Brevet FR2787045A1 — publié le 20000616

Pièce réfractaire d'injection de gaz dans un circuit de coulée de métal liquide. L'invention concerne l'injection de gaz dans un écoulement de métal en fusion. Dans les installations de coulée continue d'acier, on apporte l'acier liquide dans une poche que l'on déverse dans un répartiteur, dont les parois internes sont en matériau réfractaire; I'acier liquide s'écoule alors du répartiteur dans une succession de busettes de coulée par un orifice de vidange situé au fond du répartiteur; les busettes de coulée orientent l'acier liquide vers une lingotière de coulée continue. L'orifice de vidange du répartiteur forme généralement un col dont la section se rétrécit vers la busette de coulée. Pour réguler le débit de vidange du répartiteur, on utilise généralement une quenouille à corps tubulaire associée à un dispositif de réglage de la position verticale de la quenouille; la quenouille plonge sous le niveau d'acier liquide dans le répartiteur, dans l'axe et au dessus de l'orifice de vidange; la quenouille présente une extrémité inférieure d'obturation de l'orifice de vidange, susceptible de s'encastrer partiellement dans le col pour l'obturer partiellement ou complètement selon la position réglable en hauteur de la quenouille. Pour réguler le débit de vidange d'acier liquide, on asservit la position verticale de la quenouille à une consigne de niveau d'acier liquide en aval, notamment dans la lingotière, à l'aide du dispositif de réglage associé. Selon cette configuration, le circuit d'écoulement de métal liquide comprend donc plusieurs pièces réfractaires, notamment la quenouille et les busettes. Le métal liquide contient généralement des inclusions solides. Lors de la coulée du métal liquide, des inclusions risquent de s'accumuler en certains points du circuit d'écoulement, comme dans la zone comprise entre l'extrémité inférieure d'obturation de la quenouille et le col de l'orifice de vidange du répartiteur. L'accumulation de ces inclusions donne lieu à des relargages occasionnels et irréguliers de quantités importantes d'inclusions dans le circuit d'écoulement, ce qui dégrade fortement la qualité du métal coulé et conduit à des déclassements importants; I'accumulation de ces inclusions peut également provoquer des bouchages du circuit de coulée très préjudiciables à la productivité. Afin d'empêcher l'accumulation d'inclusions dans les zones d'accumulation, il est connu d'injecter un gaz inerte dans ces zones de l'écoulement de métal liquide, au travers de pièces réfractaires du circuit de coulée; certaines pièces réfractaires, comme la quenouille, sont donc dotées à cet effet de moyens d'injection de gaz inerte dans le circuit de coulée; le brevet EP 551 581 - THYSSEN - décrit une quenouille dotée de tels moyens d'injection de gaz. Par ailleurs, dans les conditions de coulée, le circuit de coulée n'est pas suffisamment étanche aux gaz; de l'air peut donc pénétrer dans le circuit de coulée, ce qui provoque la formation de quantités importantes d'inclusions et aggrave les défauts de qualité et les déclassements déjà cités. Afin d'empêcher la pénétration d'air dans le circuit de coulée à travers des pièces réfractaires ou des jonctions de pièces réfractaires, il est connu de faire diffuser un gaz inerte dans ces pièces ou dans ces jonctions; certaines pièces réfractaires, comme l'une des busettes dite " externe ", sont donc dotées à cet effet de moyens d'injection de gaz inerte; le brevet EP 589 762 - SOLLAC - décrit une busette dotée d'une chambre annulaire de diffusion de gaz formant écran à la migration de monoxyde de carbone et de moyens d'injection de gaz inerte dans cette chambre annulaire; le brevet FR 97 07 986 - SOLLAC - décrit un circuit de coulée présentant, au niveau de la jonction des pièces réfractaires, un canal annulaire de diffusion de gaz inerte faisant le tour du conduit de métal liquide à cet endroit et des moyens d'injection de gaz inerte dans ce canal annulaire. On voit donc que certaines pièces réfractaires d'un circuit de coulée de métal liquide sont donc dotées de moyens d'injection de gaz, notamment pour éviter l'accumulation d'inclusions ou pour améliorer l'étanchéité du circuit. Dans les procédés de coulée de métal, notamment d'acier, il est particulièrement important de contrôler la quantité de gaz réellement injectée dans le circuit de coulée; la maîtrise de cette quantité a en effet un impact important sur la propreté inclusionnaire du métal obtenu après coulée. D'une