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En fonctionnement, le métal liquide s'écoulant du panier répartiteur dans la lingotière via une busette réfractaire, immergée ou non sous le niveau d'acier liquide ou ménisque, situé dans la partie supérieure de la lingotière, crée des turbulences au niveau de la surface libre d'acier sous forme de boucles de recirculation ou de vagues au ménisque. En outre, on constate en pratique qu'il est très difficile de maintenir un niveau rigoureusement constant de l'acier dans) la lingotière, principalement lorsque le débit d'acier est élevé. De plus, des perturbations existent dans le système.
Elles sont, soit régulières et contrôlées, et liées au mouvement d'oscillation de la lingotière en cours de l'opération de coulée continue, soit accidentelles, par exemple, lors de la modification de la vitesse de coulée, donc du débit sortant de la lingotière, ou d'irrégularités dans le débit entrant dues, par exemple, à une détérioration progressive de la busette,....
Afin de diminuer l'impact des perturbations au niveau du ménisque, on a développé des systèmes performants de régulation du débit d'acier liquide par restriction de la section de passage de la busette en fonction du niveau mesuré en lingotière, systèmes dits à quenouille ou à tiroir. D'autre part, des systèmes de"frein électromagnétique"ont également été mis au point afin de diminuer les vitesses d'écoulement au sein même du liquide présent en lingotière, et notamment au ménisque.
Ces systèmes, quoique performants, ne permettent pas d'éviter complètement la formation de défauts de surface dus au fait que la solidification de l'acier est amorcée au niveau du ménisque, c'est-à-dire à l'endroit du premier contact avec les parois de la lingotière en cuivre.
Ce problème de qualité de surface est particulièrement aigu en coulée continue de produits plats, par exemple tels que des brames, car bon nombre de produits coulés dans ces formats sont destinés à des applications dites"nobles"telles que les tôles pour carrosseries ou pour boîtes à boissons et exigent un produit coulé de base exempt de défauts de surface.
Une alternative au procédé conventionnel de coulée continue décrit ci-dessus consiste à dissocier la zone du ménisque de la zone de première solidification. On a constaté qu'on remédie à la majorité des défauts de surface sur le produit obtenu en coulée
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continue en évitant que le ménisque ne s'établisse dans la même région que celle où commence la solidification de la peau dudit produit. Pour ce faire, on prolonge la lingotière en cuivre vers le haut par un élément, appelé rehausse, constitué d'une matière réfractaire et positionné au-dessus de ladite lingotière de telle sorte que le niveau d'acier liquide, ou ménisque, soit situé dans la rehausse précitée en réfractaire et non plus dans la lingotière en cuivre proprement dite.
L'acier demeure donc à l'état liquide au contact des réfractaires constitutifs de la rehausse et commence à se solidifier seulement lorsqu'il arrive au contact de la lingotière métallique formée de cuivre sise en dessous de la rehausse c'est-à-dire largement sous le niveau du ménisque, à une distance dont l'ordre de grandeur est de 100 à 300 mm. Cette dernière méthode de coulée continue d'acier avec une rehausse en réfractaire disposée au-dessus de la lingotière en cuivre est appelée coulée continue en charge.
Dans le contexte précité, la majorité des travaux de recherche/développement sont directement inspirés de la technique de coulée continue en charge horizontale et ont pour caractéristique que les dimensions internes de la rehausse réfractaire sont inférieures aux dimensions internes de la lingotière au-dessus de laquelle elles sont positionnées, avec pour résultat que les parois de la rehausse ne peuvent pas être disposées dans le prolongement des parois de la lingotière.
Par ailleurs, une autre technologie de coulée continue en charge verticale, qui a été développée récemment, utilise des rehausses en réfractaire dont les parois internes sont disposées en alignement parfait, aux jeux d'assemblages mécaniques près, avec les parois internes de la lingotière de coulée continue verticale sur laquelle elle est positionnée.
De cette manière, on évite les défauts typiques présents en coulée continue en charge horizontale tels que les"cold shuts"qui sont imputables à des solidifications parasites sur la face des réfractaires qui est perpendiculaire à l'axe de coulée et qui apparaissaient aussi en coulée continue en charge verticale du fait de la transposition de la technique de rehausse de l'horizontal vers le vertical, c'est-à-dire sans alignement de la face intérieure de la lingotière avec la face intérieure de la rehausse ou du joint s'il en existe un entre la rehausse et la lingotière.
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Dans le contexte de la coulée continue en charge verticale de produits longs, avec une rehausse aux mêmes dimensions internes que celles de la lingotière de coulée continue, on observe les caractéristiques techniques suivantes : une rehausse qui est construite de manière à ce que ses parois intérieures soient en alignement avec les parois internes de la lingotière ; ladite rehausse réfractaire est positionnée au-dessus de la lingotière de coulée continue et fait office de"réservoir d'acier liquide", la rehausse en question devant répondre principalement à des critères de résistance au choc thermique et est constituée d'un matériau possédant d'excellentes propriétés d'isolation thermique ;
la présence d'un élément réfractaire, dit"de jonction", placé entre ladite rehausse et la lingotière de coulée continue et lui aussi en alignement avec ces deux derniers, ledit élément de jonction étant positionné juste au-dessus de ladite lingotière et devant satisfaire à certains critères de conductibilité et diffusivité thermiques, de résistance au choc thermique, de résistance à l'usure mécanique (contact avec l'acier solidifié) et chimique (contact avec l'acier liquide) et d'usinabilité acceptable pour sa mise à forme ; ledit réfractaire étant généralement monobloc et obligatoirement précontraint par frettage à chaud dans un cadre métallique afin d'augmenter sa résistance à la fissuration au cours de sa montée en régime thermique en début de coulée ;
une injection de gaz inerte, par exemple de l'argon, est réalisée entre la lingotière de coulée continue en cuivre et l'élément de jonction afin d'éviter l'apparition de solidifications parasites d'acier sur le bas des réfractaires. Pratiquement, l'injection de gaz inerte est réalisée au travers d'une fente horizontale continue ménagée entre le cuivre et le réfractaire et dont la hauteur est comprise entre
0,05 mm et 0,3 mm ;
Un tube de lingotière modifié, pour permettre d'une part la fixation du système de rehausse et d'autre part le refroidissement intense de l'extrémité supérieure du tube.
