Brevet FR2747059A1 — publié le 19971010

PROCEDE DE COULEE CONTINUE DES METAUX ET LINGOTIERE POUR SA MISE EN OEUVRE. La présente invention concerne la coulée continue 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 quelques centimètres 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 sont souvent 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. Au cours de la coulée, le métal en fusion, amené dans la lingotière par une busette, forme une pellicule solide lors de son entrée en contact avec les parois refroidies de la lingotière. Cette pellicule est entraînée vers le bas lors de l'extraction du produit par un mouvement saccadé imposé par les oscillations verticales de la lingotière, et simultanément son épaisseur croît du fait de la poursuite de l'extraction de chaleur réalisée par les parois de la lingotière. I1 y a donc continuellement création d'une nouvelle pellicule de métal solide au niveau de la surface libre du métal dans la lingotière, cette pellicule se solidifiant sur tout le périmètre de la paroi interne de la lingotière et constituant un anneau solide susceptible de se contracter du fait du refroidissement subi lors de sa descente dans la lingotière. La contraction de la peau solide est d'autant plus importante que l'extraction de chaleur est forte et que le métal coulé a une tendance naturelle à se contracter lors du refroidissement, par exemple par changement de phase solide en fin de solidification, comme c'est le cas notamment pour des nuances d'acier à 0,1t de carbone ou d'acier inoxydable AISI 304. Cette contraction périmétrique tend à provoquer un écartement de la peau solidifiée par rapport à la paroi de la lingotière, et donc une diminution de l'échange thermique du fait que le contact de la dite peau avec les parois froides est dégradé. Ce décollement est généralement inégal selon le périmètre de la peau solidifiée, ce qui est source de défauts de surface sur le produit final obtenu. Pour éviter ou limiter ces défauts, on a déjà cherché à réduire le flux thermique extrait lors de la formation de la dite pellicule, au début de sa solidification. Ainsi, il a déjà été tenté de réduire ce flux thermique en utilisant une lingotière pourvue, dans sa partie supérieure où se produit le début de solidification, d'un insert formant une barrière thermique en empéchant le métal en fusion de venir directement en contact avec les parois refroidies de la lingotière. La tenue dans le temps d'un tel insert s'est toutefois révélée très aléatoire, et le coût de maintenance d'une telle lingotière très élevé. I1 a également été tenté de réduire le flux thermique en donnant aux parois de la lingotière un état de surface susceptible de réduire l'aire des zones de contact direct du métal coulé avec le cuivre des parois refroidies, par exemple par une gravure régulière des parois formant un gaufrage de leur surface, ou par une rugosité aléatoire obtenue par exemple par sablage. Une telle méthode n'a semble-t'il cependant pas encore permis d'améliorer sensiblement la qualité de surface du produit coulé, car il est apparu que les perturbations provoquées par les variations de niveau de la surface libre du métal coulé étaient prédominantes par rapport à l'effet modérateur d'extraction du flux thermique, obtenu par l'utilisation de l'état de surface adapté des parois de la lingotière indiqué ci-dessus, de sorte que, les hétérogénéités de solidification subsistant, les défauts de surface ne sont pas éliminés. Dans le même but de réduire le contact direct du métal coulé avec le cuivre froid des parois, il a encore été tenté de réaliser dans celles-ci des rainures verticales. Mais il est alors apparu que ces rainures se garnissaient rapidement du laitier classiquement utilisé comme couche de couverture de la surface libre du métal liquide, ce qui atténuait l'effet thermique recherché. La présente invention a pour but de résoudre les problèmes indiqué ci-dessus et vise particulièrement à obtenir un produit coulé ayant une très bonne qualité de surface, en assurant une réduction efficace du flux thermique extrait lors de la formation et du début de la croissance de la pellicule solidifiée, et en évitant notamment l'effet néfaste des fluctuations du niveau de la surface libre du métal liquide en lingotière. Avec ces objectifs vue, l'invention a pour objet un procédé de coulée continue des métaux en fusion, notamment de l'acier, dans une lingotière comportant des parois métalliques énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une extraction de flux thermique du métal coulé provoquant un refroidissement et une solidification progressive du dit métal, procédé selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois, caractérisé en ce que on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé à l'intérieur de la dite