EP0228335A1 - Lingotière de coulée continue à tête chaude - Google Patents

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EP0228335A1 EP86440098A EP86440098A EP0228335A1 EP 0228335 A1 EP0228335 A1 EP 0228335A1 EP 86440098 A EP86440098 A EP 86440098A EP 86440098 A EP86440098 A EP 86440098A EP 0228335 A1 EP0228335 A1 EP 0228335A1
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insert
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mold according
thermal conductivity
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Michel Larrecq
Jacques Petegnief
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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
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/059—Mould materials or platings

Definitions

  • the invention relates to a vertical or substantially vertical ingot mold for the continuous casting of molten metals such as steel. More particularly, the invention relates to an ingot mold made of copper or copper alloy, with a hot head, that is to say in which the heat exchanges, at the meniscus, between the cast metal and the ingot mold are slowed down so as to to reduce the oscillation wrinkles on the cast product.
  • this metal insert the average thickness of which can be a few millimeters (the thickness can be uniform, or even decrease from top to bottom of the insert), is done using an expensive technique (generally plating by explosion) due to the need to obtain perfect contact between the metal insert and the wall of the mold.
  • This necessity results in particular from the fact that any non-zero contact thermal resistance introduces a predetermined and non-reproducible datum into the overall thermal resistance of the mold.
  • these ingot molds often include a surface wear coating of nickel intended to avoid the formation of star cracks in the cast product: the addition of a thermal contact resistance risks bringing the nickel to a close temperature. of its limit around 600 ° C (temperature metal thickness near the wall: around 1540 ° C).
  • the object of the invention is to propose a new type of insert for an ingot mold with a hot head, which does not have the above-mentioned drawbacks.
  • the insert about 10 to 20 cm long, is constituted by a thin deposit of a refractory material with low thermal conductivity having good resistance to thermal shock, and whose thickness, taken between approximately 200 and 500 ⁇ m, is chosen so that, at the contact temperature of the metal with said deposited material, said metal in the course of solidification has a solid fraction of between 25 and 35% by weight approximately.
  • the inventors have in fact found that if the solid fraction at the surface of the cast metal is greater than about 35%, a thick and rigid horn is obtained by cooling in the region of the meniscus near the wall of the mold. more deform, resulting in the formation of oscillation wrinkles.
  • the refractory materials chosen resist temperatures of around 1800 ° C. Their thermal conductivity is preferably less than 10 W.m ⁇ 1K ⁇ 1, to be compared to conductivities of the order of 50, 100 and 300 W.m ⁇ 1K respectivement1 respectively for inserts in stainless steel, nickel and copper-silver alloy.
  • the small thicknesses envisaged are advantageously between 2 and 5/10 th of a mm, to be compared to a few millimeters of thickness of the metal inserts.
  • the refractory materials are in particular alumina (melting temperature: 2040 ° C; thermal conductivity ranging between 2 Wm ⁇ 1K ⁇ 1 and higher values depending on the treatment undergone), zirconia (melting temperature: 2700 ° C; thermal conductivity: 1 Wm ⁇ 1K ⁇ 1), boron nitride, or, so preferred, chromium carbide (melting temperature: 1800 °; thermal conductivity: 7.5 Wm ⁇ 1K ⁇ 1).
  • the deposition of the material is obtained by spraying in a hot powder manner, for example by means of a plasma torch or preferably a detonation gun (according to the technique marketed by the company "Union Carbon Corporation"), followed polishing.
  • a plasma torch or preferably a detonation gun according to the technique marketed by the company "Union Carbon Corporation"
  • This technique provides excellent adhesion between the support and the filler material, and a homogeneous coating free of roughness.
  • the deposit is made in a recess in the wall of the ingot mold, of depth equal to the thickness of the deposit, made either in the copper of the wall, or in the surface coating of nickel or chromium if one is provided. .
  • the copper wall 1 has a recess 2 of 3/10 th mm in thickness and about fifteen centimeters in height covering the region of the meniscus taking account of the oscillations on the one hand and possible variations in average level.
  • the recess 2 is filled with a deposit 3 of Cr3C2 obtained by projection with detonation cannon, followed by polishing.
  • the recess 2 ⁇ is made from the chrome coating 4, 0.3 mm thick, covering the wall 1 ⁇ of the mold.
  • the material 3 ⁇ is flush with the internal surface of the mold.
  • the graph in FIG. 3 makes it possible to compare the values of the local densities of heat flow ⁇ c extracted by the ingot mold equipped with an insert according to the invention, made of chromium carbide (curve B), with the values obtained using a conventional ingot mold. without insert (curve A).
  • the straight line C in broken lines located at d ⁇ 70 mm corresponds to the lower limit of the insert, which, in this particular case, and for an insert of approximately 150 mm high, indicates that the meniscus is substantially mid-height of said insert.
  • the two curves A and B correspond to the continuous casting of slabs with an extraction speed of 1.3 m / min.
  • the inventors were able to observe, by studying a mathematical model established for cooling in an ingot mold without insert, that the surface temperature of the steel in contact with the ingot mold is close to the solidus of the steel grade (1493 ° C), which indicates a significant solidification of the meniscus horn.
  • the inventors found that it was necessary to divide by four the heat extraction provided by the copper walls in the vicinity of the meniscus.
  • the density of thermal flux extracted by the ingot mold is substantially divided by a factor 4.
  • the density of flux extracted at the meniscus is around 2 MW / m2 (curve A), and the use of a thin chromium carbide insert brings this value to around 500 kW / m2.
  • Figures 4 and 5 compare the longitudinal profiles of the surface of a low carbon steel slab cast at the speed of 1.3 m / min with an oscillation frequency of 117 strokes per minute.
  • Figure 4 corresponds to a profile obtained by solidification against the wall of an ingot mold equipped with an insert according to the invention
  • Figure 5 corresponds to an equivalent profile obtained with a conventional ingot mold without insert.
  • the invention is not limited to the embodiments and to the applications described above by way of example.
  • the dimensions of the insert can be adapted to the molds and cast products.
  • the casting parameters extraction speed, frequency of oscillations
  • the mold according to the invention can be used both for continuous casting of slabs and other products (blooms).

