Full text of DOI:10.1051/metal:2001191

Voyage dans une lingotière de
coulée continue. Mesures laser
et électromagnétiques de
l'hydrodynamique de l'acier *
P.H. Dauby, M.B. Assar, G.D. Lawson
(LTV Steel, USA)
■
INTRODUCTION
Durant plusieurs années, LTV Steel a utilisé des modèles à
eau pour étudier l'hydrodynamique de l'acier en réparti-
teurs, en lingotières et en busettes immergées dans le but
d'améliorer la propreté de l'acier et de réduire les défauts
sur bobines. Les modèles à eau sont faciles à utiliser, per-
mettent de très bien visualiser les mouvements de l'eau et
l'entraînement de laitier et sont, pour cette raison, très utiles
pour des études paramétriques. Lorsque du gaz est injecté
dans les modèles à eau, la similitude entre maquette et
lingotière industrielle est cependant compromise. C'est la
raison pour laquelle LTV Steel décida, dès 1977, d'explorer
d'autres techniques d'investigation de l'hydrodynamique de
l'acier. Ce sera l'objectif du présent rapport de décrire ces
techniques et d'en présenter les résultats d'utilisation.
Des techniques originales de mesure de la vitesse
de l'acier en lingotière sont présentées ainsi que
les résultats obtenus. Des mesures laser sur
modèles à eau sont comparées à des mesures de
vitesse de l'acier liquide par capteurs
électromagnétiques dans des lingotières à brames
industrielles (plus de six mois d'opération
continue). Les observations et conclusions sont
corroborées par des mesures de profils
d'épaisseur de la couche fondue de poudre de
coulée continue, des mesures aux rayons X de la
distribution des bulles d'argon piégées dans les
brames ainsi que des déterminations par sonde
électronique de la composition des défauts
observés sur acier.
■
TECHNIQUES UTILISÉES
PIV et MFC sont les deux techniques qui seront présentées
dans cet article :
•
PIV (Particle Image Velocimetry) est une technique laser
de mesure de la vitesse de l'eau qui a été utilisée sur les
modèles à eau que la société LTV possède à Independence
(échelles 1/1 et 4/10).
•
MFC (Mould Flow Control) est une mesure électroma-
gnétique de la vitesse de l'acier liquide qui a été utilisée sur
la machine à brames à deux brins de l'usine de Cleveland
(rayon : 12 m, longueur métallurgique : 33 m, épaisseur :
2
30 mm, largeur : de 787 à 1865 mm).
En outre ont été effectuées des mesures par fils fondus de
l'épaisseur de la couche de poudre de coulée continue, des
mesures aux rayons X de la distribution des bulles d'argon
piégées dans les brames ainsi que des déterminations par
sonde électronique de la composition des défauts observés
sur acier.
■
RÉSULTATS
Les motifs de la présente étude sont repris ci-dessous et
couvrent quatre sujets :
*
Ce texte a fait l’objet d’une présentation aux Journées Sidérurgiques
–
déterminer dans quelle mesure les modèles à eau simu-
lent bien les conditions de coulée en lingotières indus-
trielles ;
Internationales 2000 de l’ATS (Paris, 13-14 décembre 2000, session 2).
©
La Revue de Métallurgie 2001.
La Revue de Métallurgie-CIT
Avril 2001
353

PIV and MFC measurements in a
continuous caster mould. New tools
to penetrate the caster black box
P.H. Dauby, M.B. Assar, G.D. Lawson
(LTV Steel, USA)
Objectives
Four objectives are presented in this paper :
– defect samples were analyzed using Scanning
Electron Microscopy to confirm the steelmaking ori-
gin of the defects observed (defective coils were re-
inspected at slow speed).
–
–
–
–
determine to what extent water models reflect actual
casting operations ;
Conclusions
determine the predictability of the steel flow in the
caster moulds ;
•
Water model (PIV data) and actual mould results
(MFC data) are only identical in zero-gas casting condi-
determine to what extent steel flow pattern and velo-
city affect slab quality ;
tions, making it difficult to use water modelling for cas-
ter operation optimization.
identify the main parameters/ countermeasures that
impact slab/coil quality.
• Steel flow in the mould is highly turbulent.
Experiments
• Parameters such as casting speed, argon flow, slab
width and SEN depth significantly affect steel meniscus
velocity and flow pattern (single or double roll).
