en ce qu'un premier groupe desdits orifices est disposé d'un côté d'un plan de symétrie longitudinal de la busette incluant les axes des ouïes, et en ce qu'un deuxième groupe desdits orifices est disposé de l'autre côté dudit plan de symétrie. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à prévoir que les orifices soient répartis non plus dans le plan de symétrie longitudinal de la busette, mais répartis de part et d'autre de ce plan de symétrie. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes: - les figures l a, et I c, qui montrent schématiquement en coupe longitudinale selon Ia-Ia et en coupe transversale selon Ic-Ic l'espace de coulée d'une lingotière de coulée entre cylindres et les orientations générales des écoulements du métal liquide, dans le cas de l'utilistion d'une busette à un seul orifice de fond classique, vue elle- même sur la figure lb en coupe transversale selon lb-lb; - les figures 2a et 2c, qui montrent schématiquement en coupe longitudinale selon IIa- IIa et en coupe transversale selon IIc-IIc l'espace de coulée d'une lingotière de coulée entre cylindres et les orientations générales des écoulements du métal liquide, dans le cas de l'utilistion d'un premier exemple de busette selon l'invention, vue elle- même sur la figure 2b en coupe transversale selon IIb-mb; - la figure 3 qui montre en coupe transversale ces écoulements dans le cas de l'utilisation d'un deuxième exemple de busette selon l'invention. L'installation de coulée continue d'un métal liquide, tel que l'acier, sous forme de bandes minces représentée sur les figures la et lc comporte, comme connu, deux cylindres 1, 1' à axes horizontaux, mis en rotation en sens contraires autour de leurs axes et énergiquement refroidis intérieurement. Leurs surfaces latérales cylindriques 2, 2' définissent entre elles un espace de coulée qui est obturé latéralement par deux parois latérales 3, 3' en matériau réfractaire appliquées contre les extrémités 4, 4' des cylindres 1, 1'. Le métal liquide 5 est introduit dans cet espace de coulée par l'intermédiaire d'une busette 6 connectée à un répartiteur non représenté renfermant une réserve dudit métal 5. Le métal 5 se solidifie contre les parois refroidies 2, 2' des is cylindres 1, 1' pour former des peaux 7, 7' d'épaisseur croissante qui se rejoignent au col 8, c'est à dire au niveau o la distance entre les surfaces 2, 2' des cylindres 1, 1' est la plus faible, égale à l'épaisseur des bandes que l'on désire couler. En-dessous du col 8, on est donc en présence d'une bande 9 solidifiée qui se décolle des cylindres 1, 1' et est extraite de l'installation par un dispositif connu non représenté. Selon un art antérieur connu, la busette 6 se présente sous la forme d'un tube en réfractaire dont l'extrémité est immergée sur une profondeur h dans le métal liquide présent dans l'espace de coulée. Le métal liquide 5 s'écoule dans l'espace de coulée par deux ouïes cylindriques 10, 10' ménagées sur la paroi latérale de la busette 6. Ces ouïes 10, 10' sont diamétralement opposées selon la section transversale de la busette 6 (voir la figure lb), chacune étant orientée sensiblement horizontalement en direction d'une des faces latérales 3, 3'. Cornme il est également connu, la busette 6 comporte, dans le cas représenté, un orifice de fond unique 11 vertical ménagé dans son fond. A titre d'exemple, le métal coulé est de l'acier, et les principales dimensions des différentes parties de l'installation sont: - longueur et diamètre des cylindres 1, 1': 860 et 1500 mm; - largeur de l'espace de coulée au niveau du col: 3 mm; - profondeur du bain de métal liquide 5 dans l'espace de coulée: 400 mm; - profondeur d'immersion h de la busette 6: 40 mm; - diamètres intérieur et extérieur de la busette 6: 60 et 100 mm; - diamètre des ouïes 10, 10': 40 mm; - diamètre de l'orifice de fond 11: 15 mm. Sur les figures la et 1 c, les directions préférentielles des écoulements du métal liquide 5 sont représentées par des flèches. La figure la représente les écoulements dans le plan médian longitudinal Ia- Ia de la lingotière. Comme c'est classiquement le cas en coulée continue, et pas seulement en coulée continue