Brevet FR2785211A1 — publié le 20000505

FACE LATERALE POUR INSTALLATION DE COLLEE CONTINUE DE BANDES METALLIQUES ENTRE DEUX CYLINDRES L'invention concerne la coulée continue des métaux. Elle concerne plus particulièrement les installations de coulée continue de bandes minces métalliques du type appelé coulées entre cylindres , et plus précisément leurs faces latérales en réfractaire qui obturent l'espace de coulée. La coulée de bandes minces métalliques de quelques mm d'épaisseur directement à partir de métal liquide (acier ou cuivre, par exemple) peut avoir lieu sur une installation dite de coulée entre cylindres , alimentée en métal liquide à partir d'un répartiteur au moyen d'une busette de coulée. La machine comporte une lingotière 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 planes des cylindres. La solidification du métal liquide doit se produire uniquement sur les surfaces cylindriques refroidies des cylindres, par formation de peaux solidifiées que l'on fait se rejoindre au niveau du col (la zone où l'écart entre les surfaces des cylindres est minimal) pour former la bande, qui est extraite continûment de l'espace de coulée. Dans la pratique, il est cependant difficile d'éviter en permanence l'apparition de solidifications dites solidifications parasites , c'est à dire de couches de métal solidifiées qui prennent naissance sur certaines zones des faces latérales, souvent à proximité immédiate des cylindres. Elles sont dues au fait que le métal liquide avoisinant ces zones peut se trouver à une température sensiblement inférieure à sa température nominale et tre donc susceptible de se solidifier localement au contact des faces latérales. Cette basse température peut tre due à l'influence des cylindres refroidis, ou à des conditions hydrodynamiques défavorables qui ne permettent pas un renouvellement suffisant du métal liquide dans ces zones, ou à une température insuffisante des faces latérales due à un mauvais préchauffage avant la coulée. Bien entendu, plusieurs de ces facteurs peuvent se conjuguer. Les solidifications parasites qui se produisent au voisinage des zones de contact entre les cylindres et les faces latérales provoquent des dégradations des faces latérales qui compromettent l'étanchéité de l'espace de coulée. Du métal peut alors s'infiltrer entre les faces latérales et les cylindres et s'y solidifier, ce qui augmente encore la détérioration des faces latérales. Dans les cas les plus graves, le métal peut mme s'échapper à l'état liquide hors de la machine, avec tous les risques que cela comporte pour l'installation et le personnel. De plus, lorsque le métal solide résultant de ces solidifications parasites est entraîné dans le bas de l'espace de coulée, il doit passer entre les cylindres en créant une épaisseur de métal qui s'ajoute à l'épaisseur normale du produit. Il s'ensuit que les cylindres doivent momentanément absorber un effort supplémentaire qui les oblige à s'écarter temporairement l'un de l'autre pour éviter leur détérioration. La qualité de la bande en est défavorablement affectée. On peut aussi assister à un recul de la face latérale, avec les risques de perte de l'étanchéité de l'espace de coulée qui lui sont associés. Habituellement, on essaye de limiter l'apparition des solidifications parasites en adoptant des configurations de busette de coulée particulières. Elles visent à imposer au métal liquide se trouvant dans l'espace de coulée des conditions d'écoulement censées assurer un renouvellement permanent du métal face aux zones où les solidifications parasites sont les plus susceptibles de se produire, par exemple en amenant du métal liquide sortant de la busette directement à proximité de ces zones. Cela peut cependant conduire à un déficit d'alimentation en métal liquide en d'autres parties de l'espace de coulée. Une autre méthode consiste à prévoir un réchauffage permanent des faces latérales pendant la coulée, au moyen de brûleurs ou de fours à induction, voire également un réchauffage par induction du métal se trouvant dans leur voisinage. Cela entraîne cependant des complications dans la construction de la face latérale et dans la gestion de son fonctionnement. Le but de l'invention est de procurer aux utilisateurs de coulées continues de bandes minces d'acier entre cylindres une méthode simple de prévention des solidifications parasites qui pourrait s'ajouter aux précédentes pour en renforcer les effets, ou s'y substituer pour en supprimer les inconvénients. A cet effet, l'invention a pour objet une face latérale d'obturation de l'espace de coulée d'une installation de coulée continue de bandes métalliques, directement à partir de métal