manière classique, les moyens d'injection de gaz comprennent un circuit interne à la pièce réfractaire, un circuit externe de canalisations classiques d'alimentation en gaz, et des moyens de connexion du circuit externe au circuit interne. Par exemple, la quenouille décrite dans le document EP 551 581 déjà cité est cylindrique tubulaire et l'intérieur du tube de la quenouille constitue la partie essentielle du circuit interne d'injection de gaz. Toujours dans le cas de quenouilles, les document de la Société LABOD EP 696 238 et EP 710 166 décrivent des moyens servant à la fois à la connexion de circuits de gaz et au maintien mécanique de la quenouille. Dans un autre exemple, la chambre annulaire de la busette décrite dans le document EP 589 762 déjà cité constitue, pour cette pièce réfractaire, la partie essentielle du circuit interne d'injection de gaz. Pour contrôler la quantité de gaz réellement injectée dans le circuit de coulée, il semblerait donc suffisant de contrôler le débit de gaz au niveaux des circuits externes, au moyens de dispositifs classiques de mesure et de régulation de débit. Mais, dans la pratique, les moyens de connexion du circuit externe au circuit interne présentent généralement des fuites irrégulières et imprévisibles de sorte que le contrôle du débit de gaz au niveaux des circuits externes se révèle insuffisant pour maintenir constante la quantité de gaz injectée dans le circuit de coulée. Ces risques de fuite résultent en particulier des difficultés bien connues à obtenir une étanchéité durable entre un matériau réfractaire et un matériau métallique inséré dans le réfractaire, notamment lorsque la jonction entre les deux matériaux est soumise à des variations de température importantes. L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient. A cet effet, l'invention a pour objet une pièce réfractaire d'injection de gaz dans un circuit de coulée de métal liquide caractérisé en ce qu'elle comprend un élément de type " Venturi-tuyère " au travers duquel circule ledit gaz. On appelle " Venturi-tuyère " un élément de conduite de gaz, présentant, de l'amont vers l'aval dans le sens de circulation du gaz, une portion convergente et une portion divergente formant un col à leur intersection. Les caractéristiques géométriques du " Venturi-tuyère ", notamment le diamètre du col, et ses conditions d'utilisation sont adaptées pour atteindre une valeur de débit critique de gaz conforme à une valeur prédéterminée de débit d'injection de gaz dans le circuit de coulée de métal; la norme ISO 9300: 1990 (F) fournit les indications nécessaires à ces adaptations. On peut utiliser indifféremment un Venturi-tuyère à col toroïdal ou un Venturi-tuyère à col cylindrique. Grâce à l'implantation d'un Venturi-tuyère dans la pièce réfractaire, et à son utilisation dans les conditions critiques d'écoulement de gaz, on parvient alors à obtenir au travers de la pièce réfractaire un débit de gaz directement proportionnel à la pression de gaz en amont du Venturi-tuyère. Pour contrôler la quantité de gaz réellement injectée dans le circuit de coulée au travers du circuit interne de la pièce réfractaire, il suffit alors de contrôler la pression de gaz en amont, par exemple au niveau du circuit externe des moyens d'injection. Ainsi, dans l'intervalle de fonctionnement critique du Venturi-tuyère, le débit de gaz injecté dans la pièce réfractaire est constant si la pression de gaz en amont est maintenue constante et quelles que soient les fuites existantes au niveau des moyens de connexion du circuit externe au circuit interne à la pièce réfractaire. L'invention permet donc de contrôler efficacement le débit de gaz réellement injecté dans du métal liquide, par l'intermédiaire d'une pièce réfractaire du circuit de coulée de ce métal, tout en s'affranchissant des risques d'entrée d'air ou de fuites en amont de cette pièce réfractaire, notamment au niveau de la connexion du circuit de gaz à cette pièce. L'invention permet également de mesurer le débit des fuites de gaz sur le circuit d'injection de gaz: il suffit en effet de mesurer, par des moyens classiques, le débit de gaz dans le circuit externe et de déduire le débit de fuites en soustrayant la valeur de débit critique de fonctionnement de l'élément Venturi-tuyère de cette valeur mesurée de débit externe de gaz; cet avantage est particulièrement intéressant pour la détection de fuites. L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - l'élément Venturi-tuyère est à col toroïdal. - la