Le fait de passer d'une coulée continue conventionnelle vers une coulée continue sous charge a pour conséquence l'apparition d'un problème de refroidissement de la partie de la lingotière directement proche de son entrée. En effet, dans la coulée continue
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verticale conventionnelle, le niveau d'acier liquide ou ménisque se situe à une distance pouvant aller de 100 à 200 mm sous l'extrémité supérieure du tube formant la lingotière en cuivre. Cette distance est variable en fonction des sites, des constructeurs de la machine,.... Le refroidissement du tube est assuré par une circulation d'eau à grande vitesse, se faisant verticalement, de bas en haut, tout au long de la paroi extérieure.
L'eau est forcée à passer entre le tube de lingotière et une"chemise" extérieure, qui ménage un passage de l'ordre de 3 à 6 mm de large. L'extension de ce circuit jusqu'à proximité de l'arête supérieure de la lingotière, c'est-à-dire de l'ordre de 5 mm de la face supérieure et de 7 mm de la face intérieure du tube formant la lingotière est rendue obligatoire par le fait que la solidification de l'acier qui s'y amorce a pour effet de provoquer un échauffement important du tube de la lingotière.
Le tube en question étant généralement en cuivre, sa température ne peut donc pas dépasser 350 à 500 C, soit la température de recristallisation de la nuance de cuivre utilisée, Cependant, cette extension du circuit de circulation verticale de l'eau est limitée en pratique par l'obligation de créer un arrondi important pour "guider" l'eau sous peine de voir se former des zones mortes où se produisent des phénomènes d'ébullition de l'eau, fort néfastes à la tenue en service de la lingotière.
Il s'avère donc dans ces conditions, d'une part qu'il est impossible d'approcher le refroidissement suffisamment près de l'arête supérieure de la lingotière pour permettre, sans danger de surchauffe locale, une amorce de la solidification pratiquement à l'entrée de la lingotière, et d'autre part, que lors de la coulée continue en charge, la présence de la rehausse rend possible le début de la solidification directement à l'entrée de la lingotière, d'où en découle un danger réel de détérioration de la lingotière.
Dans le contexte de la coulée continue en charge de produits longs, la solution technologique actuellement retenue dans le cadre des développements connus consiste à prolonger le circuit existant de refroidissement de la lingotière aussi loin que possible et à ajouter, au-dessus du tube formant la lingotière, un élément tubulaire court, de l'ordre de 40 à 100 mm, appelé anneau ou cadre, et qui est refroidi par une circulation horizontale d'eau à très grande vitesse. De cette manière, le canal d'eau étant de section rectangulaire et pouvant être positionné fort près de l'arête supérieure du tube de la lingotière, on peut assurer un refroidissement adéquat et efficace du bord supérieur de la lingotière.
De plus, cet élément est aisément démontable et peut donc
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être remplacé indépendamment de la lingotière en cas de détérioration, par exemple suite à l'usure de l'arête supérieure provoquée par le frottement de la peau solidifiée, éventuellement accentué par le mouvement d'oscillation propre de la lingotière, ou encore suite à une déformation rémanente due aux très hautes températures atteintes par l'arête supérieure de la lingotière en cuivre. L'anneau est placé en parfait alignement sur les faces internes de la lingotière afin de conserver une section de passage constante pour l'acier en cours de solidification.
Si tel n'était pas le cas, il en résulterait des contraintes sur la peau du produit en cours de solidification, ce qui déboucherait inévitablement sur un arrêt accidentel de l'opération de coulée.
Une variante des développements actuels connus consiste à intégrer dans le dessus du tube formant la lingotière classique un circuit de refroidissement comparable à celui de l'anneau ou cadre. On a alors la latitude d'utiliser, ou non, l'anneau ou cadre.
Les essais de mise en pratique industrielle des développements techniques précités ont été principalement appliqués dans la coulée continue en charge verticale de produits longs s'apparentant au format billettes, à savoir de petites dimensions (200 x 200 mm2 maximum) et de sections symétriques (carrés, hexagones ou ronds), et ce au moyen de lingotières tubulaires formées en général d'une seule pièce.
Une extension des développements précités vers la coulée continue en charge verticale de produits plats, communément appelés brames, a fait apparaître un certain nombre de problèmes au niveau de la construction même de la lingotière avec rehausse.
La technologie de coulée continue verticale en charge avec anneau ou cadre telle que décrite ci-dessus ne peut pas s'appliquer directement à la coulée continue en charge avec rehausse de produits plats ou brames pour des raisons liées à la réalisation pratique de l'anneau ou cadre pour le refroidissement qui semble poser un problème majeur dans une mise en oeuvre industrielle.
Les difficultés pratiques précitées sont principalement liées au fait qu'il existe des différences importantes au niveau de la construction entre les lingotières pour billettes ou produits longs et celles utilisées pour les brames ou produits plats.
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En effet, une lingotière pour billettes ou produits longs est caractérisée par : une construction monobloc, par exemple un tube en cuivre ; une section circulaire, carrée ou rectangulaire avec un rapport largeur sur épaisseur n'excédant pas 2 ; des dimensions réduites, de l'ordre de 220 mm de côté au maximum.