The two technologies that were investigated during this
research programme are Particle Image Velocimetry
(
PIV) and Mould Flow Control (MFC) :
•
High argon flows (particularly at slow speeds) and
–
PIV is a powerful laser-based technology that was
used on the LTV 0.4 and full-scale water models to
determine water velocities in various simulations of
casting conditions ;
transitory casting conditions such as SEN clogging,
casting speed changes and tundish changes have a great
impact on flow stability.
•
It typically takes two to four minutes following a cas-
–
MFC sensors are magnetic sensors that were installed
on the LTV Cleveland-East 2-strand slab caster to
measure actual liquid steel velocities.
ting speed change for the steel velocities to stabilize at
the new level. After a tundish fly, it may take up to fifteen
minutes for the steel flow to re-stabilize.
In addition, nail boards, X-ray and SEM analyses were
extensively used :
• Steel quality (slivers and pencil pipe) is related to flow
pattern and flow stability, two items that are not directly
predictable from the usual quality event alarms.
–
nail boards (steel/aluminum nails inserted into the
liquid steel) were used to determine steel meniscus
profiles and mould powder/molten slag layer thick-
nesses during casting ;
•
Overall steel quality improvement requires low gas
flow rates and steady casting conditions, making argon
reduction and clogging elimination the primary goals of
any optimization programme.
–
X-ray analysis was used to determine gas bubble/
pinhole locations/densities in as-cast slabs ;
–
–
–
déterminer s'il est possible de prédire les mouvements de
l'acier en lingotière à partir des conditions de coulée ;
l'eau ainsi que des bulles de gaz qu'elle peut contenir. Les
vecteurs de vitesses ainsi déterminés sont ensuite utilisés
pour construire les trajectoires suivies par l'eau et les bulles
de gaz.
déterminer dans quelle mesure les mouvements de l'acier
affectent la qualité du produit fini ;
déterminer quels paramètres et conditions de coulée sont
favorables à l'amélioration de la qualité des brames et des
bobines.
La figure 1 schématise les deux types de trajectoire habi-
tuellement observés. Dans la trajectoire de type « double-
roll », l'eau (ou l'acier) heurte d'abord les petites faces de la
lingotière et se divise ensuite en deux boucles. Il en résulte
qu'en surface de lingotière les vecteurs vitesses sont dirigés
depuis les petites faces vers la busette immergée (SEN).
Dans la trajectoire de type « single-roll », l'eau (ou l'acier)
monte d'abord vers le ménisque et les vecteurs vitesses au
ménisque sont alors dirigés de la busette vers les petites
Mesures PIV (laser) sur maquettes
Dans la technique PIV, un laser combiné à une caméra rapide
(30 vues par seconde) est utilisé pour mesurer la vitesse de
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La Revue de Métallurgie-CIT
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COULÉE CONTINUE
Fig. 1 – Deux trajectoires typiques de l'acier.
Fig. 1 – Schematic representation of the two most typical flows that will be discussed in this paper.
faces. Dans la suite de cet article, les vecteurs vitesses
allant de la gauche vers la droite seront considérés positifs,
tandis que ceux allant de la droite vers la gauche seront
considérés négatifs.
métal), de redresser leur trajectoire, et de les faire remonter
vers la surface de la lingotière ; ceci d'autant plus rapide-
ment qu'il y a plus de gaz. Il est à noter que l'injection de
gaz, en plus de son effet sur la trajectoire de l'eau, rend éga-
lement les écoulements plus turbulents et plus désordonnés
(fig. 4), un phénomène qui sera confirmé dans la suite de cet
article lorsque nous décrirons les résultats MFC de mesures
réelles de vitesse de l'acier liquide en lingotière industrielle.
La figure 2 indique que les trajectoires « double-roll » sont
typiques des conditions pour lesquelles aucun gaz n'est
injecté en lingotière (plus précisément dans l'ensemble
réfractaire de répartiteur/busette). Si beaucoup de gaz est
utilisé, la trajectoire « single-roll » est plus typique (fig. 3).
L'effet de l'injection de gaz est donc de soulever l'eau (et le
La figure 5 indique qu'en plus du débit de gaz injecté en lin-
gotière, le débit de la machine et la largeur des brames
Fig. 2 – Mesures PIV. Modèle à eau (brames de 1854 mm ;
Fig. 3 – Mesures PIV. Modèle à eau (brames de 1854 mm ;
1,270 m/min ; 9 l/min d'air). Lorsque du gaz est injecté en
lingotière, les trajectoires sont de type « single-roll » ; les
vecteurs vitesses au ménisque sont dirigés vers les petites faces.