pièce comporte des moyens de filtrage du gaz implantés en amont dudit élément Venturi-tuyère par rapport au sens de circulation du gaz. - la pièce réfractaire est une quenouille de régulation de débit de vidange d'un répartiteur. - si cette quenouille est destinée à être installée au dessus d'un orifice de vidange du répartiteur de manière à réguler le débit de vidange de métal par cet orifice, elle est dotée de moyens pour éjecter du gaz dans la zone d'écoulement de métal proche de cet orifice de vidange. L'invention a également pour objet un procédé de coulée continue de métal dans un circuit de coulée comprenant au moins une pièce réfractaire selon l'invention, caractérisé en ce que l'on injecte un gaz au travers de ladite pièce dans ledit circuit de coulée de métal dans des conditions adaptées pour atteindre, au niveau dudit élément Venturi-tuyère, le régime critique de fonctionnement. L'invention peut également présenter la caractéristique selon laquelle on contrôle le débit de gaz injecté au travers de la pièce dans le circuit de coulée en réglant la pression d'injection de gaz mesurée en amont de ladite pièce réfractaire. L'invention a également pour objet une installation de coulée continue de métal comprenant un circuit de coulée comprenant au moins une pièce réfractaire selon l'invention, dotée de moyens d'injection de gaz comprenant un circuit interne à ladite pièce réfractaire débouchant dans ledit circuit de coulée, un circuit externe et des moyens de connexion dudit circuit externe au dit circuit interne, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection sont dotés de moyens de contrôle de la pression de gaz dans ledit circuit externe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un répartiteur contenant de l'acier liquide et d'une quenouille de régulation de débit de vidange du répartiteur dotée d'un circuit interne d'injection de gaz comprenant un élément Venturi- tuyère selon l'invention. - la figure 2 est une vue détaillée en coupe de l'élément Venturi-tuyère implanté dans ce circuit interne, correspondant au cercle en pointillé de la figure 1. - la figure 3 illustre, pour deux températures (courbe à 20 C et courbe à 1500 C) les caractéristiques débit (ordonnée, en Normo-litre / minute) - pression (en bar, correspondant à 105 Pa) d'un élément Venturi-tuyère selon l'invention, dont le col présente un diamètre de 0,7 mm. En se reportant aux figures 1 à 2, une installation de coulée continue d'acier comprend: - un répartiteur désigné dans son ensemble par la référence 1 doté d'un orifice de vidange 2 par le fond débouchant dans un tube de coulée 3, le répartiteur 1, I'orifice 2 et le tube 3 formant une partie du circuit de coulée d'acier, - une quenouille 4 à corps tubulaire disposée dans l'axe dudit orifice 2, - des moyens d'injection de gaz dans le circuit de coulée adaptés pour éjecter du gaz au niveau dudit orifice 2 notamment pour empêcher l'accumulation d'inclusions dans cette zone, - et un dispositif de réglage de la position verticale de la quenouille, connu en lui-même et non représenté, destiné à réguler le débit de vidange du répartiteur 1. D'une manière classique, la quenouille 4 se compose d'un corps, par exemple en alumine graphitée, de forme générale cylindrique droite tubulaire creuse, la partie creuse formant un canal interne 5. D'une manière classique, I'orifice de vidange 2 forme un col de vidange dont la section se rétrécit vers le bas dans le tube de coulée et l'extrémité inférieure du corps de la quenouille 4 forme un obturateur 6 susceptible de s'encastrer partiellement dans ledit col pour l'obturer partiellement ou complètement selon la position verticale de la quenouille. Les moyens d'injection de gaz comprennent un circuit d'injection de gaz décomposable en trois parties: un circuit interne à la pièce réfractaire comprenant essentiellement le canal interne 5, un circuit externe 7 de canalisations classiques d'alimentation en gaz, et des moyens de connexion 8 du circuit externe 7 au circuit interne. Les canalisations du circuit externe 7 et les moyens de connexion 8 sont essentiellement en matériaux métalliques, par opposition aux éléments du circuit interne qui sont essentiellement en matériaux réfractaires. En ce qui concerne la quenouille 4, le circuit interne débouche du canal interne 5 dans le circuit de coulée par des moyens d'éjection de gaz situés dans l'extrémité inférieure du corps de quenouille, soit au niveau de l'obturateur 6; le canal 5 est doté d'un filtre