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Abstract

Les parois comportent à leur partie supérieure un insert (3) constitué par un mince dépôt d'un matériau réfractaire à faible conductivité thermique, ayant une bonne tenue aux chochs thermiques destiné à ralentir les échanges thermiques, au niveau du ménisque, entre le métal coulé et la lingotière. Le dépôt de matériau réfractaire est obtenu par projection au moyen d'un canon à détonation et est en alumine, zircone, nitrure de bore ou carbure de chrome.

Description

  • L'invention concerne une lingotière verticale ou sensi­blement verticale pour la coulée continue des métaux en fusion tel que l'acier. Plus particulièrement, l'invention concerne une lingotière en cuivre ou alliage de cuivre, à tête chaude, c'est-à-dire dans laquelle les échanges thermiques, au niveau du ménisque, entre le métal coulé et la lingotière sont ralentis de manière à atténuer les rides d'oscillation sur le produit coulé.
  • On connaît, par exemple par les documents FR-A-2 528 738 et FR-A-2 540 409, une telle lingotière, dont les parois énergé­tiquement refroidies par circulation d'un liquide de refroidis­sement, comportent à leur partie supérieure un insert ;métallique d'acier inoxydable, dont la conductivité thermique est inférieure à celle du métal constituant les parois de la lingotière. De la sorte, le métal est moins refroidi au voisinage du ménisque, ce qui permet de diminuer la profondeur des rides d'oscillation et la longueur de la corne solidifiée qui accompagne leur forma­tion. On sait que de telles rides constituent des points sensi­bles où naissent préférentiellement des criques de surface préju­diciables à la qualité du produit fini.
  • La mise en place de cet insert métallique, dont l'épaisseur moyenne peut être de quelques millimètres (l'épaisseur peut être uniforme, ou bien décroître du haut en bas de l'insert), se fait selon une technique coûteuse (en général placage par explosion) en raison de la nécessité d'obtenir un contact parfait entre l'insert métallique et la paroi de la lingotière. Cette nécessité résulte notamment du fait que toute résistance thermique de contact non nulle introduit une donnée prédéterminée et non reproductible dans la résistance thermique globale de la lingo­tière. D'autre part, ces lingotières comportent souvent un revête­ment superficiel d'usure en nickel destiné à éviter la formation de criques en étoile dans le produit coulé : l'addition d'une résistance thermique de contact risque de conduire le nickel à une température proche de sa limite autour de 600°C (tempéra­ ture du métal au voisinage de la paroi : environ 1540°C).
  • Le but de l'invention est de proposer un nouveau type d'insert pour lingotière à tête chaude, qui ne présente pas les inconvénients précités.
  • Selon l'invention, l'insert, de 10 à 20 cm de long environ, est constitué par un mince dépôt d'un matériau réfractaire à faible conductivité thermique ayant une bonne tenue aux chocs thermiques, et dont l'épaisseur, prise entre environ 200 et 500µm, est choisie de manière que, à la température de contact du métal avec ledit matériau déposé, ledit métal en cours de solidification présente une fraction solide comprise entre 25 et 35 % environ en poids.
  • Les inventeurs ont en effet constaté que si la fraction solide à la surface du métal coulé est supérieure à environ 35 %, on obtient, par refroidissement dans la zone du ménisque proche de la paroi de la lingotière, une corne épaisse et rigide qui ne peut plus se déformer, ce qui entraîne la formation des rides d'oscillation.
  • Inversement, si la fraction solide est faible, le ménisque n'a plus de consistance ni rigidité; mais maintenir une fraction liquide inférieure à 25 % revient à inhiber une part importante du refroidissement en lingotière. Dans le domaine considéré, les matériaux réfractaires choisis résistent à des températures d'environ 1800°C. Leur conductivité thermique est de préférence inférieure à 10 W.m ⁻¹K⁻¹, à comparer à des conductivités de l'ordre de 50, 100 et 300 W.m⁻¹K⁻¹ respec­tivement pour des inserts en inox, nickel et alliage cuivre-argent.
  • Les faibles épaisseurs envisagées sont avantageusement comprises entre 2 et 5/10e de mm, à comparer aux quelques milli­mètres d'épaisseur des inserts métalliques.
  • Les matériaux réfractaires sont notamment l'alumine (tempé­rature de fusion : 2040°C ; conducitivité thermique s'échelonnant entre 2 W.m⁻¹K⁻¹ et des valeurs supérieures selon le traitement subi), la zircone (température de fusion : 2700°C ; conductivité thermique : 1 W.m⁻¹K⁻¹), le nitrure de bore, ou, de manière préférée, le carbure de chrome (température de fusion : 1800° ; conductivité thermique : 7,5 W.m⁻¹K⁻¹).
  • Le dépôt du matériau s'obtient par projection de manière pulvérulente à chaud, par exemple au moyen d'une torche à plasma ou de préférence d'un canon à détonation (selon la technique commercialisée par la société "Union Carbon Corporation"), suivi d'un polissage. Cette technique permet d'obtenir un accro­chage excellent entre le support et le matériau d'apport, et un revêtement homogène exempt d'aspérité.
  • Le dépôt est pratiqué dans un évidement de la paroi de la lingotière, de profondeur égale à l'épaisseur de dépôt, prati­qué soit dans le cuivre de la paroi, soit dans le revêtement superficiel de nickel ou de chrome s'il en est prévu un.
  • D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faite d'un mode particulier de réalisa­tion de l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 représente une coupe partielle de la paroi d'une lingotière conforme à l'invention,