liquide, entre deux cylindres refroidis à axes horizontaux en rotation en sens contraires, ladite face latérale étant destinée à tre mise au contact des extrémités planes des cylindres dans des zones incluant ses arcs de contact avec les bords desdits cylindres, caractérisée en ce qu'elle comporte sur chacune de ses portions destinées à tre mises au contact de l'un des cylindres, au moins une rainure ménagée sur sa surface, située en retrait d'une distance minimale, égale à quelques mm, dudit arc de contact, la ou lesdites rainures étant disposées de telle manière qu'au moins une telle rainure soit présente à chaque niveau desdites zones incluant lesdits arcs de contact, et ceci au moins sur la hauteur de l'espace de coulée sur laquelle du métal liquide est susceptible de se trouver. Comme on l'aura compris, 1'invention consiste à pratiquer des rainures superficielles dans les portions de la face latérale qui sont au contact des bords des cylindres, parallèlement à l'arc de contact cylindre-face latérale. Ces rainures introduisent une résistance de conduction supplémentaire sur les lignes de champ thermiques qui vont du cylindre à l'acier liquide en passant par la face latérale, et on atténue ainsi l'extraction de chaleur du métal liquide qui se produit au niveau de la face latérale. De cette façon, le risque d'apparition de solidification parasites sur la face latérale à proximité des cylindres est nettement diminué. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures annexées suivantes : -la figure 1 qui représente, à titre de référence, une face latérale de coulée continue entre cylindres d'un type habituel, vue de face sur la figure la, vue de dessus en coupe selon Ib-Ib sur la figure lb (sur laquelle on a également représenté le métal liquide, un cylindre et le métal solidifié à son voisinage, lorsque la face latérale est en ; -la figure 2 qui représente un premier exemple de face latérale de coulée continue entre cylindres selon l'invention, vue de face sur la figure 2a, vue de dessus en coupe selon IIb-IIb sur la figure 2b (sur laquelle on a également représenté le métal liquide, un cylindre et le métal solidifié à son voisinage, lorsque la face latérale est en service) ; -la figure 3 qui représente un second exemple de face latérale de coulée continue entre cylindres selon l'invention, vue de face sur la figure 3a, vue de dessus en coupe selon IIIb-IIIb sur la figure 3b (sur laquelle on a également représenté le métal liquide, un cylindre et le métal solidifié à son voisinage, lorsque la face latérale est en service). Sur la figure la, qui représente schématiquement la face avant d'un exemple de face latérale 1 selon l'art antérieur et sur les figures 2a, 3a qui représentent de la mme façon des exemples de face latérale 1', 1"selon l'invention, les dimensions ne sont pas à l'echelle, pour des raisons de clarté de l'illustration du principe de l'invention. Il faut savoir que sur les installations susceptibles d'tre utilisées industriellement pour la coulée de l'acier, les diamètres des cylindres 2,2'en rotation (dont les contours des surfaces externes, lorsque les faces latérales 1,1', 1"sont en position de travail, sont représentés en pointillés) vont de 500 à 1500 mm, alors qu'au niveau du col 3, la largeur de l'espace qui sépare les surfaces externes des cylindres 2,2'est égale à l'épaisseur de la bande coulée, à savoir quelques mm, au plus 10 mm. On a également représenté en pointillés le niveau nominal 4 atteint par la surface du métal liquide présent dans l'espace de coulée, et aussi les contours de la bande solidifiée 5 qui, est extraite de l'installation, et des peaux de métal solidifié 6,6'qui naissent et croissent sur les cylindres 2,2'et se rejoignent au col 3 pour former la bande 5. Dans l'espace de coulée, du métal liquide 12 est donc susceptible de se trouver sur une hauteur h comprise entre comprise niveau nominal niveau nominal la surface du métal liquide 12 et le niveau du col 3. La face latérale 1 selon l'art antérieur se compose, dans l'exemple représenté, des éléments suivants : -une plaque support 7 en matériau réfractaire à fortes propriétés isolantes, sur la face arrière de laquelle agissent les organes (non représentés) qui appliquent la face latérale 1 contre les extrémités des cylindres 2,2' ; sur sa face avant est ménagé un évidement ; -une pièce 9 (qui peut tre en une ou plusieurs parties), appelée insert)) disposée à la périphérie de l'évidement 8 ; elle fait face aux bords des cylindres 2,2', à la zone 10 entourant le col 3 et aux peaux solidifiées 6,6' ; de manière générale, cet insert 9 doit faire face à toutes les parties de la face latérale 1 qui