à poussières 10 et, selon l'invention, d'un élément 11 " Venturi-tuyère" en matériau réfractaire; cet élément 11 est représenté dans le cercle Il en pointillé de la figure 1 et plus en détail à la figure 2. Cet élément " Venturi-tuyère " présente, de l'amont vers l'aval dans le sens de circulation du gaz indiqué par la flèche à la figure 2, une portion convergente 11A et une portion divergente 11B formant un col à leur intersection. L'élément 11 Venturi-tuyère est de préférence monté et intégré à la quenouille 4 dans le processus de fabrication de cette quenouille, par exemple à l'étape de pressage isostatique de la poudre réfractaire pour former la quenouille; cet élément peut être en métal réfractaire, comme le molybdène, ou en céramique, comme l'alumine ou le nitrure de silicium le matériau retenu doit être adapté pour résister aux températures élevées proches de celle du métal liquide tout en respectant les tolérances dimensionnelles nécessaires à son bon fonctionnement. Le filtre à poussières 10 est de préférence en matériau réfractaire très poreux et peut être, comme l'élément 11 Venturi-tuyère, co-pressé lors du pressage isostatique de la quenouille, selon, par exemple, le procédé utilisé classiquement pour l'intégration de " bouchons poreux " à des pièces réfractaires. A titre d'exemple non limitatif, la quenouille 4 et ses éléments peuvent ainsi présenter les caractéristiques géométriques suivantes: - longueur du corps de quenouille et du canal interne 5: 1,0 à 1,4 m; - diamètre externe de la quenouille: 12 à 14 cm - diamètre du canal interne 5: 3,0 à 3,5 cm; - diamètre du canal d'éjection de gaz en sortie de quenouille: 5 mm - diamètre du col de l'élément Venturi-tuyère 11: 0,7 mm environ pour obtenir des débits d'injection de gaz typiquement compris entre 2 et 3 I/min., 0,9 mm environ pour obtenir des débits typiquement compris entre 5 et 8 I/min.. - angle d'ouverture de la portion divergente 1l 1 B: 4 . - rayon de fermeture de la portion convergente 1l 1A: 1,7 mm. Enfin, selon l'invention, les moyens d'injection de gaz comprennent des moyens de régulation de pression 9 implantés sur le circuit externe 7; ces moyens sont classiques et ne seront pas décrits ici en détail. Pendant le déroulement d'une opération de coulée continue d'une poche d'acier liquide (non représentée) se déversant dans le répartiteur 1 puis dans une lingotière (non représentée), en régime permanent, le niveau de l'acier liquide dans le répartiteur atteint le niveau de remplissage 12 et l'acier liquide circule dans le circuit de coulée. D'une manière connue en elle-même, pour réguler le débit de vidange d'acier à la sortie du répartiteur, on asservit la position verticale de la quenouille 4 à une consigne de niveau d'acier liquide en aval, par exemple en lingotière, à l'aide du dispositif de réglage de positionnement en hauteur de la quenouille par rapport à l'orifice de vidange 2. Pendant la coulée, grâce aux moyens d'injection de gaz précédemment décrit, on injecte un gaz neutre, par exemple de l'argon, dans la zone étroite de métal liquide ménagée entre l'obturateur 6 et l'orifice de vidange 2 en maintenant une pression constante prédéterminée P dans le canal interne 5 en amont de l'élément Venturi-tuyère, à l'aide des moyens de régulation de pression 9 implantés sur le circuit externe 7. Dans ces conditions, les flèches de la figure 1 représentent les différents trajets suivis par le gaz d'injection: comme indiqué par ces flèches, le gaz circule dans le canal interne 5, mais s'échappe également en fuyant vers l'extérieur, notamment à l'endroit des moyens de connexion 8 (flèches sur la figure 1); des fuites ont généralement lieu également au niveau des parois de la quenouille et au niveau d'autres connexions en amont sur le circuit externe d'alimentation en gaz. La valeur de la pression P est déterminée d'une part de manière à faire fonctionner l'élément Venturi-tuyère en régime critique, d'autre part de manière à obtenir le débit d'éjection de gaz souhaité dans le circuit de coulée. Dans ces conditions, quelque soit le débit de fuites de gaz au niveau des moyens de connexion 8, si la pression est maintenue constante, le débit d'injection dans le canal de coulée reste également constant. Si l'on veut faire varier le débit d'injection de gaz dans le canal de coulée, il suffit de modifier la pression P en conséquence, le débit de gaz en aval de l'élément Venturi-tuyère étant directement fonction de la pression en amont, notamment de la pression