    • - la figure 2 est une vue similaire lorsque la lingotière est pourvue d'un revêtement superficiel,
    • - la figure 3 est un graphique montrant la variation du flux surfacique de chaleur dissipée par la lingotière en fonction de la distance par rapport à la surface du ménisque (ordonnée 0),
    • - figure 4 est une représentation du profil des rides d'oscillations sur des brames de coulée continue dans une lingo­tière selon l'invention,
    • - figure 5 est une représentation similaire avec une lingotière sans insert.
  • Sur la figure 1, la paroi 1 en cuivre comporte un évidement 2 de 3/10e mm d'épaisseur et d'une quinzaine de centimètres de hauteur couvrant la région du ménisque compte tenu des oscil­lations d'une part et des éventuelles variations de niveau moyen. L'évidement 2 est comblé par un dépôt 3 de Cr₃C₂ obtenu par projection au canon à détonation, suivi d'un polissage.
  • Sur la figure 2, l'évidement 2ʹ est pratiqué à partir du revêtement de chrome 4, de 0,3 mm d'épaisseur, couvrant la paroi 1ʹ de la lingotière. Le matériau 3ʹ affleure la surface interne de la lingotière.
  • Le graphique de la figure 3 permet de comparer les valeurs des densités locales de flux thermique Φc extrait par la lingo­tière équipée d'un insert selon l'invention, en carbure de chrome (courbe B), aux valeurs obtenues en utilisant une lingotière conventionnelle sans insert (courbe A). La droite C en traits interrompus située à d ≃ 70 mm, correspond à la limite inférieure de l'insert, ce qui, dans ce cas particulier, et pour un insert de 150 mm de haut environ, indique que le ménisque se trouve sensiblement à mi- hauteur dudit insert. Les deux courbes A et B correspondent à la couléecontinue de brames avec une vitesse d'extraction de 1,3 m/min.
  • Dans les conditions d'échange thermique retenues pour cet exemple, les inventeurs ont pu constater,par l'étude d'un modèle mathématique établi pour un refroidissement en lingotière sans insert, que la température de surface de l'acier au contact avec la lingotière est proche du solidus de la nuance d'acier (1493°C), ce qui indique une solidification importante de la corne du ménisque. Pour ramener la fraction solidifiée au contact avec la lingotière à environ 30 %, les inventeurs ont trouvé qu'il fallait diviser par quatrel'extraction calorifique assurée par les parois de cuivre au voisinage du ménisque.
  • On remarque sur la figure 3 que, conformément au but re­cherché, dans la zone de l'insert la densité de flux thermique extrait par la lingotière est sensiblement divisé par un facteur 4. En effet dans une lingotière classique, la densité de flux extrait au voisinage du ménisque est de l'ordre de 2 MW/m² (courbe A), et l'utilisation d'un insert mince en carbure de chrome ramène cette valeur au voisinage de 500 kW/m².
  • De plus, dès la sortie de l'insert (ligne en traits inter­rompus), l'extraction calorifique mesurée localement est proche des valeurs obtenues sur une lingotière conventionnelle, ce qui permet de constater que le refroidissement global en lingotière en dessous de l'insert est peu perturbé par la présence de celui-­ci.
  • Les figures 4 et 5 permettent de comparer les profils longitudinaux de la surface d'une brame d'acier à bas carbone coulée à la vitesse de 1,3 m/min avec une fréquence d'oscillation de 117 coups par minute. La figure 4 correspond à un profil obtenu par solidification contre la paroi d'une lingotière équipée d'un insert selon l'invention, et la figure 5 correspond à un profil équivalent obtenu avec une lingotière conventionnelle sans insert.
  • Il apparaît clairement que l'utilisation d'un insert dimi­nue notablement la profondeur des rides d'oscillation à la surface du produit, et améliore leur régularité. On a observé lors d'es­sais réalisés dans des conditions de coulée analogues, une diminu­tion systématique de 25 à 40 % de la profondeur des rides d'oscil­lation.
  • D'autres essais réalisés avec des brames d'acier moyen carbone (c'est-à-dire à teneur en carbone voisine de 0,1 %) coulées à une vitesse de 0,8 m/min avec une fréquence d'oscilla­tion de 80 coups par minute, ont permis de mettre en évidence la différence de structure de solidification de la première peau d'une brame selon qu'elle est solidifiée dans une lingotière sans insert conforme à l'invention.
  • L'observation d'échantillons prélevés longitudinalement dans lesdites brames et attaqués par le réactif de Bechet-Beaugeard, révèle que, dans le cas de la lingotière conventionnelle sans insert, les rides sont profondes et se prolongent par une hétéro­généité de solidification résultant de la formation de la corne solidifiée au niveau du ménisque. La profondeur de la corne solidifiée est lors d'environ 1,7 mm. Dans le cas de la lingo­tière avec insert selon l'invention, les rides apparaîssent beaucoup moins marquées et la profondeur de pénétration de la corne solidifiée n'est que de 0,9 mm soit environ la moitié seulement de la valeur observée en l'absence d'insert.
  • Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation et aux applications décrites ci-dessus à titre d'exemple. En particulier les dimensions de l'insert peuvent être adaptées aux lingotières et produits coulés. Les paramètres de coulée (vitesse d'extraction, fréquence des oscillations) peuvent être adaptés et la lingotière selon l'invention peut être utilisée aussi bien en coulée continue de brames que d'autres produits (blooms).

