EP0327526A1 - Dispositif de refroidissement d'un métal pendant la coulée - Google Patents

Dispositif de refroidissement d'un métal pendant la coulée Download PDF

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EP0327526A1
EP0327526A1 EP89870022A EP89870022A EP0327526A1 EP 0327526 A1 EP0327526 A1 EP 0327526A1 EP 89870022 A EP89870022 A EP 89870022A EP 89870022 A EP89870022 A EP 89870022A EP 0327526 A1 EP0327526 A1 EP 0327526A1
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Paul Naveau
Stéphan Wilmotte
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/10—Supplying or treating molten metal
    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/112—Treating the molten metal by accelerated cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/50—Pouring-nozzles
    • B22D41/60—Pouring-nozzles with heating or cooling means

Definitions

  • the present invention relates to a device for cooling a metal during casting, with a view to casting this metal with overheating close to 0 ° C. or in the pasty phase in a continuous casting ingot mold.
  • a device for casting a metal with an overheating close to 0 ° C. or in the pasty phase is disclosed in particular by patent LU-A-86,688.
  • This device essentially comprises a vertical duct provided with an exterior laughing cooling means and a distributor ensuring the distribution of the metal poured on the inner wall of this vertical duct.
  • the object of the present invention is to provide a particular device allowing the metal to be cooled under the best conditions during casting.
  • a device for cooling a metal during casting in a vertical pipe with a metal distribution member on the inner wall of the vertical pipe located substantially at the entrance of said vertical pipe, is characterized in that that it comprises a supply chamber disposed around said vertical duct and having a front wall which remotely follows the shape of said vertical duct, and a discharge chamber disposed around said supply chamber and separated from the latter by a intermediate wall, said discharge chamber being delimited at the rear by an external wall, in that said front wall is pierced with a plurality of passages directed towards said vertical duct, in that a portion of said passages open into said feed chamber, in that the other part of said passages are connected to tubes which pass through said feed chamber and said intermediate wall and qu i open into said discharge chamber, in that said supply chamber comprises means for supplying coolant and in that said discharge chamber comprises means for discharging coolant.
  • said means for supplying coolant comprise a distribution chamber disposed around said vertical duct and communicating with said supply chamber by a series of channels distributed, preferably uniformly, around of said vertical duct.
  • said supply chamber and said distribution chamber have at least one portion of common wall, through which said communication channels are pierced.
  • said passages drilled in the front wall of the supply chamber open into the volume between said front wall and said vertical duct, in a direction perpendicular to the surface of said vertical duct.
  • FIG. 1 Schematically shown in Figure 1, an installation for the casting of steel in the pasty phase, equipped with a steel cooling device according to the invention.
  • a continuous casting mold 1 a casting nozzle 2 equipping for example a casting ladle, a vertical duct 3, arranged upstream of the mold 1 and extended by a tubular element 7; leads him vertical 3 is preceded by a refractory section 8, in which is further disposed a plate 6 supported by three arms and ensuring the distribution of the metal.
  • the vertical duct 3 is provided externally with cooling means comprising an inlet 4 and an outlet 5 for the coolant.
  • the cooling device according to the invention is illustrated on a larger scale in FIG. 2. It comprises a supply chamber 9 arranged around the vertical duct 3 and having a front wall 10 which follows, at a distance "e", the shape of the vertical duct 3.
  • the supply chamber 9 is in turn surrounded by a discharge chamber 11 delimited on the one hand by an intermediate wall 12 which separates it from the supply chamber 9 and on the other hand by an outer wall 13.
  • the distance "e” constitutes the radial width of an annular volume 14 formed between the vertical duct 3 and the front wall 10.
  • This distribution chamber 15 communicates with the supply chamber 9 by channels 16 drilled in a wall portion which is common to these two chambers 9 and 15.
  • the discharge chamber 11 is provided with an outlet 5 for the coolant.
  • the supply 9 and discharge 11 chambers are closed, at their lower part, by individual bottoms 17, 18 which prevent these two chambers from communicating.
  • the front wall 10 is pierced with a plurality of passages which open into the annular volume 14, perpendicular to the surface of the vertical duct 3. A part of these passages, marked 19, open at their other end inside the chamber supply 9, which is thus placed in communication with the annular volume 14.
  • the other passages are connected to tubes 20 which pass through the supply chamber 9 and the intermediate wall 12 in a leaktight manner and which open into the evacuation 11. The room evacuation 11 is thus placed directly in communication with the annular volume 14.
  • the vertical duct 3 is generally circular cylindrical; therefore, the chambers 9, 11 and 15 are toroidal, for reasons of symmetry.
  • the passages are preferably uniformly distributed in the front wall 10.
  • the cooling device according to the invention operates as follows.
  • the steel 22 While it travels through the vertical duct 3, the steel 22 must be cooled until it reaches the pasty state by forming a solidified fraction.
  • a cooling liquid which is generally water, is introduced under pressure, through the inlet 4, into the distribution chamber 15 from which it reaches the supply chamber by crossing the channels 16.
  • the coolant enters the annular volume 14 where it circulates along the vertical conduit 3 before being discharged through the tubes 20.
  • the coolant then arrives in the discharge chamber 11 from where it escapes via exit 5.
  • the device of the invention may include means for modifying geometric characteristics such as the width "e" of the annular volume 14 or the diameter of the passages 19, respectively of the tubes 20, as a function of the flow speeds desired in each particular application. .
  • Adjustment means can also be provided to modify the flow rate of coolant as a function of the cooling to be applied in each particular case of application.
  • a 0.8% C steel was poured with a flow rate of 4.8 kg / s, by means of a device illustrated in FIG. 1.
  • the temperature of the steel in the nozzle was from 1510 degrees ° C.
  • the steel was poured onto a distributor plate made of refractory material, then along the inner wall of a vertical cylindrical pipe 3 made of copper, with a length of 350 mm and a diameter of 220 mm.
  • Line 3 was cooled by water introduced at room temperature and circulating with a flow rate of 27 m3 / h.
  • the pressure drop in the cooling device was 3.5 kg / cm2.
  • a cooling flux density of 4.2 MW / m2 was reached, with an increase in the water temperature of 7 ° C.
  • the device of the invention therefore makes it possible to ensure more efficient cooling with a smaller quantity of coolant and at a lower pressure than in the prior devices.
  • This device can also be made in one piece, or consist of several elements, independent or not, arranged around the vertical duct, without departing from the scope of the present invention.
  • the vertical duct (3) is circular cylindrical.
  • the invention is however not limited to this type of vertical duct; in fact, it also extends to a duct which would have an outlet section greater than its inlet section, as well as to a duct whose section would not be circular but which would for example be oval.
  • this description particularly refers to the cooling of a vertical duct preceding a continuous casting mold. It goes without saying that it would not depart from the scope of the invention to use such a device for cooling the continuous casting mold itself, or any other mold or ingot mold requiring cooling.