rehausse. Conformément à l'invention, la surface libre du bain de métal liquide est située dans la dite rehausse. Comme celle-ci est en matériau réfractaire thermiquement isolant, le métal en fusion ne se solidifie pas à son contact, et la pellicule de métal solidifié ne commence à se former qu'à partir du bord supérieur des parois métalliques. Ainsi, la solidification du métal coulé ne débute qu'à une certaine distance de la surface libre du bain de métal liquide. La zone où commence cette solidification est donc quasiment parfaitement plane, horizontale, et non soumise aux fluctuations ou perturbations qui agitent inévitablement la surface libre du bain. L'anneau solide constitué par la peau de première solidification est donc géométriquement parfaitement régulier, et son renouvellement continu est également quasiment parfaitement régulier, de même que la croissance de cette peau solidifiée, au fur et à mesure de la descente du produit coulé. Par ailleurs, comme le métal en fusion ne se solidifie pas au contact de la rehausse, il n'y a pas à ce niveau de contraction du métal; ce dernier reste au contact de la surface de la rehausse et empêche les infiltrations de laitier entre le métal et la dite surface I1 en résulte qu'il ne peut donc pas non plus y avoir d'infiltrations de laitier entre les parois métalliques de la lingotière et la peau solidifiée à leur contact, même si celle-ci tend à s'en écarter du fait du retrait de solidification. On notera de plus que, au niveau du plan où la pellicule de métal solide commence à se former et à croître, la pression ferrostatique du métal liquide, due à la hauteur de ce métal contenu par la rehausse, tend à s'opposer à cet écartement et donc à maintenir la dite pellicule plaquée contre la surface des parois métalliques, et ceci de manière uniforme sur tout le pourtour de la surface interne de la lingotière, du fait que l'épaisseur et l'état de solidification de la dite pellicule est également uniforme sur ce pourtour. Ainsi, du fait de cette régularité périphérique, l'extraction de chaleur réalisée dans la partie supérieure des parois métalliques peut être réalisée aussi de manière uniforme sur tout le pourtour du produit, en évitant des décollements localisés et les sous-épaisseurs de peau solide qui en résulteraient, et l'intensité du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification peut-être assurée très uniformément sur tout le pourtour du passage défini par les parois métalliques. Préférentiellement, on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée (hauteur s'étendant à partir du bord inférieur de la dite rehausse, cette hauteur limitée assurant une réduction du flux thermique extrait dans la zone où la peau de métal solide se forme, et évitant aussi l'effet de retrait et de décollement de la peau de métal observé dans le procédé de coulée selon l'art antérieur), sans cependant modifier sensiblement la quantité de chaleur globale extraite par la lingotière. Selon une première variante, la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique sensiblement constante sur toute sa hauteur. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait peut être forte mais sur une faible hauteur, par exemple de l'ordre de 10 mm. Selon une deuxième variante, la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas. Dans ce cas, la réduction du flux thermique extrait décroît progressivement vers le bas de la lingotière, sur une zone de plus grande hauteur. Ceci permet d'assurer une réduction du flux thermique extrait dans la zone où est réalisée cette réduction, encore plus forte que dans le cas précédent, du fait de la hauteur supérieure de cette zone, mais aussi d'assurer une sorte de progressivité dans la variation de flux thermique extrait, entre la rehausse où le dit flux extrait est le plus faible possible, et la partie métallique refroidie de la lingotière où il est recherché une extraction maximale du flux thermique. L'invention a aussi pour objet une lingotière de coulée continue comportant des parois métalliques s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposés de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers leur surface interne définissant le dit passage, caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut. Selon un premier mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche d'un métal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois, la dite couche de métal étant par exemple constituée de nickel, déposé par un procédé de dépôt électrolytique, sur le cuivre ou alliage de cuivre constitutif des parois de la lingotière. Selon une première variante, la dite couche est située au-dessus des parois, et donc entre celles-ci et le réfractaire constitutif de la rehausse, et son épaisseur peut être par exemple de l'ordre du millimètre. Selon une