1,016 m/min, sans argon). Sans injection de gaz,
les trajectoires sont de type « double-roll » ; les vecteurs
vitesses au ménisque sont dirigés vers la busette immergée.
Fig. 2 – PIV measurements. Water velocities (73-inch wide slabs ;
Fig. 3 – PIV measurements. Water velocities (73-inch wide ;
50 ipm ; 9 l/min air). Single-roll is the typical flow pattern when
gas is used ; meniscus velocities are directed away from the SEN.
40 ipm, zero gas). Double-roll is the typical flow pattern without
gas injection ; meniscus velocities are directed toward the SEN.
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Fig. 4 – Mesures PIV (brames de 1854 mm ; 1,270 m/min ; avec ou sans injection de gaz).
L'injection de gaz rend l'écoulement d'eau plus turbulent et fait passer
le type de trajectoires de « double-roll » à « single-roll ».
Fig. 4 – PIV measurements. Water velocities (73-inch wide ; 50 ipm).
Injection of gas makes the flow more turbulent and causes transition from double-roll to single-roll flow pattern.
Fig. 5 – Mesures sur modèle à eau.
Visualisation des trajectoires avec grilles
de fils : les trajectories de l'eau sont fonction
de la vitesse de coulée, de la largeur des
brames et du débit de gaz.
Fig. 5 – Water modelling string measurements :
single/double-roll flow pattern is clearly
a function of machine throughput,
gas consumption, and slab width.
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COULÉE CONTINUE
Fig. 6 – Mesures PIV. Vitesse des bulles d'air
Fig. 7 – Mesures PIV. Vitesse des bulles d'air (brames de
1854 mm ; 1,066 m/min ; 3 l/min). Lorsque la vitesse de
coulée augmente, les bulles d'air peuvent atteindre les
petites faces et être entraînées dans le bas de la lingotière.
(
brames de 1854 mm ; 0,889 m/min ; 3 l/min) ;
à basses vitesses de coulée, les bulles d'air
remontent près de la busette.
Fig. 6 – PIV measurements. Bubble velocities
Fig. 7 – PIV measurements. Bubble velocities (73-inch wide ;
42 ipm ; 3 l/min). When casting speed increases, gas bubbles
disperse, may reach the narrow faces, and be entrained
deep into the mould.
(73-inch wide ; 35 ipm ; 3 l/min) ;
at low casting speed, gas bubbles float
out close to the SEN.
influencent également les trajectoires en lingotière. Ceci est
dû à ce que l'on pourrait appeler un effet « petite-face » :
lorsque la largeur des brames diminue, l'eau (ou l'acier)
heurtera les petites faces avec plus de force ; il rebondira
dès lors plus violemment et créera deux boucles.
au ménisque, conduit à la formation de vortex (fig. 12), un
phénomène qui n'est jamais observé avec des busettes
propres. L'effet d'un bouchage de busette sera dès lors une
détérioration nette de la qualité de l'acier combinée à une
augmentation sévère du nombre de bulles de gaz capturées
dans les dix premiers millimètres de la couche d'air soli-
difié (fig. 13).
Indépendamment des écoulements de l'eau, les mesures
PIV permettent également de suivre les trajectoires parcou-
rues par les bulles d'air ou d'argon et de déterminer leurs
vitesses. Ainsi, à basses vitesses de coulée (fig. 6), les
bulles de gaz ont tendance à s'échapper à la verticale de la
busette immergée. A grandes vitesses au contraire (fig. 7),
les bulles de gaz sont entraînées avec le flot d'eau (ou
d'acier) et peuvent même atteindre les petites faces. La pro-
fondeur à laquelle une bulle de gaz sera entraînée ensuite
dans la brame dépend de sa vitesse de remontée qui,
elle-même, dépend de son diamètre. Seules les grosses
bulles, de diamètre suffisant, remonteront en surface ; les
autres seront entraînées vers le bas dans le puits d'acier
liquide. Ceci est une condition que nous ne savons pas
simuler dans nos modèles à eau parce que la dimension des
bulles d'argon varie grandement (fig. 8).
En ce qui concerne les vecteurs de vitesse PIV, tant les
vitesses en ménisque que celles près des petites faces se
corrèlent bien avec les vitesses de coulée (fig. 9 et 10).
L'injection de gaz en lingotière réduit ces vitesses en modi-
fiant progressivement les trajectoires de l'eau, les faisant
passer de « double-roll » à « single-roll ». Le bouchage de
busette augmente les vitesses aux petites faces (fig. 11) et,
Fig. 8 – Mesures aux rayons X sur brames industrielles
(brames de 1752 mm ; 0,889 m/min ; 6,5 l/min).