Une lingotière pour brames ou produits plats est, quant à elle, caractérisée par : une construction en 4 plaques indépendantes, ayant chacune son propre circuit de refroidissement, et assemblées mécaniquement, les deux petites faces étant pressées entre les deux grandes faces ; une section rectangulaire avec un rapport largeur sur épaisseur largement supérieur à 2 ; - de grandes dimensions, par exemple, une épaisseur de 220 mm sur une largeur
2000 mm ; - généralement, une possibilité de modification de la largeur, soit en cours de coulée, soit entre deux opérations de coulée, par déplacement contrôlé des deux petites faces entre les deux grandes faces.
Vu les différences structurelles précitées existantes entre les dispositifs pour couler en continu sous charge des produits, respectivement longs et plats, l'adaptation d'une technique dérivée de l'anneau ou cadre utilisé dans la coulée continue verticale en charge des produits longs n'est pas évidente et demande qu'on tienne compte des caractéristiques propres au refroidissement des plaques qui forment la lingotière pour produits plats.
Dans la pratique courante, le refroidissement de chacune des 4 plaques, en cuivre ou en un de ses alliages, constitutives d'une lingotière à brames est généralement réalisé comme suit.
- Sur la face arrière ou face froide de la plaque sont fraisées des rainures verticales régulièrement espacées ; une variante consistant à forer des trous verticaux non dépassants dans l'épaisseur de la plaque, à boucher leur extrémité, et à mettre les canaux ainsi créés en communication avec la face froide en forant des trous horizontaux perpendiculaires à la face froide, d'une part au voisinage de l'extrémité
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supérieure de la plaque et d'autre part au voisinage de son extrémité inférieure.
- Des "plaques d'appui" en acier sont appliquées sur la face arrière des plaques en cuivre et cumulent les trois fonctions suivantes, à savoir : rigidifier les plaques de cuivre au cours de l'opération de coulée : les plaques d'appui sont ainsi fixées sur les plaques en cuivre par une pluralité de vis ou tirants ; permettre l'assemblage mécanique des 4 faces de la lingotière en intégrant des systèmes de fixation sur un châssis extérieur ; assurer l'alimentation du circuit de refroidissement de chaque plaque.
La plaque d'appui est plus exactement une boîte, parfois dite boîte à eau ou boîte de refroidissement, comprenant deux chambres de répartition horizontales : une en haut et une en bas, qui alimentent les rainures ou les trous forés de la plaque en cuivre. La circulation d'eau dans les rainures (fermées alors par la plaque d'appui) ou dans les trous se fait de bas en haut.
L'étanchéité est réalisée au moyen d'un joint périphérique intercalé entre la plaque en cuivre et la plaque d'appui ou, dans le cas des trous forés, au moyen de plusieurs joints : un par trou horizontal.
Les grandes dimensions des lingotières pour produits plats rendent impossible l'adjonction d'un anneau ou cadre pour le refroidissement de la zone de première solidification de l'acier liquide directement contre le bord supérieur de la lingotière. En effet, les dilatations thermiques d'une pièce unique seraient inévitablement différentes de celles observées sur la lingotière
Les petites faces de la lingotière sont, via leurs plaques d'appui respectives, appuyées sur un cadre extérieur rigide. Leur position est donc fixée. Une dilatation des grandes plaques ne crée pas un déplacement des petites faces
Un cadre monobloc serait sujet à un déplacement de ses petites faces (dans le sens d'une augmentation de sa section) sous l'effet d'une dilatation de ses grandes faces.
On aurait alors un changement de la section de passage sur la hauteur de la lingotière, ce qui est incompatible avec la conduite de l'opération de coulée.
D'autre part, un anneau ou cadre serait également incompatible avec un changement de largeur rapide, soit en cours de coulée ou entre deux opérations de coulée. Il rendrait
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impossible tout changement de largeur en cours de coulée, et allongerait les opérations nécessaires au changement de largeur entre deux coulées, car il faudrait alors placer un autre anneau, adapté aux nouvelles dimensions.
Présentation de l'invention Le dispositif de la présente invention permet de résoudre le problème du refroidissement du bord supérieur d'une lingotière de coulée continue de produits plats et d'éviter ainsi les problèmes de détérioration de celle-ci liés à une surchauffe.
Il consiste à définir un anneau ou cadre de refroidissement qui est appelé, dans le cas des lingotières pour brames, une pré-lingotière qui est composée de pré-plaques.
Conformément à la présente invention, un dispositif pour fabriquer des produits plats par la coulée continue en charge verticale d'un métal en fusion sous forme de brames, mettant en oeuvre une lingotière qui est prolongée par une rehausse constituée d'une matière réfractaire, ladite rehausse étant positionnée au-dessus de ladite lingotière de telle sorte que le niveau d'acier liquide, ou ménisque, soit situé lors de l'opération de coulée continue dans la rehausse précitée en réfractaire et non plus dans la lingotière proprement dite, éventuellement un élément de jonction en réfractaire étant disposé directement en dessous de la rehausse en réfractaire précitée et étant préférentellement constitué d'au moins quatre éléments allongés, appelés ci-après barreaux,
lesdits éléments étant positionnés de telle sorte que leur assemblage définisse un élément de jonction de forme intérieure identique à celle de la lingotière et dont les faces intérieures sont le prolongement des faces intérieures correspondantes de la lingotière, le produit de la largeur du barreau au cube multipliée par la hauteur dudit barreau et divisé par la longueur au cube dudit barreau étant inférieur ou égal à 0,025 mm, c'est-à-dire (13 * h * L-3) > = 0,025 mm, avec h représentant la hauteur qui est la dimension de la section du barreau qui est sensiblement parallèle au sens de progression de la brame, 1 représentant la largeur qui est la dimension de la section du barreau qui est sensiblement perpendiculaire au sens de progression de la brame et L étant la longueur du barreau,
toutes ces dimensions étant exprimées en mm, caractérisé en ce qu'il comporte un élément en cuivre, appelé pré-lingotière, disposé directement au-dessus de la lingotière, en ce que ledit élément est refroidi par un liquide, en ce qu'il est composé d'au moins quatre éléments allongés, appelés ci-après
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pré-plaques, lesdits éléments étant positionnés de telle sorte que leur assemblage définisse un élément de forme intérieure identique à celle de la lingotière et dont les faces intérieures sont le prolongement des faces intérieures correspondantes de la lingotière.