sont appelées à tre au contact des peaux solidifiées 6,6'dans des zones où une étanchéité de t'espace de coulée est indispensable ; pour que cette étanchéité soit réalisée en permanence, malgré les frottements auxquels est soumis l'insert 9, il faut réaliser cet insert 9 en un matériau réfractaire présentant une forte résistance à l'usure mécanique et à la corrosion par le métal coulé, tel que du SALON@, mme si sa compacité élevée doit lui conférer des propriétés isolantes relativement médiocres ; -un garnissage 11 qui remplit le reste de l'évidement 8, et assure donc l'essentiel des contacts entre la face latérale 1 et le métal liquide 12 (représenté sur la figure lb) ; ce garnissage 11 est en un matériau réfractaire à hautes propriétés isolantes, tel que la mousse de silice, et peut présenter des propriétés mécaniques et chimiques moins élevées que celles de l'insert 9. L'insert 9 et le garnissage 11 constituent ce qu'on peut appeler la partie active de la face latérale 1, en ce qu'ils assurent le confinement du métal liquide 12 entre les cylindres 2,2'et l'essentiel de l'étanchéité de l'espace de coulée. Sur la figure lb, on a représenté un exemple de solidification parasite 13 qui s'est formée sur une partie de l'insert 9 qui fait face au métal liquide 12, et qui est du type de celles qu'il faut éviter. On n'a pas représenté les organes internes du cylindre 2, notamment ses moyens de refroidissement (canaux à circulation d'eau ménagés sous sa surface), car ils n'interviennent pas dans la définition de l'invention et peuvent tre de tout type connu. Les inventeurs ont analysé les conditions de formation de telles solidifications parasites 13. Les échanges thermiques qui ont lieu entre les différents éléments présents dans cette région de la machine de coulée peuvent se décomposer de la manière suivante : -échanges par convection entre le métal liquide 12 et le métal de la solidification parasite 13 éventuelle, et entre le métal liquide 12 et la peau solidifiée 6 ; -échanges par conduction à l'intérieur de la solidification parasite 13 et de la peau solidifiée 6 ; -échanges par conduction via une résistance de contact entre la solidification parasite 13 et l'insert 9, et entre la peau solidifiée 6 et l'insert ; -échanges par conduction via une résistance de contact entre la peau solidifiée 6 et le cylindre refroidi 2 ; -échanges par conduction à l'intérieur de l'insert 9 et à l'intérieur du cylindre ; -échanges par conduction via une résistance de contact entre l'insert 9 et le cylindre 2. Les inventeurs ont déterminé que la conduction thermique qui provoque une extraction de chaleur à partir du métal liquide 12 par le cylindre refroidi 2, et ceci par l'intermédiaire de l'insert 9, n'est pas un phénomène d'importance secondaire. C'est en fait cette conduction qui est à l'origine de la formation des solidifications parasites 13, lorsque l'extraction de chaleur atteint des proportions suffisantes à cet effet. Les lignes de champ thermiques correspondantes sont représentées en pointillés 14. L'emploi d'un matériau plus isolant pour constituer l'insert 9, afin de réduire cette conduction thermique, poserait plus de problèmes qu'il n'en résoudrait. En effet, il se traduirait fatalement par une dégradation des propriétés mécaniques de l'insert 9, qui conduirait à des infiltrations et à des solidifications de métal entre le cylindre 2 et l'insert 9. Pour atténuer ces transferts thermiques par conduction sans dégrader les propriétés mécaniques de l'insert 9, les inventeurs ont donc pensé à introduire une résistance de contact supplémentaire à l'intérieur mme de l'insert 9, sur le trajet des lignes de champ thermiques 14 qui vont du cylindre 2,2'au métal liquide 12. Cette résistance de contact est causée par des rainures étroites et relativement profondes qui sont ménagées à partir de la surface de l'insert 9, dans ses portions qui sont destinées à faire face aux cylindres 2,2'. La figure 2 montre un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention. Dans cet exemple, on a ménagé à la surface de l'insert 9 deux rainures 15, 15', situées chacune dans une des portions de l'insert 9 qui doivent tre au contact des cylindres 2,2'Elles forment chacune une portion de cercle, dont le centre de courbure 0, 0' est situé sur l'axe du cylindre 2,2'correspondant, et dont le rayon de courbure r est de peu inférieur peu rayon de courbure du bord dudit cylindre 2,2'. En conséquence, chaque rainure 15,15' s'étend parallèlement à l'arc de contact entre le bord du cylindre 2,2'correspondant et l'insert 9. Dans la pratique, la distance d qui sépare les rainures 15, 15'du rainures 15, cylindre 2,2'est, par