EP0038275A1

EP0038275A1 - Dispositif de coulée continue d'ébauches de tubes métalliques

Info

Publication number: EP0038275A1
Application number: EP81420055A
Authority: EP
Inventors: Michel Mola
Original assignee: Creusot/loire-Vallourec (societe En Nom Collectif); Creusot Loire SA
Current assignee: Creusot/loire-Vallourec (societe En Nom Collectif); Creusot Loire SA
Priority date: 1980-04-15
Filing date: 1981-04-14
Publication date: 1981-10-21
Also published as: DE3171375D1; WO1981002990A1; JPS57500465A; ATE14277T1; FR2480156B2; EP0038275B1; FR2480156A2

Abstract

II comporte un moule de coulée continue (1) incliné par rapport à l'horizontale au niveau duquel des moyens électromagnétiques (4) dissymétriques, alimentés en courant polyphasé, permettent de faire tourner le métal liquide autour de l'axe du moule.

Dans le cas de la coulée d'ébauches de tubes, l'ébauche extraite du moule est courbée puis ramenée au niveau du moule, suivant une trajectoire inclinée, d'autres moyens électromagnétiques (11) mettant alors en rotation le métal encore liquide dans la zone axiale de façon à former un puits dont l'axe de symétrie se confond avec celui de l'ébauche.

Application à la fabrication d'ebauches de tubes d'acier.

Description

Le dispositif et le procédé qui font l'objet de l'invention concernent la fabrication par coulée continue de barres et d'ébauches de tubes. Ils concernent de la façon la plus générale les barres pleines et les ébauches de tubes métalliques de tous types, mais s'appliquent plus particulièrement à la fabrication d'ébauches de tubes en acier de nuances très diverses.
Dans le cas des ébauches de tubes, le dispositif et le procédé s'appliquent le plus souvent à la réalisation d'ébauches de section circulaire.
Dans le cas des barres, ce dispositif et ce procédé s'appliquent à la réalisation de sectionsdroites non nécessairement circulaires.
Le brevet français n°78 01761 décrit un procédé qui permet d'obtenir, par coulée continue, des ébauches métalliques creuses présentant un excellent état de surface interne et externe. Ce procédé consiste à introduire le métal liquide dans un moule de coulée continue de section circulaire, à axe sensiblement vertical, dont la paroi latérale est refroidie, puis à extraire l'ébauche en cours de solidification à la partie inférieure du moule selon une trajectoire courbe de façon que, après être passée par un point bas, cette ébauche remonte progressivement jusqu'à un niveau au moins égal à celui de la surface du métal liquide dans le moule, et soit tronçonnée au-dessus de ce niveau. Dans ce procédé, la qualité de l'ébauche de tube obtenue résulte de l'action combinée de deux ensembles d'inducteurs électromagnétiques. Un premier ensemble est réparti de façon annulaire autour de l'axe du moule dans la zone de coulée du métal et de début de solidification de celui-ci au contact de la paroi de ce moule. Cet ensemble est alimenté en courant alternatif à basse fréquence, de façon à provoquer une rotation du métal liquide dans le moule de façon connue de l'homme de l'art.