autre variante, la dite couche s'étend en plus sur la face interne des parois métalliques refroidies, sur une hauteur qui peut alors être de l'ordre de quelque centimètres. La couche de métal peu conducteur forme alors une barrière thermique entre la peau solidifiée de métal coulé et le métal très bon conducteur thermique des parois de la lingotière. Sur toute la hauteur sur laquelle s'étend cette couche peu conductrice, le flux thermique extrait est fortement réduit (la réduction pouvant atteindre et même dépasser 50%), par rapport à une configuration où le métal coulé serait en contact direct avec le dit métal très conducteur des parois. La réalisation d'une couche de métal peu conducteur à la fois au dessus des parois en cuivre ou alliage de cuivre et sur leur face latérale intérieure permet de modifier simultanément la valeur moyenne du flux extrait dans la partie supérieure des parois refroidies et l'étalement du flux en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, au niveau duquel débute la solidification de la pellicule de métal coulé, cet étalement pouvant par ailleurs être pré-réglé et favorisé en diminuant progressivement l'épaisseur de la dite couche du haut vers le bas. Selon un deuxième mode de réalisation, les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne des dites parois. On constitue ainsi, dans la zone de formation de la pellicule solidifiée, et sur la périphérie du passage formé par les parois de la lingotière, une alternance de points de contact direct du métal coulé avec le cuivre ou alliage de cuivre des parois refroidies, et de points, correspondants aux dites rainures, où l'extraction de chaleur est réduite. On notera que, contrairement à la technique évoquée au début de ce mémoire, utilisant un tel système de rainures, et du fait que le début de solidification s'effectue, selon l'invention, à une certaine distance en dessous de la surface libre du bain de métal et donc en absence de laitier, il ne peut donc y avoir , en cours de coulée, pénétration de laitier dans ces rainures, et obstruction de celles-ci. Selon une variante de cette disposition, les dites rainures sont comblées au moins partiellement par un matériau ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'une lingotière de coulée continue d'acier conforme à l'invention et de sa mise en oeuvre. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique, en coupe longitudinale partielle, de la partie haute de la lingotière, dans une première variante de réalisation, - la figure 2 représente la variation du flux thermique extrait au cours d'une coulée dans une telle lingotière, en fonction de la distance à partir du bord supérieur des parois métalliques, - les figures 3 et 4 correspondent respectivement aux figures 1 et 2 dans le cas d'une deuxième variante de réalisation de la lingotière, - la figure 5 représente schématiquement la partie supérieure d'une paroi de lingotière, dans un second mode de réalisation, utilisant un rainurage de la partie supérieure de paroi métallique, - la figure 6 est une vue, à échelle agrandie, de la section selon un plan horizontal de la partie supérieure de la paroi métallique de la figure 5, - la figure 7, est une vue similaire à la figure 6, dans le cas où les rainures sont comblées par un métal peu conducteur. La lingotière représentée figure 1 comporte des parois métalliques 1 refroidies, de manière connue en soi, par une circulation interne d'eau, qui forment un corps tubulaire et définissent un passage vertical pour l'acier coulé 2. La partie supérieure de ces parois métalliques est préférentiellement constituée d'un élément indépendant de leur partie inférieure, par exemple sous forme d'une pièce annulaire 3, également en cuivre ou alliage de cuivre et doté d'un circuit de refroidissement qui lui est propre, schématisé par le canal 4 de circulation d'eau. Une telle pièce annulaire 3 peut être remplacée plus facilement et à moindre coût que si les parois métalliques étaient formées d'une seule pièce sur toute la hauteur. Sur la face supérieure 5 de la pièce annulaire 3 est réalisé une couche 6 de nickel électrolytique, d'une épaisseur par exemple de 1,5 mm. Au dessus de cette pièce annulaire 3, dont la hauteur est par exemple de 40 mm, est disposée une rehausse 7 thermiquement isolante comportant une partie supérieure 8 en réfractaire très isolant, d'une hauteur de 200 mm par exemple, et une partie inférieure 9 en un matériau réfractaire éventuellement moins isolant mais présentant une meilleure résistance mécanique, par exemple le matériau connu sous la désignation SiAlON, et ayant par exemple une épaisseur de 20 mm. Entre la couche de nickel 6 est le SiALON 9 est ménagé un espace formant une fente 10 de faible hauteur, par exemple de quelques 1/10 mm, cette fente débouchant à la surface interne