Suivant une modalité de réalisation préférentielle du dispositif de la présente invention, une pré-plaque est composée d'au moins deux éléments disposés longitudinalement bout à bout suivant la plus grande dimension de la section droite de la brame.
Suivant une autre modalité de réalisation préférentielle du dispositif de la présente invention, la pré-lingotière est réalisée en un alliage contenant plus de 50 % de cuivre.
La solution consistant à adapter, sur chaque plaque en cuivre, une "pré-plaque" a pour avantages non négligeables, d'une part de permettre le refroidissement efficace de la zone dite de première solidification, soit la zone proche de l'arête supérieure de la lingotière et qui est la plus sujette à une détérioration par voie de surchauffe localisée, et d'autre part de constituer une pièce"d'usure", pouvant être changée plus facilement qu'une plaque constitutive de la lingotière elle-même si une détérioration de la zone proche de l'arête supérieure se produisait.
La pré-plaque est réalisée dans la même matière que la plaque, ou dans une matière proche, typiquement un alliage de cuivre. En principe, cela a pour effet principalement d'assurer un certain synchronisme dans la dilatation des éléments constitutifs respectivement de la pré-lingotière et de la lingotière.
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L'aspect pièce d'usure n'est pas négligeable, car l'amorce de la solidification de la brame est déplacée vers le bord extrême de la lingotière et même au-dessus et cette zone lors de la coulée continue avec rehausse.
Suivant une autre modalité de réalisation du dispositif de la présente invention, les surfaces des pré-plaques, qui sont en contact avec le métal en fusion, appelées faces chaudes, sont pourvues d'un revêtement présentant un coefficient de frottement faible et une grande dureté de surface, préférentiellement à base de chrome ou de nickel.
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Le revêtement dont est pourvue la face chaude, c'est-à-dire celle qui est en contact avec le métal en fusion, permet d'une part d'obtenir un excellent fini de surface, et de ce fait un faible coefficient de frottement, et une grande dureté, et d'autre part sert à augmenter la résistance thermique, et donc à diminuer les flux thermiques extraits de l'acier par la pré-plaque. Ceci peut se révéler utile pour améliorer l'état de surface des nuances d'acier sensibles, comme les péritectiques et les bas carbone, pour lesquels des flux trop importants créent des déformations de la peau du produit coulé.
Suivant encore une autre modalité de réalisation du dispositif de la présente invention, on recouvre la face supérieure de la pré-plaque d'une couche de matière offrant une grande dureté. La face supérieure est celle qui est au contact de la rehausse ou de l'élément de jonction, s'il en existe un, et susceptible d'être détériorée par la croûte formant l'amorce de solidification.
Suivant une modalité de mise en oeuvre préférentielle du dispositif de la présente invention, chaque pré-plaque de la lingotière est fixée sur la plaque de la lingotière qui lui correspond.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre préférentielle du dispositif de la présente invention, un moyen d'alignement permet d'obtenir un alignement parfait, aux tolérances mécaniques près, entre les faces chaudes, c'est-à-dire en contact avec le métal en fusion, respectivement d'une pré-plaque et de la plaque y correspondant.
La procédure ci-dessus, consistant à fixer une pré-plaque sur la plaque qui lui correspond, présente l'avantage d'éliminer l'influence des différences de dilatation entre les plaques, respectivement les pré-plaques, et les plaques d'appui, tant sur l'assemblage global de la lingotière et de la pré-lingotière que sur l'alignement des pré-plaques et des plaques.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du dispositif de la présente invention, chaque pré-plaque comporte son propre circuit de refroidissement, à circulation d'eau horizontale. Cette modalité de conception permet d'approcher fort près de l'arête supérieure de la zone de première solidification et d'éviter de ce fait un échauffement
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trop important en y assurant un refroidissement efficace. De préférence, le circuit de refroidissement est de section droite rectangulaire.
Il va de soi que les circuits de refroidissement des pré-plaques différentes peuvent être connectés en série en ce qui concerne la circulation du fluide de refroidissement et ce dans n'importe quel ordre et nombre.
Suivant une modalité de réalisation du dispositif de la présente invention, la rehausse est solidarisée avec la lingotière, de préférence la rehausse et le joint sont solidarisés avec la pré-lingotière qui est elle-même fixée sur la lingotière.
Suivant encore une autre modalité de mise en oeuvre du dispositif de la présente invention, chaque pré-plaque comporte au moins un circuit d'alimentation en gaz inerte ayant pour fonction de réaliser une injection de gaz inerte, de préférence de l'argon, entre la pré-lingotière et les réfractaires en contact avec cette dernière.
La solidarisation des pré-plaques et des plaques d'une part et la solidarisation des éléments de la rehausse et des pré-plaques ou des plaques d'autre part, permettra d'éviter les problèmes de dilatation thermique et d'autoriser les opérations de changement de largeur, en cours de coulée ou non.
Suivant une autre modalité de mise en oeuvre du dispositif de la présente invention, les pré-plaques ont une épaisseur au moins égale à celle des plaques, éventuellement les pré-plaques sont enrobantes , c'est-à-dire que leur bord comporte un bord d'appui plus large soit du côté des plaques, soit du côté rehausse, soit des deux côtés précités, de préférence la hauteur (dimension selon l'axe de coulée) des pré-plaques est comprise entre 40 et 200 mm.
Suivant une modalité préférentielle de mise en oeuvre du dispositif de la présente invention, un système de réglage permet de disposer les arêtes supérieures des plaques dans un même plan horizontal, aux tolérances d'assemblage mécanique près.