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Abstract

Le dispositif de refroidissement comporte une chambre d'alimentation (9) disposée autour d'un conduit vertical (3) et ayant une paroi frontale (10) épousant à distance (e) la forme du conduit vertical (3), et une chambre d'évacuation (11) disposée autour de la chambre d'alimentation (9) et séparée de celle-ci par une paroi intermédiaire (12). La paroi frontale (10) est percée d'une pluralité de passages dirigés vers le conduit vertical (3); une partie (19) de ces passages débouchent dans la chambre d'alimentation (9), et l'autre partie de ces passages sont raccordés à des tubes (20) qui traversent la chambre d'alimentation (9) et la paroi intermédiaire (12) et qui débouchent dans la chambre d'évacuation (11). La chambre d'alimentation (9) comporte des moyens (4, 15) d'alimentation en liquide de refroidissement, et la chambre d'évacuation(11) comporte des moyens (5) d'évacuation du liquide de refroidissement.

Description

  • La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un métal pendant la coulée, en vue de la coulée de ce métal avec une surchauffe proche de 0 °C ou en phase pâteuse dans une lingotière de coulée continue.
  • On connaît l'intérêt du procédé de coulée avec une surchauffe proche de 0 °C ou en phase pâteuse pour la coulée continue des métaux, en particulier de l'acier. Dans un tel procédé, l'acier est refroidi, entre le récipient de coulée et la lingotière de coulée continue, jus­qu'à une température proche de la température du liquidus ou comprise dans l'intervalle de solidification de cet acier. On assure ainsi au moins l'élimination de la surchauffe de l'acier et éventuellement on provoque l'apparition, dans l'acier, d'une fraction solidifée dont l'importance dépend du refroidissement appliqué. Au moins où il pénètre dans la lingotière, l'acier présente ainsi un état qui permet d'obtenir des structures fines et homogènes et de réduire les ségré­gations dans les produits coulés.
  • Un dispositif de coulée d'un métal avec une surchauffe proche de 0 °C ou en phase pâteuse est révélé notamment par le brevet LU-A-86.688. Ce dispositif comprend essentiellement un conduit vertical pourvu exté­ rieurement de moyens de refroidissement et un organe répartiteur assu­rant la distribution du métal coulé sur la paroi intérieure de ce conduit vertical.
  • L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif parti­culier permettant d'effectuer dans les meilleures conditions le re­froidissement du métal pendant la coulée.
  • Conformément à la présente invention, un dispositif de refroidissement d'un métal pendant la coulée dans un conduit vertical, avec un organe de répartition du métal sur la paroi intérieure du conduit vertical situé sensiblement à l'entrée dudit conduit vertical, est caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'alimentation disposée autour dudit conduit vertical et ayant une paroi frontale épousant à distance la forme dudit conduit vertical, et une chambre d'évacuation disposée autour de ladite chambre d'alimentation et séparée de celle-ci par une paroi intermédiaire, ladite chambre d'évacuation étant délimitée à l'arrière par une paroi extérieure, en ce que ladite paroi frontale est percée d'une pluralité de passages dirigés vers ledit conduit ver­tical, en ce qu'une partie desdits passages débouchent dans ladite chambre d'alimentation, en ce que l'autre partie desdits passages sont raccordés à des tubes qui traversent ladite chambre d'alimentation et ladite paroi intermédiaire et qui débouchent dans ladite chambre d'évacuation, en ce que ladite chambre d'alimentation comporte des moyens d'alimentation en liquide de refroidissement et en ce que ladite chambre d'évacuation comporte des moyens d'évacuation du liquide de refroidissement.
  • Selon une variante particulière du dispositif de l'invention, lesdits moyens d'alimentation en liquide de refroidissement comprennent une chambre de distribution disposée autour dudit conduit vertical et communiquant avec ladite chambre d'alimentation par une série de voies réparties, de préférence uniformément, autour dudit conduit vertical.
  • Dans une réalisation préférée, ladite chambre d'alimentation et ladite chambre de distribution présentent au moins une portion de paroi commune, à travers laquelle sont percées lesdites voies de communication.