Claims (6)

1. Lingotière verticale ou sensiblement verticale de coulée continue des métaux en fusion tel que l'acier, en cuivre ou alliage de cuivre, dont les parois énergétiquement refroidies par contact avec un liquide de refroidissement en circulation, comportent à leur partie supérieure un insert, réalisé en un matériau de conductivité thermique inférieure à celle du cuivre ou de l'alliage de cuivre, destiné à ralentire les échanges thermi­ques, au niveau du ménisque, entre le métal coulé et la lingo­tière, caracterérisée en ce que ledit insert, de 10 à 20 cm de long environ,est constitué par un dépôt d'un matériau réfractaire (3, 3ʹ) à faible conductivté thermique, ayant une bonne tenue aux chocs thermiques et dont l'épaisseur, prise entre environ 200 et 500 µm, est choisie de manière que, à la température de contact du métal avec ledit matériau déposé, ledit métal en cours de solidification présente une fraction solide comprise entre 25 et 35 % environ en poids.
2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau réfractaire (3, 3ʹ) a une température de fusion supérieure à 1800°C.
3. Lingotière selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le matériau réfractaire (3, 3ʹ) a une conductivité thermique inférieure à ---- 10 W.m⁻¹K⁻¹.
4. Lingotière selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce que le matériau réfractaire (3, 3ʹ) est choisi dans le groupe suivant : alumine, zircone, nitrure de bore, carbure de chrome.
5. Lingotière selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dépôt de matériau réfrac­taire (3, 3ʹ) est obtenu par projection de matière pulvérulente à chaud.
6. Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en ce que le dépôt est réalisé au moyen d'un canon de détonation.
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