exemple, de 2 à 4 mm. Elle doit tre aussi réduite que possible, car les transferts thermiques sont les plus intenses au voisinage des bords des cylindres 2,2', et une rainure 15,15'trop reculée par rapport au bord du cylindre correspondant ne pourrait pas intercepter les lignes de champ thermique 14 les plus importantes. Les rainures 15, 15', dans 1'exemple représenté, s'étendent sur toute la hauteur de l'insert 9, mais il serait aussi acceptable de limiter leur extension entre le niveau nominal 4 du métal liquide et le niveau du col 3 (ou un niveau légèrement inférieur), c'est à dire à la hauteur h de l'espace de coulée sur laquelle du métal liquide 12 est susceptible de se trouver. La fonction de ces rainures 15,15', comme symbolisé sur la figure 2b, est d'interrompre autant que possible les lignes de champ thermiques 14 qui partent des cylindres 2,2'et parcourent l'insert 9, avant qu'elles ne parviennent face au métal liquide 12. On réduit ainsi les transferts thermiques par conduction entre les cylindres 2,2'et le métal liquide 12 via l'insert 9, dans une mesure qui est suffisante pour empcher l'apparition des solidifications parasites 13 que l'on observait avec une face latérale 1 selon l'art antérieur. Ces rainures ont préférentietlement une largeur de 0,2 à 0,6 mm. Leur profondeur p est préférentiellement d'au moins 5 mm, afin qu'elles puissent interrompre un nombre suffisamment élevé de lignes de champ thermiques 14. Ces rainures 15, 15'ne doivent cependant pas atteindre une profondeur telle qu'elles fragiliseraient exagérément l'insert ; dans la pratique il est préférable à cet effet que les rainures 15, 15'ne s'étendent pas sur plus de 75% de l'épaisseur totale de l'insert 9. En variante, on peut ménager dans l'insert 9 d'autres rainures en retrait des rainures 15, 15'et parallèlement à elles. Un possible inconvénient du premier exemple de mise en oeuvre de l'invention qui vient d'tre décrit est que si, en cours de coulée, on est amené à écarter légèrement les cylindres 2,2'I'un de l'autre par rapport à leur position nominale, l'une au moins des rainures 15,15'risque de se retrouver face au métal liquide 12, en particulier dans les régions supérieures de l'espace de coulée où les peaux solidifiées 6,6'ont encore une faible épaisseur. Il y a alors un risque d'infiltration de métal liquide 12 entre l'insert 9 et le cylindre 2,2'correspondant, en particulier si les rainures 15, 15'sont relativement larges. Le risque de retrouver fréquemment une rainure 15, 15'face au métal liquide 12 peut aussi exister dans le cas où, comme il est connu, on fait osciller ou vibrer la face latérale 1'dans son plan de contact avec les cylindres 2,2', ce qui a pour effet de faire varier en permanence la distance d) > . On peut remédier à cet inconvénient en utilisant la variante de l'invention représentée sur la figure 3. Dans cette variante, on ménage sur l'insert 9 de la face latérale 1"des séries de rainures sensiblement verticales 16,16'de longueurs diverses, chacune de ces séries étant disposée dans une zone dont l'orientation générale est parallèle à l'arc de contact de la face latérale 1"et du cylindre 2,2'qui lui correspond. L'essentiel est qu'a chaque niveau horizontal de l'insert 9, au moins sur la hauteur h de l'espace de coulée sur laquelle du métal liquide 12 est susceptible d'tre présent, on trouve au moins une rainure 16 qui débouche à une distance minimale d faible du faible de chaque cylindre 2,2' (par exemple 2 à 4 mm comme c'est le cas pour les rainures 15, 15' de la première variante). On réalise ainsi l'interruption des lignes de champ thermiques 14 au voisinage des arcs de contact entre les bords des cylindres 2,2'et l'insert 9 sur au moins toute la longueur de ces arcs où il y a des risques d'infiltration de métal liquide 12. Ainsi, en cas de déplacement relatif des cylindres 2,2'et de la face latérale 1"susceptible de mettre les rainures 16,16'en contact avec le métal liquide 12, les possibilités d'infiltration de métal liquide 12 entre l'insert 9 et les cylindres 2,2'n'existent que sur des longueurs faibles et, surtout, discontinues. Les conséquences en sont donc limitées. Bien entendu, la disposition verticale des rainures 16,16'telle que représentée sur la figure 3 n'est qu'un exemple, et les rainures 16,16'peuvent tre disposées selon un ordonnancement différent, voire de façon désordonnée, pourvu que la condition essentielle précédente soit respectée. Si les rainures 15, 15', 16,16'sont laissées vides, une transmission de la chaleur à travers elles peut néanmoins se produire par rayonnement de leur face interne 17 la plus proche de l'axe du cylindre 2,2'en direction de leur face