De par la modalité de réglage ci-dessus, les arêtes supérieures des pré-plaques sont également situées dans un même plan horizontal, ce qui est bénéfique pour l'obtention
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d'un front de solidification homogène, l'acier liquide initiant sa solidification au plus haut, face à l'arête supérieure de la pré-plaque.
Suivant une autre modalité préférentielle de mise en oeuvre du dispositif de la présente invention, ayant trait au circuit de refroidissement des plaques formant la lingotière de coulée continue, on configure le circuit de refroidissement d'au moins une des plaques dans la partie la plus proche de la pré-lingotière de telle sorte, d'une part, que sa forme assure la déflexion du flux du liquide de refroidissement de manière à favoriser un écoulement régulier et à prévenir la présence de zones mortes lors du passage du fluide de refroidissement et, d'autre part, que l'épaisseur de la paroi de la plaque entre la face chaude (face en contact avec le métal en fusion) et la face froide (face en contact avec le liquide de refroidissement) soit amincie,
les deux caractéristiques constructives précitées ayant pour objet d'augmenter le refroidissement de la lingotière de coulée continue dans la zone la plus proche de la pré-lingotière et d'éviter ainsi une dégradation de la lingotière en question suite à une surchauffe localisée.
D'autres particularités et avantages de la présente invention sont indiqués dans la description détaillée d'un exemple de réalisation pratique qui va suivre. Cette description est illustrée par la Figure 1 annexée, celle-ci étant une représentation schématique, sans échelle particulière, dans laquelle on n'a reproduit que les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention.
La Figure 1 est une coupe dans une vue en élévation dans laquelle on n'a représenté schématiquement que la partie gauche par rapport à un axe longitudinal de symétrie (T). Le demi-ensemble représenté comprend une rehausse (1), dont seule la partie inférieure est dessinée, un joint (2), une pré-lingotière (3), une lingotière (4). Dans le cadre du procédé de coulée continue avec rehausse, le niveau d'acier liquide ou ménisque (M) est situé dans la rehausse (1).
L'acier liquide (A) amorce sa solidification au niveau de la pré-lingotière (3) et forme une peau (P) solide dont l'épaisseur augmente au fur et à mesure qu'on extrait la brame hors de la lingotière (4) dans le sens de coulée (S).
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On distingue ra pré-lingotière (3) disposée au-dessus de la lingotière (4), tant la prélingotière que la lingotière sont munies de canaux de refroidissement, respectivement (5) dans la pré-lingotière (3) et (6) dans la lingotière (4), cette dernière étant alimentée en liquide de refroidissement par la plaque d'appui (7) faisant office de boîte à eau (8).
La partie supérieure de la lingotière (4), en contact avec a pré-lingotière (3), comporte un circuit de refroidissement incorporé dans les plaques la constituant configuré dans la zone (X) de manière à assurer la déflexion du flux du liquide de refroidissement, favorisant ainsi un écoulement régulier sans formation de zones mortes, et dont l'épaisseur (e) de la paroi entre la face chaude et la face froide est amincie, de manière à conserver la température du métal constitutif de la plaque en question sous le seuil critique de la température de recristallisation dudit métal.
Le dispositif de mise en oeuvre de l'invention permet donc d'obtenir par une opération de coulée continue en charge verticale des brames en acier qui présentent un excellent état de surface et une très bonne santé interne, satisfaisant de la sorte aux critères nécessaires pour les applications nobles telles que les tôles de carrosseries et les boîtes de boissons.
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In operation, the liquid metal flowing from the distributor basket into the ingot mold via a refractory nozzle, submerged or not below the level of liquid steel or meniscus, located in the upper part of the ingot mold, creates turbulence at the surface free of steel in the form of recirculation loops or meniscus waves. In addition, it is found in practice that it is very difficult to maintain a rigorously constant level of steel in the mold, mainly when the steel flow is high. In addition, disturbances exist in the system.
They are either regular and controlled, and linked to the oscillation movement of the ingot mold during the continuous casting operation, or accidental, for example, when the casting speed is modified, therefore the flow leaving the ingot mold, or irregularities in the incoming flow due, for example, to a progressive deterioration of the nozzle, ...
In order to reduce the impact of disturbances at the meniscus, efficient systems for regulating the flow of liquid steel have been developed by restricting the passage section of the nozzle as a function of the level measured in the mold, so-called distaff systems or with drawer. On the other hand, "electromagnetic brake" systems have also been developed in order to reduce the flow rates within the liquid present in the mold, and in particular at the meniscus.
These systems, although effective, do not completely prevent the formation of surface defects due to the fact that the solidification of the steel is initiated at the meniscus, that is to say at the place of the first contact with the walls of the copper ingot mold.
This problem of surface quality is particularly acute in continuous casting of flat products, for example such as slabs, because a good number of products cast in these formats are intended for so-called "noble" applications such as sheets for bodywork or for boxes. and require a basic cast product free from surface defects.
An alternative to the conventional continuous casting process described above consists in dissociating the meniscus zone from the zone of first solidification. It has been found that the majority of surface defects on the product obtained are remedied
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continues by avoiding that the meniscus is established in the same region as that where the solidification of the skin of said product begins. To do this, the copper ingot mold is extended upwards by an element, called a riser, made of a refractory material and positioned above said ingot mold so that the level of liquid steel, or meniscus, is located in the above-mentioned refractory extension and no longer in the copper ingot mold proper.
The steel therefore remains in the liquid state in contact with the refractory components of the riser and begins to solidify only when it comes into contact with the metal ingot mold formed of copper located below the riser, that is to say well below the level of the meniscus, at a distance of which the order of magnitude is 100 to 300 mm. This last method of continuous casting of steel with a refractory riser placed above the copper ingot mold is called continuous casting under load.