de la lingotière sur tout son pourtour, et étant par ailleurs reliée à une source non représentée de gaz inerte sous pression, tel que de l'argon. L'alimentation de la lingotière en métal liquide est réalisée par une busette 11, de type connu, comportant des ouies latérales 12, situées au niveau de la rehausse réfractaire 7, par exemple environ à mihauteur de sa partie supérieure 8. Lors d'une coulée, l'acier en fusion, contenu dans un répartiteur, non représenté, auquel est fixé la busette 11, passe dans la dite busette et ses ouies 12 et remplit la lingotière. Le niveau de la surface libre 13 de l'acier liquide est maintenu entre le bord supérieur de la rehausse 7 et les ouies 12, de sorte que ces ouies sont immergées dans le bain d'acier liquide 2. De manière classique, la dite surface libre est couverte par une couche de laitier 13. Comme on le voit sur la figure 1, la peau 21 d'acier solide commence à se former au niveau du bord supérieur de la couche de nickel 6 et, du fait du refroidissement provoqué par les parois métalliques de la lingotière, s'épaissit progressivement vers le bas, étant bien entendu que cette peau se déplace en fait continuellement vers le bas avec l'extraction du produit coulé, et se renouvelle également continuellement par solidification de l'acier liquide arrivant au contact de la couche de nickel 6. L'alimentation d'argon sous pression par la fente 10 crée des jets de gaz, sensiblement perpendiculaires à la surface interne des parois de la lingotière, qui servent à briser les éventuels amorces de solidification qui pourraient se produire au contact de la partie inférieure 9 de la rehausse, de manière à assurer que la dite peau 21 commence à se solidifier sur tout le pourtour dans un même plan horizontal, situé exactement au niveau de l'arrête 14 supérieure de la couche de nickel 6. La figure 2 représente la variation du flux thermique extrait , en fonction de la distance verticale d à partir de cette arrête 14. La courbe en trait plein 22 représente le flux extrait dans le cas de l'utilisation de la lingotière de l'invention représentée figure 1, alors que la courbe pointillée 23 représente à titre comparatif le flux thermique qui serait extrait en l'absence de la couche de nickel 6, c'est à dire si la peau solide 21 commençait à se former au contact direct du cuivre de la partie supérieure 3. On remarquera que, dans la zone verticale correspondant à l'épaisseur de la couche de nickel, le flux extrait est réduit, cette réduction du flux pouvant d'ailleurs se poursuivre sur quelques millimètres en dessous de la dite couche de nickel, mais sans influencer sensiblement le flux global extrait par l'ensemble de la pièce annulaire 3. La figure 3 représente une variante de réalisation de la lingotière, les mêmes repères que ceux de la figure 1 étant utilisés pour désigner des éléments correspondants. Dans cette variante, une couche 15 de nickel supplémentaire est déposée sur la surface latérale 16 intérieure de la pièce annulaire 3, cette pièce annulaire étant usinée préalablement au dépôt du nickel de manière que, après formation de cette couche 15, la surface interne 17 de celle-ci reste sensiblement coplanaire et dans le prolongement de la surface interne de la partie inférieure de la lingotière. Préférentiellement, l'épaisseur de la couche de nickel 15 décroît progressivement du haut vers le bas sur la hauteur de la pièce annulaire 3. La figure 4, similaire à la figure 2 dans le cas de cette deuxième variante, montre que le flux thermique extrait (courbe 24) globalement par la dite pièce annulaire est très fortement réduit par rapport au cas ou il n'y aurait pas de revêtement de nickel (courbe 23). La figure 5 représente schématiquement en perspective une portion de la partie supérieure d'une paroi de lingotière selon un autre mode de réalisation, dans lequel des rainures verticales 31 sont réalisées sur la face interne 32 de la pièce annulaire 3, comme on le voit, représenté à échelle agrandie, sur la figure 6. Les rainures 31 peuvent avoir par exemple une profondeur et une largeur de 0,2 mm et être distantes l'une de l'autre de 1,5 mm. En variante, comme illustrée figure 7, les rainures peuvent être comblées par un dépôt 33 d'un métal faiblement conducteur, par exemple du nickel. Dans ce cas, les rainures peuvent avoir par exemple une largeur de 1 mm et une profondeur de 0,5 mm, et être distantes l'une de l'autre de 2 mm. Le dépôt de nickel réalisé dans les rainures permet d'éviter la pénétration d'acier coulé en fond de rainure. La réduction de flux thermique extrait dans cette variante est alors identique à celle qui serait produite par une réduction de la surface d'échange proportionnelle à la surface occupée par les rainures regarnies en dit métal peu conducteur. Bien que, pour simplifier le dessin, on