  • Selon une particularité intéressante, lesdits passages percés dans la paroi frontale de la chambre d'alimentation débouchent dans le volume compris entre ladite paroi frontale et ledit conduit vertical, suivant une direction perpendiculaire à la surface dudit conduit vertical.
  • D'autres particularités et d'autres avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui est donnée ci-dessous à titre d'exemple. Cette description porte sur une réalisation préfé­rée du dispositif de l'invention, telle qu'elle est illustrée par les dessins annexés dans lesquels la
    • figure 1 illustre le montage d'un dispositif de refroidissement conforme à l'invention dans une installation de coulée d'acier en phase pâteuse; et la
    • figure 2 représente, en coupe axiale agrandie, le dispositif de refroidissement de la figure 1.
  • Ces deux figures sont des représentations schématiques, dans lesquelles on n'a volontairement reproduit que les éléments directement nécessaires à la compréhension de l'invention. Des éléments analogues ou identiques sont désignés par les mêmes repères numériques, et les directions de circulation du liquide de refroidissement sont indiquées par des flèches.
  • On a représenté schématiquement, dans la figure 1, une installation pour la coulée d'acier en phase pâteuse, équipée d'un dispositif de refroidissement de l'acier conforme à l'invention. Une telle instal­lation est à présent connue dans la technique et elle ne sera pas dé­crite en détail ici. On rappellera simplement qu'elle comporte une lingotière de coulée continue 1, une busette de coulée 2 équipant par exemple une poche de coulée, un conduit vertical 3, disposé en amont de la lingotière 1 et prolongé par un élément tubulaire 7; le conduit vertical 3 est précédé par un tronçon réfractaire 8, dans lequel est en outre disposé un plateau 6 supporté par trois bras et assurant la répartition du métal. Le conduit vertical 3 est pourvu extérieurement de moyens de refroidissement comportant une entrée 4 et une sortie 5 du liquide de refroidissement.
  • Le dispositif de refroidissement conforme à l'invention est illustré à plus grande échelle dans la figure 2. Il comprend une chambre d'ali­mentation 9 disposée autour du conduit vertical 3 et ayant une paroi frontale 10 épousant, à une distance "e", la forme du conduit vertical 3. La chambre d'alimentation 9 est à son tour entourée par une chambre d'évacuation 11 délimitée d'une part par une paroi intermédiaire 12 qui la sépare de la chambre d'alimentation 9 et d'autre part par une paroi extérieure 13. La distance "e" constitue la largeur radiale d'un volume annulaire 14 formé entre le conduit vertical 3 et la paroi frontale 10.
  • Une chambre de distribution 15, équipée d'une entrée 4 du liquide de refroidissement, est également disposée autour du conduit vertical 3. Cette chambre de distribution 15 communique avec la chambre d'ali­mentation 9 par des voies 16 percées dans une portion de paroi qui est commune à ces deux chambres 9 et 15. La chambre d'évacuation 11 est pourvue d'une sortie 5 du liquide de refroidissement.
  • Les chambres d'alimentation 9 et d'évacuation 11 sont fermées, à leur partie inférieure, par des fonds individuels 17, 18 qui empêchent la mise en communication de ces deux chambres.
  • La paroi frontale 10 est percée d'une pluralité de passages qui débou­chent dans le volume annulaire 14, perpendiculairement à la surface du conduit vertical 3. Une partie de ces passages, repérés 19, débouchent par leur autre extrémité à l'intérieur de la chambre d'alimentation 9, qui est ainsi mise en communication avec le volume annulaire 14. Les autres passages sont raccordés à des tubes 20 qui traversent de façon étanche la chambre d'alimentation 9 et la paroi intermédiaire 12 et qui débouchent dans la chambre d'évacuation 11. La chambre d'evacuation 11 est ainsi mise directement en communication avec le volume annulaire 14.
  • Le conduit vertical 3 est généralement cylindrique circulaire; dès lors, les chambres 9, 11 et 15 sont toriques, par raison de symétrie. De plus,les passages sont de préférence uniformément répartis dans la paroi frontale 10.
  • Le dispositif de refroidissement conforme à l'invention fonctionne de la façon suivante.