de produits minces, le métal sortant de l'ouïe 10 se dirige vers la face latérale 3 et, dans son voisinage, se divise en deux boucles de recirculation. Une première boucle 12, initialement ascendante, revient en direction de la busette 6 en léchant la surface 13 du bain de métal liquide 5 contenu dans l'espace de coulée, et redescend ensuite le long de la busette 6. Une deuxième boucle 14, initialement descendante, se dirige tangentiellement à la face latérale 3, puis au col 8, avant de remonter le long du plan transversal médian Ic-Ic de l'espace de coulée en direction de la busette 6. Des écoulements symétriques aux précédents par rapport à ce plan transversal médian Ic-Ic sont observés pour le métal sortant de l'autre ouïie 10'. Le métal sortant de l'orifice de fond 11 s'écoule d'abord verticalement, puis est pris dans la deuxième boucle 14. Jusqu'à environ la moitié de la hauteur de l'espace de coulée, ce métal tend à être entraîné dans la deuxième boucle 14 de recirculation (ou sa symétrique). En fait, pratiquement aucune fraction de ce métal ne parvient directement jusqu'au col 8. Si on observe sur la figure l c les écoulements préférentiels dans le plan médian transversal Ic-Ic de la lingotière, on voit également que le métal sortant de l'orifice de fond 11 tend à être entraîné vers les régions supérieures de la lingotière peu après sa sortie de la busette 6. n résulte de ces écoulements que les régions de l'espace de coulée situées à l'aplomb de la busette 6 ne sont majoritairement alimentées que par du métal qui a déjà à son actif un temps de séjour dans l'espace de coulée relativement élevé, et qui, de plus, a circulé au voisinage des cylindres 1, 1' et des faces latérales 3, 3'. Pour ces raisons, ce métal est plus froid qu'il ne serait souhaitable pour assurer une homogénéité thermique satisfaisante de l'espace de coulée. On constate, en particulier, que les conditions de solidification de la région centrale de la bande 9 peuvent, pour cette raison, différer sensiblement de celles qui ont prévalu dans ses régions latérales qui ont été alimentées majoritairement par du métal liquide plus chaud. En conséquence, la structure de solidification de la bande 9 n'est pas uniforme sur toute la largeur de son coeur, ce qui peut conduire à des inégalités significatives dans les propriétés mécaniques du produit final. L'installation de coulée représentée sur les figures 2a et 2c diffère de la précédente en ce qu'elle est équipée d'une busette 15 selon l'invention, représentée également sur la figure 2b.Cette busette 15 diffère de la précédente en ce qu'elle est équipée non pas de un mais de deux orifices de fond 16, 16' verticaux alignés selon une direction sensiblement perpendiculaire à l'orientation générale des ouïes 10, 10', comme on le voit sur la figure 2b. Ils sont donc disposés de part et d'autre du plan Hia-Ila qui constitue, pour la busette 15, un plan de symétrie longitudinal incluant les axes des ouïes 10, 10'. Ces orifices de fond ont par exemple un diamètre de 15 mm, les autres conditions d'utilisation étant identiques à celles de l'exemple précédent. Les écoulements dans l'espace de coulée s'en trouvent sensiblement modifiés, par rapport à la configuration de référence des figures la et lc. En ce qui concerne les écoulements du métal sortant des ouïes 10, 10' tels qu'observés dans le plan longitudinal médian Hia- IIa de l'espace de coulée, on retrouve la première boucle de recirculation 12 initialement ascendante. On retrouve également la deuxième boucle de recirculation 14 initialement descendante, mais en ce qui la concerne, la remontée du principal courant de métal liquide 5 se produit sensiblement plus tôt que dans la configuration de référence. Cela est dû à la présence d'une troisième boucle de recirculation 17, qui renferme principalement du métal liquide 5 issu des orifices de fond 16, 16'. Comme les jets parallèles issus des orifices de fond 16, 16' ont un débit total plus élevé qu'un jet unique, ils résistent mieux à l'attraction exercée sur eux par la deuxième boucle 14 et sont en mesure de descendre aussi bas que possible dans l'espace de coulée, soit jusqu'au col 8 o ils