Un deuxième ensemble est disposé autour de l'ébauche dans la zone où celle-ci, après être passée par un point bas, atteint en remontant un niveau voisin de celui du métal liquide dans le moule. Ce deuxième ensemble d'inducteurs électromagnétiques est réparti de façon annulaire autour de l'ébauche dont la périphérie est solidifiée, mais qui comporte encore une zone liquide importante au voisinage de l'axe.
Il est alimenté en courant alternatif à une fréquence beaucoup plus élevée que le premier,de façon à provoquer une rotation rapide du métal liquide, qui forme, dans la zone axiale encore liquide de l'ébauche, un puits allongé de section sensiblement parabolique. L'ébauche étant extraite de façon continue, on obtient ainsi, grâce à la rotation rapide du métal encore liquide contre la paroi interne, une solidification de ce métal sur cette paroi interne de l'ébauche de façon extrêmement régulière qui confère à celle-ci un excellent état de surface et un grain très fin.
Ce procédé, bien qu'il permette d'obtenir ainsi des ébauches creuses, présentant un très bon état de surface à l'état brut de coulée, a cependant l'inconvénient de nécessiter de courber à 180° la trajectoire de l'ébauche à la sortie du moule, puis de redresser cette trajectoire, puis de la prolonger ensuite verticalement.
On conçoit que de telles déformations successives le long de la trajectoire d'une ébauche qui comporte une paroi mince solidifiée, mais dont le coeur est liquide, nécessite un rayon de courbure élevé, qui est fonction de la section de cette ébauche, et des moyens de guidage très précis pour éviter une fissuration de la paroi. De plus, les moyens de refroidissement doivent être réglés avec une grande précision pour éviter, soit les ruptures de paroi trop mince, soit au contraire les surépaisseurs qui accroissent les contraintes auxquelles sont soumis les moyens de guidage. Par ailleurs, ce dispositif nécessite un espace vertical important au-dessous du moule. Cet espace est au moins égal à la distance verticale entre l'extrémité inférieure du moule et le point bas de la trajectoire de l'ébauche, et dépend donc de la section de celle-ci.
Dans le cas de l'exemple donné dans le FR 78 01761, pour une ébauche cylindrique de 223 mm de diamètre, le rayon de courbure est déjà de 4 m, et pour des produits de plus forte section on pourra atteindre des rayons de 10 m ou davantage.
On a donc recherché la possibilité de réaliser un dispositif de coulée continue d'ébauches de tubes ne nécessitant pas d'espace vertical important disponible au-dessous du moule de coulée et permettant de limiter considérablement la courbure imposée à l'ébauche à sa sortie de ce moule, et tout le long de sa trajectoire ultérieure.
Le dispositif de coulée continue de barres ou d'ébauches de tubes suivant l'invention comprend :