dans le circuit externe 7 des moyens d'injection. A titre d'exemple non limitatif: - en tenant compte du fait que la pression relative à la sortie de la quenouille (au niveau de l'éjection dans l'écoulement de métal liquide) est inférieure à 10+5 Pa (dépression liée au poids de la colonne de métal en écoulement), - à partir des courbes de la figure 3 (notamment courbe à 1500 C), on peut déduire la pression P qu'il convient d'appliquer en amont de l'élément Venturi-tuyère pour obtenir le débit d'injection de gaz souhaité. Selon cet exemple, le différentiel de pression entre l'amont et l'aval de I'élément Venturi-tuyère sera maintenu au voisinage de 2 10+5 Pa pour obtenir un débit de l'ordre de 3 Normo-litres par minute à 1500 C environ. Ainsi l'invention permet de contrôler simplement et efficacement le débit d'injection de gaz dans la pièce réfractaire du circuit de coulée, en l'occurrence dans la quenouille 4, et le débit d'éjection de gaz dans le circuit de coulée quelles que soient les fuites de gaz en amont de l'élément Venturi-Tuyère et notamment au niveau des moyens de connexion 8. De préférence, l'élément Venturi-tuyère du circuit interne est implanté à proximité des moyens d'éjection de gaz comme représenté à la figure 1, c'est à dire dans une zone de la quenouille o la température ne dépend pas du niveau de l'acier dans le répartiteur 1 ou de la position verticale de la quenouille 4; cette implantation dans la partie basse de la quenouille est favorable pour un contrôle plus efficace du débit d'injection de gaz. Avantageusement, le filtre 10 permet de maintenir en amont de l'élément Venturi-tuyère des conditions d'écoulement de gaz aptes au bon fonctionnement en débit critique de cet élément, en évitant notamment la présence de poussières qui risqueraient d'obturer le col de cet élément. En dehors de cet exemple concernant une quenouille, I'invention s'étend à tous les autres types de pièces réfractaires par lesquelles on injecte du gaz dans du métal liquide et qui, selon l'invention, comportent un élément de type " Venturi-tuyère " au travers duquel circule le gaz à injecter. REVENDICATIONS 1.- Pièce réfractaire d'injection de gaz dans un circuit de coulée de métal liquide caractérisé en ce qu'elle comprend un élément (11) de type " Venturi- tuyère " au travers duquel circule ledit gaz. 2.- Pièce selon la revendication 1 caractérisée en ce que ledit élément (11) Venturi-tuyère est à col toroïdal. 3.- Pièce selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de filtrage (10) du gaz implantés en amont dudit élément (11) Venturi-tuyère par rapport au sens de circulation du gaz. 4.- Pièce réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédente constituée par une quenouille (4) de régulation de débit de vidange d'un répartiteur (1). 5.- Quenouille (4) selon la revendication 4 destinée à être installée au dessus d'un orifice de vidange (2) dudit répartiteur (1) de manière à réguler le débit de vidange de métal par ledit orifice (2), caractérisée en qu'elle est dotée de moyens pour éjecter du gaz dans la zone d'écoulement de métal proche dudit orifice (2) de vidange. 6.- Procédé de coulée continue de métal dans un circuit de coulée comprenant au moins une pièce réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on injecte un gaz au travers de ladite pièce dans ledit circuit de coulée de métal dans des conditions adaptées pour atteindre, au niveau dudit élément (11) Venturituyère, le régime critique de fonctionnement. 7.- Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'on contrôle le débit de gaz injecté au travers de la pièce dans le circuit de coulée en réglant la pression d'injection de gaz mesurée en amont de ladite pièce réfractaire. 8.- Installation de coulée continue de métal comprenant un circuit de coulée (1, 2, 3) comprenant au moins une pièce réfractaire (4) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dotée de moyens d'injection de gaz comprenant un circuit interne à ladite pièce réfractaire (4) débouchant dans ledit circuit de coulée, un circuit externe (7) et des moyens de connexion (8) dudit circuit externe (7) au dit circuit interne, caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection sont dotés de moyens de contrôle de la pression (9) de gaz dans ledit circuit externe (7). 9.- Procédé selon la revendication 7 mis en oeuvre à l'aide de l'installation selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on règle ladite pression à l'aide des moyens de contrôle de la pression (9).