La dimension des bulles d'argon est très variable.
Fig. 8 – X-ray measurements (69-inch wide ; 35 ipm ; 6.5 l/min).
Argon bubble size varies greatly and makes water
modelling/simulation difficult.
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Fig. 9 – Mesures PIV. Les vitesses au ménisque varient avec
la vitesse de coulée ; des vecteurs vitesses négatifs
indiquent un écoulement de type « single-roll ».
Fig. 12 – Mesures sur modèle à eau : en cas de bouchage
des busettes, le jet d'eau heurte les petites faces plus haut,
déstabilise les vitesses en surface de lingotière et
favorise la formation de vortex.
Fig. 9 – PIV measurements. Meniscus-velocities vary with
casting speed ; negative values denote single-roll flow.
Fig. 12 – Water modelling. SEN clogging (50 % port/bore)
makes the water jet hit higher on the narrow face, destabilizes
the meniscus velocities and promotes vortexing.
Fig. 10 – Mesures PIV. Les vitesses verticales vers le bas,
près des petites faces, augmentent avec la vitesse de coulée
et diminuent lorsque le débit de gaz augmente.
Fig. 10 – PIV measurements. Downward-velocities
(near the narrow faces) increase when casting speed is increased
and slightly decrease when gas flow rate is increased.
Fig. 13 – Mesures aux rayons X sur brames industrielles
(brames de 1549-1651 mm ; 0,914 m/min ; 6,5 l/min).
Le bouchage des busettes favorise le piégeage des bulles
d'argon dans le premier lard de solidification.
Fig. 11 – Mesures PIV. Le bouchage des busettes
augmente les vitesses verticales vers le bas.
Fig. 13 – X-ray measurements (61-65-inch wide ; 36 ipm ;
6.5 l/min). Clogging dramatically increases entrapment of argon
bubbles in the first 10-mm of solidified shell.
Fig. 11 – PIV measurements. SEN clogging (50 % port/bore)
increases downward velocities.
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La Revue de Métallurgie-CIT
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COULÉE CONTINUE
Mesures MFC (électromagnétiques)
en lingotières industrielles
Les capteurs MFC sont des aimants permanents très puis-
sants que l'on monte sur les faces des lingotières de coulée
continue (fig. 14). Ils créent dans l'acier des champs magné-
tiques qui, combinés avec les mouvements de l'acier, indui-
sent des courants électriques qui, à leur tour, peuvent être
mesurés et transformés en vecteurs vitesses de l'acier. Dès
février 1997, LTV Steel équipa l'une de ses machines de
coulée continue de huit de ces capteurs. En août 1998, une
seconde lingotière équipée de deux capteurs fut mise en
service, pour une utilisation combinée équivalente à six
mois de production permanente.
La figure 15 indique qu'en l'absence de tout gaz injecté dans
la lingotière (c'est le cas d'aciers traités au calcium),
«
double-roll » est la trajectoire typiquement suivie par
l'acier liquide. Dans ce cas, la vitesse de l'acier au ménisque
répond bien aux changements de vitesse de coulée imposés
(fig. 16) ; cependant, l'on constate qu'il faut attendre plus de
deux minutes après un changement de vitesse d'extraction
pour que la vitesse au ménisque atteigne et se stabilise à un
nouveau niveau. « Single-roll » est la trajectoire typique
lorsque de grandes quantités de gaz (argon) sont utilisées
Fig. 15 – Mesures MFC (brames de 1422 mm ; 1,143 m/min ;
acier traité au calcium). « double-roll » est la trajectoire
typique de l'acier en absence de tout argon.
Fig. 15 – MFC measurements (56-inch wide, 45 ipm,
calcium-treated). Double-roll is the typical steel flow pattern
when no argon is used.
(fig. 17). A nouveau, on observe, dans ce cas, qu'il faut près
de deux minutes au système pour se stabiliser au nouveau
niveau. Connaître le type de trajectoire suivie par l'acier est
bien plus qu'une curiosité académique : ainsi que le mon-
trent les figures 18 et 19, il détermine en effet le profil
d'épaisseur de la couche fondue de poudre de coulée conti-
nue, c'est-à-dire, en fait, la qualité de la lubrification en
lingotière, la profondeur des rides d'oscillation et autres
paramètres de coulée. En « double-roll », l'épaisseur de la
couche fondue de poudre sera plus mince près des petites
faces ; en « single-roll », la couche de poudre fondue sera
plus mince près de la busette immergée.