- un moule de coulée continue dont l'axe longitudinal est incliné par rapport à l'horizontale suivant un angle compris entre environ 30° et 60°, ce moule comportant une ouverture d'introduction du métal liquide à l'extrémité supérieure, et une ouverture d'extraction du métal partiellement solidifié à l'extrémité inférieure,
- des moyens d'introduction du métal liquide,
- des moyens de refroidissement du moule,
- des moyens électromagnétiques d'entraînement en rotation du métal liquide dans le moule, comprenant des pôles inducteurs dont les enroulements sont alimentés en courant polyphasé à basse fréquence, et disposés autour de l'axe du moule, de façon à créer un champ tournant capable d'entraîner en rotation le métal liquide, au moins un pôle inducteur ayant une force magnétomotrice individuelle différente de la force magnétomotrice individuelle d'un ou plusieurs autres pôles inducteurs, créant ainsi une dissymétrie par rapport à l'axe du moule, des forces auxquelles est soumis le métal liquide,
- des moyens d'extraction et de guidage du métal coulé partiellement solidifié à partir de l'ouverture d'extraction du moule,
- des moyens de refroidissement permettant d'obtenir la solidification progressive du métal coulé.

Dans le cas où le dispositif suivant l'invention est appliqué à la coulée d'ébauches de tubes, les moyens d'extraction et de guidage de l'ébauche, sont disposés le long d'une trajectoire courbe à concavité tournée vers le haut, qui comporte un point bas, puis remonte de façon à rejoindre un niveau correspondant sensiblement au niveau moyen de la surface du métal liquide dans le moule, la trajectoire étant alors rendue sensiblement rectiligne et formant un angle par rapport à l'horizontale compris entre 5 et 25° ; on dispose au voisinage de ce niveau, autour de la trajectoire de l'ébauche, un deuxième ensemble de moyens électromagnétiques d'entraînement en rotation du métal liquide, comprenant des pôles inducteurs dont les enroulements sont alimentés en courant polyphasé à fréquence nettement supérieure à celle du courant qui alimente les pôles inducteurs de l'ensemble disposé autour de l'axe du moule, de façon à créer un champ tournant capable d'entraîner en rotation un métal liquide, au moins un pôle inducteur ayant une force magnétomotrice individuelle différente de la force magnétomotrice individuelle d'un ou plusieurs autres pôles inducteurs, créant ainsi une dissymétriepar rapport à la trajectoire de l'ébauche, des forces auxquelles est soumis le métal liquide.
L'invention concerne également un procédé de coulée continue de barres ou d'ébauches de tubes dans lequel on utilise le dispositif qui fait l'objet de l'inventiôn, et on ajuste de façon dissymétrique les forces magnétomotrices des pôles inducteurs disposés autour de l'axe du moule, de façon que la surface du métal liquide en rotation à l'intérieur du moule prenne un profil d'équilibre de section sensiblement parabolique dont l'axe de symétrie est voisin de l'axe du moule.
Dans le cas de la coulée de barres pleines, les moyens d'extraction, de guidage et de refroidissement, sont réglés de façon connue de l'homme de l'art, de manière à faire parcourir à l'ébauche une trajectoire au cours de laquelle elle se solidifie progressivement, puis est ensuite tronçonnée de façon connue. De façon préférentielle, cette trajectoire rejoint généralement l'horizontale.
Dans le cas où-le procédé suivant l'invention est appliqué à la coulée d'ébauches de tubes, on règle la vitesse d'alimentation du moule en métal liquide, la vitesse d'extraction, et les conditions de refroidissement de l'ébauche le long de la trajectoire courbe qu'elle parcourt de façon que,lorsque l'ébauche atteint un niveau voisin de celui de la surface du métal liquide dans le moule, cette ébauche comporte une zone axiale liquide dont le diamètre est au moins égal au diamètre intérieur de l'ébauche du tube qu'on se propose de réaliser. De plus, on ajuste de façon dissymétrique les forces magnétomotrices des pôles inducteurs du deuxième ensemble électromagnétique d'entraînement en rotation, de façon que le métal liquide se mette en rotation rapide à l'intérieur de l'ébauche, en créant dans la zone axiale un puits de longueur relativement importante, les parois liquides de ce puits atteignant un profil d'équilibre sensiblement symétrique par rapport à un axe voisin de celui de l'ébauche.
La description et les figures ci-après, permettent de mieux comprendre de façon non limitative, les caractéristiques du dispositif et du procédé qui font l'objet de l'invention.

La figure 1 représente en coupe le dispositif suivant l'invention appliqué à la réalisation d'ébauches de tubes.
La figure 2 est une vue plus détaillée du moule de coulée représenté figure 1.
La figure 3 est une vue de l'entrée du moule de la figure 2 suivant l'axe XY.