In the aforementioned context, the majority of research / development work is directly inspired by the continuous casting technique with horizontal load and has the characteristic that the internal dimensions of the refractory riser are smaller than the internal dimensions of the ingot mold above which they are positioned, with the result that the walls of the extension cannot be arranged in the extension of the walls of the mold.
In addition, another continuous casting technology with vertical load, which has been recently developed, uses refractory risers whose internal walls are arranged in perfect alignment, apart from the mechanical assembly clearance, with the internal walls of the ingot mold. vertical continuous casting on which it is positioned.
In this way, typical faults present in continuous casting under horizontal load are avoided such as "cold shuts" which are due to parasitic solidifications on the face of the refractories which is perpendicular to the casting axis and which also appeared in casting. continuous in vertical load due to the transposition of the technique of raising from the horizontal to the vertical, that is to say without alignment of the internal face of the ingot mold with the internal face of the extension or of the seal there is one between the enhancer and the ingot mold.
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In the context of continuous casting with vertical load of long products, with an extension with the same internal dimensions as those of the continuous casting ingot mold, the following technical characteristics are observed: an extension which is constructed so that its internal walls are in alignment with the internal walls of the mold; said refractory riser is positioned above the continuous casting ingot mold and acts as a "liquid steel tank", the riser in question having to meet mainly criteria of resistance to thermal shock and is made of a material having '' excellent thermal insulation properties;
the presence of a refractory element, called "junction", placed between said riser and the continuous casting mold and also in alignment with the latter two, said junction element being positioned just above said mold and having to satisfy to certain criteria of thermal conductivity and diffusivity, resistance to thermal shock, resistance to mechanical wear (contact with solidified steel) and chemical (contact with liquid steel) and machinability acceptable for its shaping ; said refractory being generally in one piece and necessarily prestressed by hot shrinking in a metal frame in order to increase its resistance to cracking during its rise in thermal regime at the start of casting;
an injection of inert gas, for example argon, is carried out between the continuous copper ingot mold and the joining element in order to avoid the appearance of parasitic solidifications of steel on the bottom of the refractories. In practice, the injection of inert gas is carried out through a continuous horizontal slot made between the copper and the refractory and the height of which is between
0.05 mm and 0.3 mm;
A modified ingot mold tube, to allow on the one hand the fixing of the raising system and on the other hand the intense cooling of the upper end of the tube.
The fact of passing from a conventional continuous casting to a continuous casting under load results in the appearance of a problem of cooling of the part of the ingot mold directly close to its entry. Indeed, in continuous casting
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conventional vertical, the level of liquid steel or meniscus is located at a distance which can range from 100 to 200 mm below the upper end of the tube forming the copper ingot mold. This distance is variable according to the sites, the manufacturers of the machine, .... The cooling of the tube is ensured by a circulation of water at high speed, being done vertically, from bottom to top, all along the wall outside.
Water is forced to pass between the ingot mold tube and an external "jacket", which spares a passage of the order of 3 to 6 mm wide. The extension of this circuit to near the upper edge of the mold, that is to say of the order of 5 mm from the upper face and 7 mm from the inner face of the tube forming the mold is made mandatory by the fact that the solidification of the steel which starts there has the effect of causing significant heating of the mold tube.
Since the tube in question is generally made of copper, its temperature cannot therefore exceed 350 to 500 ° C., ie the recrystallization temperature of the copper shade used. However, this extension of the vertical water circulation circuit is limited in practice by the obligation to create a significant rounding to "guide" the water under penalty of seeing the formation of dead zones where water boiling phenomena occur, very harmful to the holding in service of the mold.
It therefore appears under these conditions, on the one hand that it is impossible to approach the cooling sufficiently close to the upper edge of the mold to allow, without danger of local overheating, a start of solidification practically at entry of the ingot mold, and on the other hand, that during the continuous casting under load, the presence of the extension makes possible the start of solidification directly at the entrance of the ingot mold, from which there arises a real danger deterioration of the mold.
In the context of continuous casting in charge of long products, the technological solution currently adopted in the context of known developments consists in extending the existing cooling circuit of the mold as far as possible and adding, above the tube forming the ingot mold, a short tubular element, of the order of 40 to 100 mm, called a ring or frame, which is cooled by a horizontal circulation of water at very high speed. In this way, the water channel being of rectangular section and being able to be positioned very close to the upper edge of the mold tube, it is possible to ensure adequate and effective cooling of the upper edge of the mold.
In addition, this element is easily removable and can therefore
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be replaced independently of the ingot mold in the event of deterioration, for example following the wear of the upper edge caused by the friction of the solidified skin, possibly accentuated by the oscillation movement proper of the ingot mold, or further following a remanent deformation due to the very high temperatures reached by the upper edge of the copper ingot mold. The ring is placed in perfect alignment on the internal faces of the ingot mold in order to maintain a constant passage section for the steel being solidified.
If this were not the case, this would result in stresses on the skin of the product being solidified, which would inevitably lead to an accidental stopping of the casting operation.
A variant of current known developments consists in integrating a cooling circuit comparable to that of the ring or frame into the top of the tube forming the conventional ingot mold. We then have the latitude to use, or not, the ring or frame.
The tests of industrial practice of the aforementioned technical developments were mainly applied in the continuous casting with vertical load of long products similar to the billet format, namely small dimensions (200 x 200 mm2 maximum) and symmetrical sections (squares , hexagons or round), and this by means of tubular ingot molds generally formed in one piece.
An extension of the abovementioned developments towards continuous casting under vertical load of flat products, commonly called slabs, has revealed a certain number of problems at the level of the very construction of the ingot mold with extension.
The continuous vertical casting technology under load with ring or frame as described above cannot be applied directly to continuous casting under load with raising of flat or slab products for reasons related to the practical realization of the ring or framework for cooling which seems to pose a major problem in an industrial implementation.
The above practical difficulties are mainly related to the fact that there are significant differences in construction between the ingot molds for billets or long products and those used for slabs or flat products.