Fig. 16 – Mesures MFC (brames de 1422 mm ;
de 1,143 à 1,016 m/min ; acier traité au calcium).
Les vitesses au ménisque répondent bien à des
variations de vitesse de coulée.
Fig. 14 – Mesures MFC. Position des capteurs de mesure
(
quatre sur la grande face arrière ; deux sur chacune
Fig. 16 – MFC measurements (56-inch wide, 45 to 40 ipm,
calcium-treated).Meniscus velocities respond well to casting
speed changes ; it typically takes two minutes after a casting
speed change for the steel velocities to stabilize at the new level.
des petites faces).
Fig. 14 – MFC measurements. Location of the MFC sensors
4 sensors on back broad face and 2 sensors on each narrow face).
(
La Revue de Métallurgie-CIT
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359

Fig. 19 – Mesure du profil d'épaisseur de la poudre
brames de 1549 mm ; 0,939 m/min ; 6,5 l/min).
(
Lorsque les trajectoires sont du type « single-roll »,
c'est près de la busette qu'il y a un amincissement
de la couche de poudre.
Fig. 19 – Nail board measurements
6-inch wide ; 37 ipm ; 6.5 l/min). With single-roll flow,
the molten slag layer is thinner close to the SEN.
Fig. 17 – Mesures MFC (brames de 1320 mm ; 1,016 m/min ;
(
1
5 l/min). « Single-roll » est la trajectoire typique de l'acier
lorsque de grandes quantités d'argon sont injectées en
lingotière. Après un changement de vitesse, il faut plus de
deux minutes à l'acier pour se restabiliser.
En accord avec la tendance observée lors des mesures PIV
sur maquette selon laquelle l'injection de gaz en lingotière
modifie progressivement les trajectoires de l'eau et les fait
passer de « double-roll » à « single-roll », on observe en lin-
gotière industrielle également que les trajectoires suivies
par l'acier liquide sont fortement influencées par l'injection
d'argon (fig. 20). Il est intéressant à ce sujet d'examiner la
figure 21 qui est relative à des coulées pendant lesquelles
l'argon a été remplacé par de l'azote. Ici également on
observe que les injections d'azote font passer les trajec-
toires de l'acier de « double-roll » à « single-roll » démon-
trant que, contre toute attente, l'azote ne se dissout pas
immédiatement dans l'acier. Les mesures MFC démontrent
de plus que l'écoulement de l'acier devient extrêmement
turbulent et aléatoire lorsque le débit d'argon augmente. En
l'absence d'argon, les mesures PIV et MFC sont identiques
et se corrèlent très bien avec les vitesses de coulée (fig. 22).
A grand débit d'argon par contre, les vitesses de l'acier
sont très instables et ne se corrèlent plus du tout avec les
vitesses d'extraction (fig. 23), a fortiori, avec les mesures
sur maquettes qui sont toujours très reproductibles.
Fig. 17 – MFC measurements (52-inch wide ; 40 ipm ;
1
5 l/min argon). Single-roll flow pattern is the typical steel flow
pattern at high argon flows. Meniscus velocities respond
to casting speed changes ; it typically requires two minutes
following a casting speed change for the steel velocities
to restore to their previous level.
Instabilités d'écoulement – Causes de
défauts sur acier
Fig. 18 – Mesure du profil d'épaisseur de la poudre de
couverture (brames de 1676 mm ; 1,219 m/min ; 13 l/min).
Lorsque les trajectoires sont du type « double-roll »,
l'acier heurte violemment les petites faces de la lingotière,
remonte localement le ménisque et réduit d'autant
l'épaisseur de la poudre fondue.
Les figures 24 à 27 résument les observations les plus per-
tinentes (et sans doute les plus surprenantes) faites durant
les campagnes de mesure MFC relativement à la qualité de
l'acier élaboré. La conclusion de ces diagrammes est que,
alors que chaque condition de coulée prise séparément ne
peut pas bien être mise en relation (ou pas du tout) avec les
Fig. 18 – Nail board measurements (66-inch wide ; 48 ipm,
13 l/min). With double-roll flow, steel hits the narrow faces
where it creates a standing wave ; at that point the molten
slag layer thickness is reduced.
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La Revue de Métallurgie-CIT
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COULÉE CONTINUE
Fig. 20 – Mesures MFC. Plus le débit d'argon est élevé, plus l'écoulement de l'acier est perturbé.