interne 18 la plus proche du métal liquide 12. Cette transmission par rayonnement peut tre supprimée si on introduit dans les rainures 15, 15', 16,16'un matériau de remplissage composé de particules de réfractaire, dont la granulométrie est, de préférence, légèrement inférieure à la largeur des rainures 15, 15', 16,16'. Certes, en procédant ainsi on rétablit des possibilités de transmission de la chaleur par conduction à l'intérieur des rainures 15, 15', 16,16'Mais si les particules ont un diamètre qui n'est que de peu inférieur à la largeur des rainures 15, 15', 16,16', le remplissage ne possède qu'une faible compacité, ce qui lui confere des propriétés isolantes de toute façon sensiblement supérieures à celles du réfractaire dense constituant l'insert 9. Pour accroitre ces propriétés isolantes, on peut également jouer sur les caractéristiques intrinsèques du matériau constituant les particules du remplissage, en choisissant un matériau à conductivité thermique particulièrement faible (par exemple de l'oxyde de titane, de la zircone...). L'utilisation d'un tel remplissage a également pour avantage de réduire les risques d'infiltration de métal liquide 12 entre l'insert 9 et les cylindres 2,2', au cas où les rainures 15,15', 16,16'viendraient à se trouver en face du métal liquide 12. Si on veut réaliser des rainures 15, 15', 16,16'de largeur relativement élevée (0,5 mm ou plus), il est possible de le faire par des méthodes mécaniques. Si on désire réaliser des rainures 15,15', 16,16'plus étroites, cela peut tre fait en introduisant dans le réfractaire, lors de son moulage, des feuilles d'un matériau qui se volatilisera lors de la cuisson de l'insert 9 en laissant subsister des rainures 15, 15', 16,16'de la taille désirée à leurs emplacements. L'invention permet de diminuer considérablement l'influence des cylindres refroidis sur la température des faces latérales dans leurs zones les plus sensibles à l'apparition de solidifications parasites. Elle est simple à mettre en oeuvre, et contrairement aux autres dispositifs précédemment connus à cet effet, elle peut tre implantée sur une machine existante sans qu'il soit nécessaire d'en modifier les autres parties. L'invention peut tre employée seule, ou s'ajouter à d'autres dispositifs anti-solidifications parasites de types connus. L'invention est, bien entendu, applicable de la mme façon à des faces latérales dont la partie active ne serait pas constituée par un insert et un garnissage distincts, mais par une pièce unique. Elle est utilisable pour la coulée continue entre cylindres de bandes métalliques de tous métaux sur des installations telles que décrites, en particulier pour la coulée d'acier au carbone, d'acier inoxydable ou de cuivre. REVENDICATIONS 1) Face latérale (1', 1") d'obturation de 1'espace de coulée d'une installation de coulée continue de bandes métalliques (5), directement à partir de métal liquide (12), entre deux cylindres (2,2') refroidis à axes horizontaux en rotation en sens contraires, ladite face latérale (1', 1") étant destinée à tre mise au contact des extrémités planes des cylindres (2, 2') dans des zones incluant ses arcs de contact avec les bords desdits cylindres (2,2'), caractérisée en ce qu'elle comporte sur chacune de ses portions destinées à tre mises au contact de l'un des cylindres (2,2'), au moins une rainure ménagée sur sa surface, située en retrait d'une distance minimale d , égale à quelques mm, dudit arc de contact, la ou lesdites rainures étant disposées de telle manière qu'au moins une telle rainure soit présente à chaque niveau desdites zones incluant lesdits arcs de contact, et ceci au moins sur la hauteur 2) Face latérale (1') selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites rainures (15, 15') ont la forme d'un arc de cercle dont le centre de courbure 0, 0' est situé sur l'axe d'un cylindre et dont le rayon de courbure ru est inférieur est inférieur de courbure dudit cylindre (2,2'). 3) Face latérale (1") selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites rainures (16,16') sont en nombre multiple et sont réparties sur des zones dont les orientations générales sont parallèles auxdits arcs de contact. 4) Face latérale (1', 1") selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites rainures (15,15', 16,16') ont une largeur de 0,2 à mm. 5) Face latérale selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdites rainures (15,15', 16,16') ont une profondeur minimale de 5 mm. 6) Face latérale (1', 1") selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que lesdites rainures (15,15', 16,16') renferment un matériau de remplissage constitué par des particules de réfractaire.