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Indeed, an ingot mold for billets or long products is characterized by: a one-piece construction, for example a copper tube; a circular, square or rectangular section with a width to thickness ratio not exceeding 2; reduced dimensions, of the order of 220 mm side maximum.
An ingot mold for slabs or flat products is characterized by: a construction in 4 independent plates, each having its own cooling circuit, and assembled mechanically, the two small faces being pressed between the two large faces; a rectangular section with a width to thickness ratio far greater than 2; - large dimensions, for example, a thickness of 220 mm over a width
2000 mm; - Generally, a possibility of changing the width, either during casting, or between two casting operations, by controlled movement of the two small faces between the two large faces.
Given the aforementioned structural differences between the devices for continuously casting under load of products, respectively long and flat, the adaptation of a technique derived from the ring or frame used in vertical continuous casting under load of long products does not is not obvious and requires that account be taken of the characteristics specific to the cooling of the plates which form the mold for flat products.
In current practice, the cooling of each of the 4 plates, made of copper or one of its alloys, constituting a slug mold is generally carried out as follows.
- On the rear or cold face of the plate are milled regularly spaced vertical grooves; a variant consisting in drilling vertical holes not protruding into the thickness of the plate, plugging their ends, and putting the channels thus created in communication with the cold face by drilling horizontal holes perpendicular to the cold face, of a leaves near the end
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upper part of the plate and on the other hand in the vicinity of its lower end.
- Steel "support plates" are applied to the rear face of the copper plates and combine the following three functions, namely: to stiffen the copper plates during the casting operation: the support plates are thus fixed on the copper plates by a plurality of screws or tie rods; allow the mechanical assembly of the 4 faces of the mold by integrating fixing systems on an external frame; supply the cooling circuit to each plate.
The backing plate is more exactly a box, sometimes called a water box or cooling box, comprising two horizontal distribution chambers: one at the top and one at the bottom, which feed the grooves or the holes drilled in the copper plate. The circulation of water in the grooves (then closed by the support plate) or in the holes is done from bottom to top.
Sealing is achieved by means of a peripheral seal interposed between the copper plate and the support plate or, in the case of drilled holes, by means of several seals: one per horizontal hole.
The large dimensions of the molds for flat products make it impossible to add a ring or frame for cooling the zone of first solidification of the liquid steel directly against the upper edge of the mold. Indeed, the thermal expansions of a single piece would inevitably be different from those observed on the ingot mold
The small faces of the mold are, via their respective support plates, supported on a rigid external frame. Their position is therefore fixed. Expansion of large plates does not cause displacement of small faces
A monobloc frame would be subject to a displacement of its small faces (in the direction of an increase in its section) under the effect of a dilation of its large faces.
There would then be a change in the passage section over the height of the ingot mold, which is incompatible with the conduct of the casting operation.
On the other hand, a ring or frame would also be incompatible with a rapid change in width, either during casting or between two casting operations. He would make
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impossible any change of width during casting, and would lengthen the operations necessary for the change of width between two castings, because it would then be necessary to place another ring, adapted to the new dimensions.
Presentation of the invention The device of the present invention makes it possible to solve the problem of cooling the upper edge of an ingot mold for continuous casting of flat products and thus to avoid the problems of deterioration thereof linked to overheating.
It consists in defining a cooling ring or frame which is called, in the case of ingot molds for slabs, a pre-ingot mold which is composed of pre-plates.
In accordance with the present invention, a device for manufacturing flat products by continuous casting of a molten metal in vertical form in the form of slabs, using a mold which is extended by an extension made of a refractory material, said riser being positioned above said ingot mold so that the level of liquid steel, or meniscus, is located during the continuous casting operation in the aforementioned riser in refractory and no longer in the ingot mold itself, possibly a refractory junction element being disposed directly below the aforementioned refractory extension and preferably being made up of at least four elongated elements, hereinafter called bars,
said elements being positioned so that their assembly defines a junction element of internal shape identical to that of the mold and whose internal faces are the extension of the corresponding internal faces of the mold, the product of the width of the bar to the cube multiplied by the height of said bar and divided by the cube length of said bar being less than or equal to 0.025 mm, that is to say (13 * h * L-3)> = 0.025 mm, with h representing the height which is the dimension of the section of the bar which is substantially parallel to the direction of progression of the slab, 1 representing the width which is the dimension of the section of the bar which is substantially perpendicular to the direction of progression of the slab and L being the length of the bar ,
all these dimensions being expressed in mm, characterized in that it comprises a copper element, called a pre-ingot mold, placed directly above the ingot mold, in that said element is cooled by a liquid, in that it consists of at least four elongated elements, hereinafter called
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pre-plates, said elements being positioned so that their assembly defines an element with an interior shape identical to that of the mold and whose interior faces are the extension of the corresponding interior faces of the mold.
According to a preferred embodiment of the device of the present invention, a pre-plate is composed of at least two elements arranged longitudinally end to end along the largest dimension of the cross section of the slab.
According to another preferred embodiment of the device of the present invention, the pre-ingot mold is made of an alloy containing more than 50% of copper.
The solution consisting in adapting, on each copper plate, a "pre-plate" has the non-negligible advantages, on the one hand, of allowing effective cooling of the zone known as of first solidification, that is to say the zone close to the upper edge of the mold and which is most prone to deterioration by way of localized overheating, and on the other hand to constitute a "wearing" part, which can be changed more easily than a constituent plate of the mold itself if deterioration of the area near the upper edge was occurring.
The pre-plate is made of the same material as the plate, or a similar material, typically a copper alloy. In principle, this mainly has the effect of ensuring a certain synchronism in the expansion of the constituent elements of the pre-ingot mold and of the ingot mold, respectively.
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The wear part aspect is not negligible, since the initiation of the solidification of the slab is moved towards the extreme edge of the ingot mold and even above and this zone during continuous casting with riser.