Fig. 20 – MFC measurements. The higher the argon flow, the more unsteady the steel flow pattern becomes.
Fig. 21 – Mesures MFC (brames de 1752 mm ;
1,220-1,320 m/min ; 150 mm de profondeur
d'immersion ; coulées sans argon comparées
à des coulées avec 18 l/min d'azote). L'injection
d'azote favorise les trajectoires
de type « single-roll ».
Fig. 21 – The injection of nitrogen
(similarly to argon) makes the steel flow pattern
become single-roll proving that nitrogen
does not immediately dissolve in the liquid steel.
Fig. 22 – Mesures PIV & MFC (brames de 1854 mm ;
sans argon). En l'absence d'argon, les vitesses de
l'acier liquide au ménisque sont identiques
à celles mesurées sur modèle à eau.
Fig. 23 – Mesures MFC (brames de 1828 mm ; 13 l/min).
À débit d'argon élevé, les vitesses de l'acier sont très
instables et ne sont plus corrélées avec les mesures
sur maquette.
Fig. 22 – PIV/MFC measurements (73-inch wide, zero argon).
When no argon is used (calcium-treated grades), PIV and MFC
meniscus velocities are identical and correlate with casting speed.
Fig. 23 – MFC measurements (72-inch wide ; 13 l/min argon).
At high argon flows, steel velocities are extremely unstable
and do not correlate with casting speed.
La Revue de Métallurgie-CIT
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361

défauts sur acier, les conditions de coulée prises dans leur
ensemble, sous la forme d'un type d'écoulement particulier
de l'acier, sont au contraire très bien corrélées avec les
défauts sur acier (fig. 24).
La figure 25 est relative à la première heure de coulée avec
un répartiteur neuf. On y voit des vitesses de ménisque
très instables alors que les variations de niveau sont dans
les limites normales (± 1,5 mm) de même que toutes les
autres conditions de coulée. Cependant, quatre bobines
produites durant cette heure d'écoulement instable, ont dû
être rejetées pour exfoliations (inclusions d'aciérie en sur-
face). Cette situation contraste singulièrement avec les
deux heures de coulée suivantes (fig. 26) pendant les-
quelles, pour apparemment aucune raison, les écoulements
en lingotière sont redevenus stables et aucune bobine n'a dû
êre rejetée.
Fig. 24 – Mesures MFC (74 brames de 1854 mm ; 0,889
m/min ; 6.5 l/min). Plus les trajectoires de l'acier sont
instables, plus grandes sont les chances de former
des défauts sur brames.
Fig. 24 – MFC measurements (74 slabs ; 73-inch wide ; 35 ipm ;
6.5 l/min). The more unstable the steel flow pattern, the higher
the probability of forming defects.
Fig. 25 – Mesures MFC. Première heure
de coulée sur un répartiteur neuf
(bonne régulation de niveau ; sans bouchage
de busette). Les trajectoires de l'acier sont très
instables : quatre coils sur cinq ont été rejetés
pour exfoliations.
Fig. 25 – MFC measurements. Surprising turbulent
steel flow during the first hour of casting on
a new tundish ; good mould level control ;
no clogging ; but confirmed steelmaking slivers
were formed on four out of five slabs inspected
(lightly shaded areas = defective slabs).
Fig. 26 – Mesures MFC. Seconde heure
de coulée (les trajectoires de l'acier
se sont restabilisées). Plus aucun défaut
n'a été observé.
Fig. 26 – MFC measurements. Second hour
of casting; steel flow has stabilized ;
no slivers formed (darkly shaded areas =
inspected defect-free slabs).
362
La Revue de Métallurgie-CIT
Avril 2001

COULÉE CONTINUE
Fig. 27 – Mesures MFC (brames de 1854 mm ; 1,016 m/min ;
,5 l/min). Plus l'écoulement de l'acier est instable et
6
perturbé, plus il y a de risque de former des défauts dits
boursoufflures.
Fig. 27 – MFC measurements (73-inch wide ; 40 ipm ; 6.5 l/min).
The more unstable the steel flow pattern,
Fig. 28 – Mesures MFC (brames de 1295 mm ;
the higher the probability of forming pencil-pipe defects.
1,270 à 1,016 m/min ; 14 l/min). Durant ce changement de
poche qui a duré 4 min, les trajectoires de l'acier sont
passées de « double-roll » à « single-roll », puis à nouveau
à « double-roll » sans que ce changement ait pu être détecté
par des variations de niveau excessives.