Comme le montre la figure 1, un moule (1) de section circulaire, comporte une paroi intérieure (2), par exemple en cuivre, derrière laquelle s'étend un espace annulaire (3) dans lequel, par des moyens en soi connus, on crée une circulation d'eau destinée à refroidir la paroi (2). A l'intérieur du moule (1) sont disposés avec un décalage angulaire déterminé des inducteurs (4) alimentés par un courant à basse fréquence, par exemple comprise entre 4 et 12 Hz. Dans l'exemple représenté, les inducteurs sont disposés à l'intérieur du moule dans l'espace (3) et sont ainsi eux-mêmes refroidis par l'eau qui y circule.
Le moule est incliné de telle manière que son axe longitudinal forme avec l'horizontale un angle compris entre environ 30° et 60° ; dans le cas de la figure, cet angle est d'environ 45°.
Ce moule est alimenté en métal liquide à partir d'un répartiteur (5). Ce métal, de l'acier par exemple, se refroidit contre la paroi (2) du moule et une ébauche de section circulaire sort à la partie inférieure du moule. Cette ébauche est extraite de façon continue par l'intermédiaire de galets (9) de guidage selon un trajet courbe. L'installation comprend en outre de manière conventionnelle, des moyens de refroidissement secondaires par pulvérisation d'eau, non représentés, dans le trajet de coulée, ainsi que des moyens pour extraire l'ébauche et l'évacuer.
Les champs électromagnétiques créés par les inducteurs provoquent dans le métal liquide à l'intérieur du moule une rotation autour de l'axe longitudinal avec formation d'un ménisque (10)..
L'expérience ayant montré qu'il n'est pas possible d'obtenir un ménisque stable et symétrique par rapport à l'axe en utilisant un ensemble d'inducteurs présentant des forces magnétomotrices équilibrées, à cause de l'inclinaison du moule, on a introduit, suivant l'invention, une dissymétrie dans ces forces magnétomotrices, en augmentant la force magnétomotrice individuelle créée par au moins un pôle inducteur dans la zone supérieure par rapport à l'axe du moule, par ran- port à la force magnétomotrice individuelle créée par au moins un pô_le inducteur dans la zone inférieure.
Pour compenser ainsi la composante transversale de la force de la pesanteur par rapport à l'axe du moule, la dissymétrie qu'il convient d'établir dans les forces magnétomotrices, dépend de nombreux facteurs : inclinaison de l'axe du moule, dimensions intérieures du moule, propriétés physiques du métal ou de l'alliage liquide qui est coulé, caractéristiques des circuits électromagnétiques utilisés, nature et fréquence des courants.
La figure 2 représente de façon plus détaillée, un moule de coulée analogue à celui de la figure 1. Ce moule en cuivre (14) comporte une double paroi à l'intérieur de laquelle un espace creux (15) est parcouru par de l'eau de refroidissement introduite en (16) et évacuée en (17). L'axe longitudinal de ce moule XY est incliriê par rap port à l'horizontale suivant un angle a égal à 45°. Une busette (25) est traversée par un courant de métal liquide (26) issu d'un; répartiteur non représenté . Cette busette est sensiblement verticale comme le montre la figure 2,et elle est disposés de façon que le jet de métal liquide (27) frappe la surface (24) du métal en rotation à l'intérieur du moule en un point de préférence décalé par rapport à l'axe et choisi en fonction du sens de rotation imposé au métal liquide par le champ tournant, de façon à donner à ce métal une impulsion supplémentaire. Une telle impulsion est d'autant plus efficace que le point d'impact du jet est proche de la paroi du moule. On doit cependant éviter que le métal liquide à haute température frappe le moule, ce qui risquerait de l'endommager. Dans la pratique, le point d'impact du jet frappe de préférence le métal liquide à une distance de l'axe du moule comprise entre environ la moitié et les trois quarts du rayon. Comme le montre la figure 3, le jét (27) de métal liquide frappe la surface du métal dans la zone située à gauche de l'axe et le champ tournant est établi de façon à entraîner le métal liquide dans le sens de la flèche.
On voit donc que l'impact du jet contribue effectivement à accélérer la rotation du liquide.
L'extrémité (18) du moule dans la zone située au-dessous de l'axe, est prolongée pour éviter les déversements de métal liquide à l'extérieur en cas de coupure de l'entraînement magnétique.
Comme le montrent les figures 2 et 3, 4 pôles inducteurs alimentés en courant diphasé, sont disposés dans la double paroi du moule.