n'ait pas représenté sur la figure 5 de fente d'injection de gaz inerte, il est clair qu' une telle injection sera aussi prérentiellement utilisée dans la mise en oeuvre d'une telle lingotière. Les essais expérimentaux réalisés par les inventeurs ont donnés des résultats particulièrement satisfaisants sur le plan métallurgique pour le produit coulé, puisqu'il a pu être observé une réduction du flux thermique extrait dans la zone de début de solidification de plus de 50k et on a pu obtenir un produit ne présentant plus de défauts de surface de type dépressions et criques, en particulier sur des nuances d'aciers à 0,1% de carbone, particulièrement sensibles à de tels défauts. L'invention n'est pas limitée aux différentes variantes décrites ci-dessus uniquement à titre d'exemple. En particulier, on pourra utiliser un métal de revêtement peu conducteur autre que le nickel. Bien qu'il soit préférable, pour réduire les coûts de maintenance, de réaliser la réduction de flux thermique extrait au niveau d'une pièce supérieure indépendante des parties inférieures constituant les parois de la lingotière, les différents modes de réalisation décrits ci-dessus pourraient également être mis en oeuvre directement sur les dites parois métalliques uniquement sur une hauteur limitée à partir de leurs bords supérieurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée continue des métaux en fusion, notamment de lacer, dans une lingotière comportant des parois métalliques (1) énergiquement refroidies s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé, et assurant sur toute leur hauteur une extraction de flux thermique du métal coulé provoquant un refroidissement et une solidification progressive du dit métal (2), procédé selon lequel on réduit l'intensité du flux thermique extrait au voisinage du niveau où le dit métal commence à se solidifier au contact des dites parois, caractérisé en ce que on place au dessus des dites parois métalliques refroidies une rehausse (7) thermiquement isolante et, lors de la coulée, on maintient le niveau de la surface libre du métal coulé (2) à l'intérieur de la dite rehausse. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que on réduit l'intensité du flux thermique extrait sur une zone de hauteur prédéterminée s'étendant à partir du bord inférieur de la dite rehausse. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique sensiblement constante sur toute sa hauteur. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la dite zone présente une capacité d'extraction de flux thermique croissante du haut vers le bas. 5. Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, au niveau de la dite rehausse et au moins au niveau de son bord inférieur, on injecte un gaz débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage. 6. Lingotière de coulée continue comportant des parois métalliques (1,3) s'étendant sensiblement verticalement et définissant un passage pour le métal coulé (2) et des moyens de refroidissement interne des dites parois disposés de manière à assurer un refroidissement énergique des dites parois sur sensiblement toute leur hauteur, les dites parois étant pourvues dans leur partie supérieure de moyens (6,15,31) pour réduire l'intensité du flux thermique provoqué par les dits moyens de refroidissement et passant à travers la surface interne des parois, caractérisée en ce qu'elle comporte une rehausse (7) en matériau thermiquement isolant placée au dessus des dites parois métalliques et les prolongeant vers le haut. 7. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par une couche (6,15) d'un métal ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois (1,3). 8. Lingotière selon la revendication 7, caractérisée en ce que la dite couche (6) est située au dessus des parois (3). 9. Lingotière selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que la dite couche (15) s'étend sur la face interne (16) des dites parois (3). 10. Lingotière selon la revendication 9, caractérisée en ce que l'épaisseur de la dite couche (15) diminue du haut vers le bas. 11. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que les dits moyens de réduction de l'intensité du flux thermique sont constitués par des rainures (31) s'étendant sensiblement verticalement réalisées à la surface interne (32) des dites parois (3). 12. Lingotière selon la revendication 11, caractérisée en ce que les dites rainures (31) sont comblées au moins partiellement par un matériau (33) ayant une conductibilité thermique inférieure à celle du métal constitutif des parois. 13. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens d'injection (10) pour injecter au niveau de la dite rehausse et au moins au niveau de son bord inférieur, un gaz sous pression débouchant dans la lingotière en jets répartis sur toute la périphérie du dit passage.