La figure 27 est relative à des défauts dits boursoufflures
(
inclusions d'aciérie attachées à une bulle d'argon) observés
sur un groupe de 34 brames coulées dans des conditions
absolument identiques ». On y observe que quoique les
Fig. 28 – MFC measurements (51-inch wide ; 50 to 40 ipm,
1
4 l/min). Moderate casting speed changes during ladle exchange
cause steel flow pattern to make a transition from double-roll
to single and double again. Note the meniscus velovity increase
that may disrupt molten slag layer.
«
conditions de coulée aient été totalement identiques, l'écou-
lement de l'acier a été différent. En outre, plus le type
d'écoulement est instable, plus le risque de former des
défauts est élevé.
Causes des instabilités d'écoulement
de l'acier
Le type d'écoulement en lingotière semblant être le para-
mètre déterminant pour la qualité de l'acier, nous essaye-
rons ci-dessous de présenter quelques exemples de situa-
tions de coulée à éviter.
La figure 28 indique que tout changement de vitesse d'ex-
traction affecte le mode d'écoulement de l'acier en lingotière
et que près de quatre minutes (ou le temps de couler une
demie brame) peuvent être nécessaires pour retrouver la
stabilité. Les modifications de vitesse qui accompagnent les
changements de répartiteur sont, à ce point de vue, extrê-
mement pénalisantes (fig. 29) : elles conduisent à un chan-
gement complet des modes d'écoulement de l'acier et indui-
sent des modifications de distribution de la poudre de
coulée continue qui peuvent persister 15 min, soit le temps
de couler une brame et demie (fig. 30).
Fig. 29 – Mesures MFC (brames de 1651 mm ;
1
,270 m/min ; 12 l/min). Après un changement de
répartiteur, il peut falloir jusqu'à 15 min aux
trajectoires de l'acier pour se restabiliser.
Le bouchage des busettes immergées, le déblocage des
busettes de répartiteur, le contrôle en manuel du niveau
d'acier en lingotière, voire le type de régulation du débit
d'acier utilisé, sont d'autres conditions de coulée qui dété-
riorent gravement l'écoulement de l'acier (fig. 31-34).
Fig. 29 – MFC measurements (65-inch wide ; 50 ipm ;
12 l/min). It may take up to 15 min for the flow pattern
to stabilize again after a tundish fly.
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Fig. 30 – Mesure du profil d'épaisseur de la poudre de couverture (brames de 1854 mm ; 13 l/min).
Inversion des trajectoires de l'acier durant les changements de vitesses qui accompagnent les changements de répartiteur.
Fig. 30 – Nail board measurements (73-inch wide ; 13 l/min). After ladle exchange, as casting speed is increased
from 36 to 55 ipm (0.9 to 1.4 m/min), the steel flow pattern is reversed and powder shearing occurs.
Fig. 31 – Mesures MFC.
Le bouchage des busettes déstabilise
les trajectoires de l'acier.
Fig. 31 – MFC measurements. Clogging
(evident from the slide gate opening rate)
makes the steel flow pattern unstable.
Fig. 32 – Mesures MFC (brames de 1295 mm ;
,016 m/min ; 14 l/min). Le bouchage des
1
busettes déstabilise les trajectoires de l'acier
et peut les faire passer de double-roll à
single-roll et finalement entièrement
chaotiques.
Fig. 32 – MFC measurements (51-inch wide ;
40 ipm ; 14 l/min). Clogging and rodding
(as evident from the slide gate position change)
create an uncontrolled steel flow pattern
(transitioning from double/single-roll to chaotic
in the present example).
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COULÉE CONTINUE
Fig. 33 – Mesures MFC (brames de 1270 mm ;
,143 à 0,889 m/min ; 13 l/min). En régulation
1
manuelle, les trajectoires de l'acier sont
très perturbées.
Fig. 33 – MFC measurements (50-inch wide,
45 to 35 ipm, 13 l/min). Manual mould level control
(high level fluctuations) causes turbulent steel flow.
Fig. 34 – Mesures MFC. Les trajectoires de l'acier sont 10 % plus stables avec des fermetures
à trois plaques qu'avec des fermetures à deux plaques.
Fig. 34 – Steel flow pattern is 10 % more stable with 3-plate gates than with 2-plate gates.
Cependant, de toutes les conditions de coulée, nos observa-
tions démontrent que la cause la plus insidieuse d'instabilité
de l'acier en lingotière est l'argon: même de faibles débits
d'argon (6,5 l/min) peuvent déstabiliser l'écoulement de
l'acier à faible vitesse d'extraction (fig. 35), la seule solution
restante étant d'augmenter la profondeur d'immersion de la
busette (fig. 36) au risque de réduire le transfert de chaleur
vers le ménisque et de compromettre la fusion de la poudre
de couverture.