  • Le jet d'acier en fusion 21, provenant d'une busette de coulée 2 (non représentée dans la figure 2), tombe sur le plateau répartiteur 6, d'où il s'écoule sur le tronçon réfractaire 8 puis en une couche mince 22 le long de la surface intérieure du conduit vertical 3 en cuivre.
  • Pendant qu'il parcourt le conduit vertical 3, l'acier 22 doit être refroidi jusqu'à atteindre l'état pâteux par formation d'une fraction solidifiée.
  • A cet effet, un liquide de refroidissement, qui est généralement l'eau, est introduit sous pression, par l'entrée 4, dans la chambre de dis­tribution 15 d'où il gagne la chambre d'alimentation en franchissant les voies 16. Par les passages 19, le liquide de refroidissement pénètre dans le volume annulaire 14 où il circule le long du conduit vertical 3 avant d'être évacué par les tubes 20. Le liquide de re­froidissement arrive ensuite dans la chambre d'évacuation 11 d'où il s'échappe par la sortie 5.
  • Les jets de liquide de refroidissement sortant perpendiculairement des passages 19 et la faible longueur du trajet de ce liquide entre un passage injection 19 et des tubes de reprise 20 voisins assurent un écoulement turbulent du liquide de refroidissement dans le volume annulaire 14. Il en résulte une grande efficacité de refroidissement du conduit vertical 3 et de l'acier 22, pour un débit peu élevé de liquide de refroidissement.
  • Il va de soi que la circulation du liquide de refroidissement peut être assurée, partiellement ou entièrement, par une pompe aspirante rac­cordée à la sortie 5.
  • Le dispositif de l'invention peut comporter des moyens pour modifier des caractéristiques géométriques telles que la largeur "e" du volume annulaire 14 ou le diamètre des passages 19, respectivement des tubes 20, en fonction des vitesses d'écoulement désirées dans chaque application particulière.
  • Des moyens de réglage peuvent également être prévus pour modifier le débit de liquide de refroidissement en fonction du refroidissement à appliquer dans chaque cas particulier d'application.
  • A titre d'exemple, on a coulé un acier à 0,8 %C avec un débit de 4,8 kg/s, au moyen d'un dispositif illustré dans la figure 1. La température de l'acier dans la busette était de 1510 degrés °C. L'acier a été coulé sur un plateau répartiteur en matériau réfractaire, puis le long de la paroi intérieure d'un conduit vertical 3 cylindrique en cuivre, d'une longueur de 350 mm et d'un diamètre de 220 mm. Le conduit3 était refroidi par de l'eau introduite à la tempé­rature ambiante et circulant avec un débit de 27 m³/h. La perte de charge dans le dispositif de refroidissement a été de 3,5 kg/cm² . On a atteint une densité de flux de refroidissement de 4,2 MW/m² , avec une élévation de la température de l'eau de 7 °C.
  • Par comparaison, un refroidissement analogue dans un dispositif usuel par écoulement de l'eau en film laminaire a nécessité un débit d'eau de 60 m³/h, a rencontré une perte de charge de 12 kg/cm² et a conduit à une densité de flux de refroidissement de 3 MW/m² .
  • Le dispositif de l'invention permet donc d'assurer un refroidissement plus efficace avec une moindre quantité de liquide de refroidissement et sous une pression moins élevée que dans les dispositifs antérieurs.
  • Ce dispositif peut d'ailleurs être réalisé en une seule pièce, ou être constitué de plusieurs éléments, indépendants ou non, disposés autour du conduit vertical, sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.
  • Dans la description qui précède, on a présenté et illustré principalement un dispositif dans lequel le conduit vertical (3) est cylindrique circulaire. L'invention n'est cependant pas limitée à ce type de conduit vertical; en fait, elle s'étend également à un conduit qui présenterait une section de sortie supérieure à sa section d'entrée, ainsi qu'à un conduit dont la section ne serait pas circulaire mais qui serait par exemple ovale.
  • Par ailleurs, cette description se réfère particulièrement au refroidissement d'un conduit vertical précédant une lingotière de coulée continue. Il va de soi qu'il ne sortirait pas du cadre de l'invention d'utiliser un tel dispositif pour assurer le refroidissement de la lingotière de coulée continue proprement dite, ou de tout autre moule ou lingotière nécessitant un refroidissement.