Le pôle supérieur (19) fournit la force magnétomotrice la plus grande et, de plus, comme le montrent les figures, il comporte au voisinage de l'entrée du moule, un enroulement supplémentaire (20) qui accroît la force magnétomotrice dans cette zone. Le pôle inférieur (21) fournit la force magnétomotrice la plus faible, tandis que les deux pôles latéraux (22) et (23) fournissent chacun une force magnétomotrice moyenne intermédiaire entre les deux extrêmes.
Le rapport entre les valeurs maximale et minimale de la force magnétomotrice est généralement ajusté entre 2 et 10, suivant les conditions opératoires. L'ajustement de ces forces magnétomotrices est obtenu de façon connue de l'homme de l'art en faisant varier dans un ou plusieurs pôles, soit l'intensité du courant, soit le nombre de spires parcourues par le courant, soit encore le sens du courant dans une partie des spires.
Dans le cas des figures 2 et 3, pour un diamètre intérieur du moule d'environ140 mm, et une alimentation en courant diphasé à la fréquence de 4 Hz, le rapport des forces magnétomotrices maximale et minimale est de 8.
Comme le montre la figure 1, lorsque le dispositif suivant l'invention est utilisé pour la production d'ébauches creuses, les moyens d'extraction et de guidage qui comportent des séries de galets tels que (9) sont disposés suivant une trajectoire courbe à concavité tournée vers le haut, et dont le rayon de courbure est généralement de 5 à 10 m de façon à annuler la pente de descente de l'ébauche, puis à lui faire atteindre une pente de montée constante, au voisinage du niveau moyen de la surface du métal liquide dans le moulé, présentant un angle d'environ 5 à 25° par rapport à l'horizontale. La vitesse d'alimentation en métal liquide, la vitesse d'extraction et les conditions de refroidissement de l'ébauche le long de sa trajectoire, sont réglées de façon que, au moment où l'ébauche atteint un niveau correspondant à celui du métal liquide dans le moule, la section du métal encore liquide dans la zone axiale de l'ébauche, ait un diamètre voisin du diamètre intérieur de l'ébauche creuse qu'on veut obtenir. A ce niveau, comme le montre la figure 1, un deuxième ensemble de moyens électromagnétiques (11) disposé autour de la trajectoire de l'ébauche, crée un champ tournant qui provoque à l'intérieur de l'ébauche une rotation rapide du métal liquide avec formation d'une sorte de puits (12).
Pour obtenir de bons résultats, il est nécessaire d'établir à ce niveau un champ tournant beaucoup plus rapide que celui qui est établi autour du moule de coulée. Dans ce but, on utilise de préférence un courant polyphasé à fréquence comprise entre 50 et 300 Hz.
Dans le cas de cet exemple, pour une pente de montée de 15°, et dans le cas d'une ébauche d'environ 140 mm de diamètre, on a utilisé un ensemble de 3 pôles inducteurs (11) disposés autour de l'ébauche, et alimentés en courant triphasé à une fréquence de 200 Hz.
Il est également nécessaire à ce niveau, pour permettre l'obtention d'un puits de métal liquide stable et symétrique par rapport à l'axe de l'ébauche, d'introduire une dissymétrie importante entre les forces magnétomotrices produites dans la zone inférieure située au-dessous de l'axe de l'ébauche, et dans la zone supérieure située au-dessus de cet axe. Pour y parvenir, on a disposé les 3 pôles inducteurs de façon que l'un d'eux soit dans la zone inférieure, son axe étant sensiblement à la verticale de l'axe de l'ébauche, et les 2 autres ^pSIes étant dans la zone supérieure. De plus, la force magnétomotrice individuelle du pôle inférieur a été calculée de façon à être 3 fois plus faible que celle de chacun des 2 autres pôles. Dans ces conditions, on a constaté effectivement la formation d'un puits de métal liquide dont la profondeur, mesurée parallèlement à l'axe de l'ébauche, est nettement supérieure au diamètre. Les parois liquides de ce puits, ont une section suivant un plan passant par l'axe de l'ébauche sensiblement parabolique, l'axe de la parabole étant pratiquement confondu avec celui de l'ébauche.
Le mouvement de rotation rapide du métal liquide à ce niveau, et la dissymétrie des forces magnétomotrices qui permet de compenser"les effets de la pesanteur, permettent d'égaliser la surface interne de la paroi solide de l'ébauche et d'obtenir ainsi une ébauche creuse dont les parois internes présentent une grande régularité d'épaisseur et un excellent état de surface. Au-delà de l'ensemble électromagnétique (11), et après solidification complète, des moyens connus de tronçonnage (13) permettent de couper l'ébauche en tronçons de la longueur désirée.
De très nombreux modes de réalisation du dispositif suivant l'invention et du procédé de mise en oeuvre de celui-ci, peuvent être envisagés.
L'invention peut s'appliquer en particulier non seulement à la production de barres rondes, mais encore à celle de barres de sections très variées, pleines ou creuses.