rencontrent le front de solidification de la bande 9. Puis les courants circulent d'abord le long de ce front de solidification, et enfin remontent en direction de la busette 6. L'observation des écoulements dans le plan médian transversal IIc-Hc, représentés sur la figure 2c, montre également que les jets issus des orifices de fond 16, 16' envoient le métal liquide 5 plus profondément dans l'espace de coulée qu'un orifice de fond unique. De plus, ces jets ont tendance à attirer du métal liquide 5 issu des zones supérieures de l'espace de coulée, ce qui améliore encore l'agitation du bain et son homogénéité thermique. Enfin, comme ils sont plus proches des cylindres que ne le seraient des orifices placés dans le plan médian de la busette 15, ils apportent plus de chaleur au voisinage des cylindres. En variante, comme représenté sur les figures 3a, 3b, 3c, on peut conférer aux orifices de fond 18, 18' des orientations non plus verticales, mais obliques, en les faisant converger de telle manière que les jets qui en sont issus se rencontrent dans le plan médian longitudinal Ia-IIIa de l'espace de coulée. Ainsi, on accentue encore l'effet recherché de pénétration profonde des jets issus des orifices de fond. L'exemple de mise en oeuvre de l'invention qui vient d'être décrit et représenté n'est, bien entendu, pas limitatif Si la géométrie de la busette s'y prête, on peut prévoir d'utiliser davantage d'orifices de fond, l'essentiel étant qu'ils soient répartis de part et d'autre du plan médian longitudinal de la busette, dans lequel se trouvent les axes des ouïes. Ainsi, par exemple, l'invention peut être appliquée au cas des busettes telles que représentées sur les figures 4a et 4b. Ces busettes 19 sont formées de deux parties principales en un matériau réfractaire qui sont ici assemblées l'une à l'autre par vissage de la première dans la seconde. La première partie comprend un tube 20 cylindrique ou sensiblement cylindrique, dont l'espace intérieur constitue le chemin de passage du métal liquide. Sa partie supérieure non représentée est destinée à être connectée à un répartiteur de coulée continue. L'extrémité inférieure 21 du tube 20 comporte un filetage 22 sur sa paroi externe, et ce filetage 22 permet de l'assembler à la deuxième partie de la busette 19. Cette deuxième partie est composée d'un élément creux 23 qui, dans l'exemple décrit et représenté, a extérieurement la forme d'un T inversé. L'espace intérieur de l'élément creux 23, lui aussi en forme de T inversé, comporte ainsi une portion cylindrique 24 prolongeant l'espace intérieur du tube 20. La zone supérieure de cette portion cylindrique 24 comporte un logement 25 à paroi filetée, de manière à pouvoir y visser l'extrémité inférieure 21 du tube 20. La portion cylindrique 24 débouche dans une portion tubulaire 26 qui lui est sensiblement perpendiculaire, de section approximativement carrée dans l'exemple représenté (étant entendu que cette section peut aussi être rectangulaire, circulaire, ovale, etc..). Chaque extrémité de cette portion tubulaire 26 comporte une ouïe 27, 27'. Selon l'invention, le fond 28 de l'élément tubulaire 26 est équipé d'orifices de fond 29-35, 29'-35'. ls sont alignés selon deux rangées parallèles disposées de part et d'autre du plan de symétrie vertical IVa- IVa de l'élément tubulaire 26. Dans l'exemple représenté, les axes des orifices de fond 29-35, 29'-35' qui se font face sont convergents, de manière similaire à l'exemple représenté sur les figures 3a, 3b, 3c, mais on peut aussi imaginer de percer ces mêmes orifices de fond 29-35, 29'-35' de manière simplement verticale. Bien entendu, l'invention s'applique de la même manière si on confère à l'espace intérieur de l'élément creux 23 une forme différente de celle d'un simple T inversé, l'essentiel étant que cet espace intérieur se termine par une portion allongée pouvant être orientée parallèlement aux grands côtés de la lingotière, et aux extrémités de laquelle on a ménagé des ouïes. Les orifices de fond selon l'invention sont d'autant plus efficaces que les écoulements à l'intérieur de la busette sont régulièrement répartis et stables dans le temps. A cet effet, on peut