According to another embodiment of the device of the present invention, the surfaces of the pre-plates, which are in contact with the molten metal, called hot faces, are provided with a coating having a low coefficient of friction and a high hardness surface, preferably based on chromium or nickel.
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The coating which is provided with the hot face, that is to say that which is in contact with the molten metal, allows on the one hand to obtain an excellent surface finish, and therefore a low coefficient of friction , and a high hardness, and on the other hand serves to increase the thermal resistance, and therefore to decrease the heat fluxes extracted from the steel by the pre-plate. This can be useful for improving the surface condition of sensitive steel grades, such as peritectics and low carbon, for which excessive fluxes create deformations of the skin of the cast product.
According to yet another embodiment of the device of the present invention, the upper face of the pre-plate is covered with a layer of material offering high hardness. The upper face is that which is in contact with the riser or the joining element, if there is one, and liable to be damaged by the crust forming the primer for solidification.
According to a preferred embodiment of the device of the present invention, each pre-plate of the mold is fixed to the plate of the mold which corresponds to it.
According to another preferred embodiment of the device of the present invention, an alignment means makes it possible to obtain perfect alignment, to within the mechanical tolerances, between the hot faces, that is to say in contact with the molten metal, respectively of a pre-plate and the corresponding plate.
The above procedure, consisting of fixing a pre-plate on the plate which corresponds to it, has the advantage of eliminating the influence of the differences in expansion between the plates, respectively the pre-plates, and the support plates. , both on the overall assembly of the ingot mold and the pre-ingot mold as on the alignment of the pre-plates and plates.
According to another embodiment of the device of the present invention, each pre-plate has its own cooling circuit, with horizontal water circulation. This design modality makes it possible to approach very close to the upper edge of the zone of first solidification and thereby avoid overheating.
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too large, ensuring effective cooling. Preferably, the cooling circuit is of rectangular cross section.
It goes without saying that the cooling circuits of the different pre-plates can be connected in series as regards the circulation of the cooling fluid and this in any order and number.
According to one embodiment of the device of the present invention, the extension is secured to the ingot mold, preferably the enhancement and the seal are secured to the pre-ingot mold which is itself fixed on the ingot mold.
According to yet another embodiment of the device of the present invention, each pre-plate comprises at least one inert gas supply circuit having the function of carrying out an injection of inert gas, preferably argon, between the pre-ingot mold and the refractories in contact with the latter.
The joining of the pre-plates and the plates on the one hand and the joining of the elements of the extension and the pre-plates or the plates on the other hand, will make it possible to avoid the problems of thermal expansion and to authorize the operations of change of width, during casting or not.
According to another mode of implementation of the device of the present invention, the pre-plates have a thickness at least equal to that of the plates, optionally the pre-plates are coating, that is to say that their edge comprises a wider support edge either on the side of the plates, or on the raising side, or on the two aforementioned sides, preferably the height (dimension along the pouring axis) of the pre-plates is between 40 and 200 mm.
According to a preferred embodiment of the device of the present invention, an adjustment system makes it possible to arrange the upper edges of the plates in the same horizontal plane, apart from the mechanical assembly tolerances.
Due to the above adjustment mode, the upper edges of the pre-plates are also located in the same horizontal plane, which is beneficial for obtaining
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a homogeneous solidification front, the liquid steel initiating its solidification at the highest level, facing the upper edge of the pre-plate.
According to another preferred embodiment of the device of the present invention, relating to the cooling circuit of the plates forming the ingot mold for continuous casting, the cooling circuit of at least one of the plates is configured in the closest part. of the pre-ingot mold so that, on the one hand, its shape ensures the deflection of the flow of the coolant so as to promote a regular flow and to prevent the presence of dead zones during the passage of the coolant and, on the other hand, that the thickness of the wall of the plate between the hot face (face in contact with the molten metal) and the cold face (face in contact with the coolant) is thinned,
the two aforementioned constructive characteristics having the object of increasing the cooling of the continuous casting ingot mold in the zone closest to the pre-ingot mold and thus of avoiding a degradation of the ingot mold in question following a localized overheating.
Other features and advantages of the present invention are indicated in the detailed description of a practical embodiment which follows. This description is illustrated by the appended FIG. 1, this being a schematic representation, without particular scale, in which only the elements necessary for the understanding of the invention have been reproduced.
Figure 1 is a section in an elevational view in which there is shown schematically only the left part with respect to a longitudinal axis of symmetry (T). The half-assembly shown comprises an extension (1), of which only the lower part is drawn, a seal (2), a pre-ingot mold (3), an ingot mold (4). In the continuous casting process with riser, the level of liquid steel or meniscus (M) is located in the riser (1).
The liquid steel (A) begins to solidify at the level of the pre-ingot mold (3) and forms a solid skin (P) whose thickness increases as the slab is extracted from the ingot mold (4 ) in the casting direction (S).
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A distinction is made between the pre-ingot mold (3) arranged above the ingot mold (4), both the pre-ingot mold and the ingot mold are provided with cooling channels, respectively (5) in the pre-ingot mold (3) and (6) in the mold (4), the latter being supplied with coolant by the support plate (7) acting as a water box (8).
The upper part of the mold (4), in contact with a pre-mold (3), includes a cooling circuit incorporated in the plates constituting it configured in the zone (X) so as to ensure the deflection of the flow of the liquid of cooling, thus promoting a regular flow without the formation of dead zones, and the thickness (e) of the wall between the hot face and the cold face is thinned, so as to keep the temperature of the metal of the plate in question under the critical threshold of the recrystallization temperature of said metal.
The implementation device of the invention therefore makes it possible to obtain, by a continuous casting operation under vertical load, steel slabs which have an excellent surface condition and very good internal health, thereby satisfying the criteria necessary for noble applications such as body panels and beverage cans.