Claims

1. Dispositif de coulée continue de barres ou d'ébauches de tubes caractérisé en ce qu'il comprend :

- un moule (1) de coulée continue dont l'axe longitudinal est incliné par rapport à l'horizontale suivant un angle compris entre environ 30° et 60°, une ouverture d'introduction du métal liquide à l'extrémité supérieure du moule, et une ouverture d'extraction du métal partiellement solidifié à l'extrémité inférieure.

- des moyens d'introduction (5) du métal liquide dans le moule,

- des moyens de refroidissement (3) du moule,

- des moyens électromagnétiques (4) d'entraînement en rotation du métal liquide dans le moule, comprenant des pôles inducteurs dont les enroulements sont alimentés en courant polyphasé à basse fréquence, et disposés autour de l'axe du moule, de façon à créer un champ tournant capable d'entraîner en rotation le métal liquide, au moins un pôle inducteur (21) ayant une force magnétomotrice individuelle différente de la force magnétomotrice individuelle d'un ou plusieurs autres pôles inducteurs (22), créant ainsi une dissymétrie par rapport à l'axe du moule des forces auxquelles est soumis le métal liquide,

- des moyens d'extraction et de guidage du métal coulé, partiellement solidifié, à partir de l'ouverture d'extraction du moule,

- des moyens de refroidissement permettant d'obtenir la solidification progressive du métal coulé.

2. Dispositif suivant revendication 1, caractérisé en ce que la dissymétrie des forces magnétomotrices est obtenue en augmentant la force magnétomotrice individuelle produite par au moins un pôle inducteur (19, 20), dans la zone supérieure par rapport à l'axe du moule, par rapport à la force magnétomotrice individuelle produite par au moins un paie inducteur (21) dans la zone inférieure.

3. Dispositif suivant revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence du courant polyphasé est comprise entre 4 et 12 Hz.

4. Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, appliqué à la production d'ébauches de tubes, caractérisé en ce que des mens d'extraction et de guidage (9) de l'ébauche sont disposés à partir de l'ouverture d'extraction du moule le long d'une trajectoire courbe, à concavité tournée vers le haut, qui comporte un point bas puis remonte de façon à rejoindre un niveau correspondant sensiblement à celui du métal liquide dans le moule, la trajectoire étant alors rendue sensiblement rectiligne et formant un angle par rapport à l'horizontale compris entre 5 et 25°.

5. Dispositif suivant revendication 4, caractérisé en ce que, à un niveau voisin de celui du métal liquide dans le moule, on dispose autour de la trajectoire montante de l'ébauche, un deuxième ensemble de moyens électromagnétiques (11) d'entraînement en rotation du métal liquide, comprenant des pôles inducteurs dont les enroulements sont alimentés en courant polyphasé, à fréquence nettement supérieure à celle du courant qui alimente les pôles inducteurs de l'ensemble disposé autour de l'axe du moule, de façon à créer un champ tournant capable d'entraîner en rotation le métal liquide, au moins un pôle inducteur ayant une force magnétomotrice individuelle différente de la force magnétomotrice individuelle d'un ou plusieurs autres pôles inducteurs, créant ainsi une dissymétrie, par rapport à la trajectoire de l'ébauche, des forces auxquelles est soumis le métal liquide.

6. Dispositif suivant revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence du courant polyphasé est comprise entre 50 et 300 Hz.

7. Dispositif suivant revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que au moins un pôle inducteur du deuxième ensemble de moyens électromagnétiques, disposé dans la zone supérieure par rapport à la trajectoire de l'ébauche, produit une force magnétomotrice individuelle plus grande que la force magnétomotrice individuelle produite par au moins un pôle inducteur dans la zone inférieure.

8. Procédé pour la mise en oeuvre du dispositif suivant revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la dissymétrie des forces magnétomotrices des moyens électromagnétiques disposés autour de l'axe du moule de coulée continue, est ajustée de façon que la surface du métal liquide (10,24) en rotation à l'intérieur du moule prenne un profil d'équilibre, de section sensiblement parabolique,dont l'axe de symétrie est voisin de l'axe du moule.

9. Procédé pour la mise en oeuvre du dispositif suivant l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la dissymétrie des forces magnétomotrices est ajustée de façon que la surface du métal liquide (12) en rotation à l'intérieur des parois solides de l'ébauche prenne un profil d'équilibre sensiblement symétrique par rapport à un axe voisin de celui de l'ébauche.