recommander de placer sur le parcours du métal liquide à l'intérieur de la busette des obstacles en matériau réfractaire qui, en freinant l'écoulement du métal, contribuent également à améliorer le remplissage de la busette, et donc à atténuer les fluctuations dans le temps des écoulements qui s'y établissent. De tels obstacles sont décrits dans la demande FR 95 11375. A titre d'exemple, la busette 19 de la figure 4a est représentée équipée d'un tel obstacle. Il est constitué par un empilement de trois pastilles perforées 36, 37, 38, disposées dans la partie inférieure du logement 25 dans lequel est insérée l'extrémité inférieure 21 du tube 20. La pastille supérieure 36 et la pastille inférieure 38 ont des perforations 39 de relativement faibles dimensions, et les perforations de chaque pastille sont disposées de manière décalée par rapport aux perforations de l'autre pastille. La pastille médiane 37 comporte une large perforation unique 40 de diamètre légèrement inférieur à celui du tube 20, et joue, en fait, un rôle d'entretoise séparant les deux autres pastilles. Cet exemple d'obstacle n'est, bien sûr, pas limitatif, et d'autres configurations peuvent être envisagées, et être également appliquées à d'autres types de busettes par ailleurs conformes à l'invention. Les busettes du type selon l'invention peuvent, comme on l'a décrit et représenté, être utilisées sur des installation de coulée continue de bandes métalliques minces entre cylindres. Mais elles peuvent aussi être utilisées avec profit pour la coulée continue de produits plats métalliques de plus fortes sections, tels que des brames d'acier d'épaisseur classique (200 mm environ) ou de plus faible épaisseur. De manière générale, l'invention s'applique aux installations de coulée continue de produits plats, dont la lingotière a une section transversale rectangulaire ou sensiblement rectangulaire (dont les dimensions peuvent éventuellement varier sur la hauteur de la lingotière), et dont la busette comporte des ouïes envoyant le métal liquide en direction des petits côtés de la lingotière. REVENDICATIONS 1) Busette (15, 19) pour l'introduction de métal liquide (5) dans une lingotière de coulée continue de produits métalliques plats comportant deux grands côtés (2, 2') et deux petits côtés (3, 3'), du type comportant à son extrémité inférieure deux ouïes (10, 10') ménagées sur sa paroi latérale à l'opposé l'une de l'autre et destinées à envoyer le métal liquide (5) chacune en direction d'un petit côté (3, 3') de ladite lingotière, et au moins deux orifices (16, 16', 18, 18', 29-35, 29'-35') ménagés dans le fond de ladite extrémité inférieure, caractérisée en ce qu'un premier groupe (16, 18, 29-35) desdits l0 orifices est disposé d'un côté d'un plan de symétrie longitudinal de la busette (IIa-IIa, IiHa, IIIa, IVa, IVa) incluant les axes des ouïes, et en ce qu'un deuxième groupe (16', 18', 29'-35') desdits orifices est disposé de l'autre côté dudit plan de symétrie (IIa-IIa, fIa-iIa, IVa-IVa). 2) Busette (15, 19) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les orifices (18, 29-35) dudit premier groupe sont orientés de manière à donner au métal liquide qui doit en sortir des orientations convergentes avec les orientations données par les orifices (18', 29'-35') dudit deuxième groupe au métal liquide qui doit en sortir. 3) Busette (19) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que ladite extrémité inférieure est un élément creux (23) dont l'espace intérieur est terminé par une portion allongée destinée à être orientée sensiblement parallèlement aux grands côtés (2, 2') de la lingotière, et aux extrémités de laquelle sont ménagées lesdites ouïes (27, 27'). 4) Busette selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'espace intérieur dudit élément creux (23) est en forme de T inversé. 5) Busette selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte en son intérieur des obstacles (36, 37, 38) placés sur le parcours du métal liquide. 6) Busette (15, 19) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle est destinée à être utilisée dans une installation de coulée continue directe de bandes (9) entre deux cylindres (1, 1').