Claims (7)

1. Dispositif de refroidissement d'un métal pendant la coulée dans un conduit vertical (3), avec un organe (6) de répartition du métal sur la paroi intérieure du conduit vertical situé sensiblement à l'entrée dudit conduit vertical, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre d'alimentation (9) disposée autour dudit conduit vertical (3) et ayant une paroi frontale (10) épousant à distance (e) la forme dudit conduit vertical (3), et une chambre d'évacuation (11) disposée autour de ladite chambre d'alimentation (9) et séparée de celle-ci par une paroi intermédiaire (12), ladite chambre d'évacuation étant délimitée à l'arrière par une paroi extérieure (13), en ce que ladite paroi frontale (10) est percée d'une pluralité de passages dirigés vers ledit conduit vertical (3), en ce qu'une partie (19) desdits passages débou­chent dans ladite chambre d'alimentation (9), en ce que l'autre partie desdits passages sont raccordés à des tubes (20) qui traversent ladite chambre d'alimentation (9) et ladite paroi intermédiaire (12) et qui débouchent dans ladite chambre d'évacuation (11), en ce que ladite chambre d'alimentation (9) comporte des moyens (4, 15) d'alimentation en liquide de refroidissement, et en ce que ladite chambre d'évacua­tion (11) comporte des moyens (5) d'évacuation du liquide de refroi­dissement.
2. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation en liquide de refroidissement comprennent une chambre de distribution (15) disposée autour dudit conduit vertical (3) et communiquant avec ladite chambre d'alimentation (9) par des voies (16) réparties autour dudit conduit vertical (3).
3. Dispositif de refroidissement suivant la revendication 2, caracté­risé en ce que ladite chambre d'alimentation (9) et ladite chambre de distribution (15) présentent au moins une portion de paroi commune et en ce que lesdites voies (16) sont percées dans ladite portion de paroi commune.
4. Dispositif de refroidissement suivant l'une ou l'autre des revendi­cations 1 à 3, caractérisé en ce que les passages percés dans la paroi frontale (10) de ladite chambre d'alimentation (9) débouchent dans le volume (14) compris entre ladite paroi frontale (10) et ledit conduit vertical (3), suivant une direction perpendiculaire à la surface dudit conduit vertical (3).
5. Dispositif de refroidissement suivant l'une ou l'autre des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué de plusieurs éléments disposés autour dudit conduit vertical (3).
6. Dispositif de refroidissement suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conduit vertical (3) présente une section de sortie égale ou supérieure à sa section d'entrée.
7. Dispositif de refroidissement suivant l'une ou l'autre des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le conduit vertical (3) présente une section transversale non circulaire, telle qu'une section ovale.
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