Fig. 35 – Mesures MFC (brames de 1143 mm ;
1,143 à 0,762 m/min ; 6,5 l/min). L'effet néfaste de l'argon
est particulièrement important à basse vitesse.
Fig. 35 – MFC measurements (45-inch wide, ; 45 to 30 ipm ;
6
.5 l/min). When casting speed is reduced from 45 to 30 ipm,
the effect of even a low argon flow (6.5 l/min) prevails. This makes
the steel flow pattern evolve from double-roll to unstable/alternating
double/single-roll and result in close-to-zero meniscus velocities.
La Revue de Métallurgie-CIT
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•
La vitesse d'extraction, le débit d'argon, la largeur de la
brame et la profondeur d'immersion de la busette sont
autant de facteurs qui ont une influence majeure sur la
vitesse de l'acier au ménisque et sur les trajectoires suivies
par l'acier liquide.
•
De hauts débits d'argon (en particulier à basses vitesses de
coulée) ainsi que des conditions transitoires telles que des
bouchages de busette, des variations de vitesse ou des chan-
gements au vol de répartiteur détériorent significativement
la stabilité des trajectoires de l'acier. Ainsi, il faut près de
4
min à l'acier pour retrouver une situation d'équilibre après
un changement de vitesse de coulée; près de 15 min après
un changement de répartiteur.
•
La qualité de l'acier fini (exfoliations et boursoufflures)
est fonction du type et de la stabilité des trajectoires suivies
par l'acier, deux conditions guère prévisibles à partir des
paramètres de contrôle habituels de coulée mais démon-
trant toutes deux la nécessité de réduire, contradictoire-
ment, les débits d'argon et le bouchage des busettes.
Fig. 36 – Mesures MFC (brames de 1397 mm ; 1,270 m/min ;
1
4 l/min). Influence favorable d'une grande profondeur
d'immersion de la busette sur la stabilité
des trajectoires de l'acier.
Pierre H. DAUBY, diplômé de l'Université de Louvain à
Louvain/Leuven en 1962. Actuellement Director of
Technology à LTV Steel. Chef du service « Aciérie/Coulée
continue » au CRM à Liège jusqu'en 1982.
Fig. 36 – MFC measurements (55-inch wide, 50 ipm, 14 l/min).
At high argon flows, increasing SEN depth from 5.8 to 6.8 inches
(
148 to 173 mm) definitely makes the steel flow pattern more
stable (evolving from alternating single/double-roll to stable
single-roll in the present example).
Mohammad B. ASSAR, diplômé des Universités de
Tabriz (Iran) et Case Western Reserve (USA). Depuis 1995,
Staff Engineer à LTV Steel, département « Coulée conti-
nue ».
Cette liste de « mauvaises » conditions opératoires n'est
évidemment pas exhaustive et les figures 24 à 27 sont là
pour nous rappeler que beaucoup de paramètres qu'actuel-
lement nous ne suivons pas (ou pire, ne soupçonnons pas)
sont encore à contrôler. La lingotière de coulée est encore
une boîte noire, et beaucoup d'autres études seront encore
nécessaires pour déterminer l'effet de paramètres tels que le
taux de remplissage des répartiteurs, le taux d'augmenta-
tion/réduction des vitesses de coulée, le dessin et la poro-
sité des busettes, le soin donné au maçonnage des pièces
réfractaires, l'âge des busettes, la pression d'argon, etc.
George D. LAWSON, diplômé de l'Université McGill à
Montréal en 1978. Actuellement Sr. Staff Engineer à LTV
Steel, département « Coulée continue ». Caster Metallurgist
à Algoma Steel, Sault Ste Marie, jusqu'en 1992.
■
CONCLUSIONS
Il ressort de cette étude les points suivants :
•
La similitude entre modèle à eau (mesure PIV) et lingo-
tière industrielle (mesure MFC) n'a été confirmée qu'en
l'absence d'argon.
•
Lorsque de l'argon est utilisé, et du fait semble-t-il de la
dimension très variable (et imprévisible) des bulles d'argon,
les modèles à eau ne permettent pas de prédire avec préci-
sion les mouvements réels de l'acier liquide en lingotières
industrielles.
•
Les mouvements de l'acier liquide en lingotières sont très
turbulents.
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