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* * * * * 4 * ISSN 1018-5593 Commission européenne recherche technique acier Pr

* * * * * 4 * ISSN 1018-5593 Commission européenne recherche technique acier Production de l'acier Utilisation d'ultrasons de puissance pour la lubrification des lingotières de coulée continue STEEL RESEARCH Commission européenne ur .i QW.¡-\'3 OU fV.Ujg:· acier í i l ' k í » t . / ' ' ' ^ s y j . i ι , •■».ι. . t\ / t ' ίΛ, »ι i i o r · ! Production de l'acier Utilisation d'ultrasons de puissance pour la lubrification des lingotières de coulée continue c^cSïï S ■■?. e f e ppeeis.fatigue 'dé la iingotière. ■'■ r ' ïa co ι d'UMÏMET.AJ.. M. Nogues, C. Beaud, M. Damoiselet, P. Claessen, M. Larrecq et M. Antoine Institut de recherches de la sidérurgie française 34, rue de la CroixdeFer , F78105 Parisla Défense ib :x>ntinae (ex: rr Contrat n° 7210CA/324 1.7.198830.6.1991 , IßS ; . " »X ■n. t une .nique ;ue maus me üe ainsi que Jèrade des Ti Λ Va *'i iïifft »· •"Mîne'iî^ë.tïhès'ïr dé coûté** Rapport final $ ^ « .M ■** *«*■»»*■. " ^ t » ^ .«woesiebr Direction générale XII retoubwţafi Science, recherche et développement 1996 EUR 15598 FR AVERTISSEMENT Ni la Commission européenne ni aucune personne agissant au nom de la Commission n'est responsable de l'usage qui pourrait être fait des informations ci-après. Une fiche bibliographique figure à la fin de l'ouvrage. Luxembourg: Office des publications officielles des Communautés européennes, 1996 ISBN 92-827-6476-1 © CECA-CE-CEEA, Bruxelles · Luxembourg, 1996 Reproduction autorisée, sauf à des fins commerciales, moyennant mention de la source. Printed in Luxembourg RESUME Les techniques classiques de coulée du métal en continu utilisent une oscillation basse fréquence de la lingotière (quelques Hz avec une amplitude de plusieurs mm) associée à un lubrifiant type laitier liquide ou huile. L'oscillation de la lingotière conditionne en partie l'état de surface des produits (rides d'oscillation) ainsi que la qualité de la première peau de solidification. Ce projet a pour objectif d'examiner l'influence des vibrations hautes fréquences (10 - 20 kHz), introduites au niveau de la lingotière, sur les mécanismes de lubrification cela afin d'améliorer la qualité de surface des demi- produits et aussi dans la mesure du possible supprimer l'oscillation basse fréquence. Quatre parties sont successivement traitées dans ce rapport : - Une brève synthèse bibliographique relative à l'application d'ultrasons de puissance à la lubrification en lingotière de coulée continue. - Une phase exploratoire dont l'objectif était de préparer les essais sur site industriel. Différents points ont été examinés : définition et caractérisation des émetteurs piézoélectriques, définition et étude de l'équipement expérimental, comportement vibratoire et aspects fatigue de la lingotière. - Une phase d'essais sur la coulée continue à billettes d'UNIMETAL Neuves-Maisons. Un certain nombre de paramètres ont été étudiés (nuances des aciers, vitesse d'extraction du produit, fréquence de l'oscillation mécanique, puissance ultrasonore,...). - Enfin, des travaux en laboratoire dont l'objet était d'étudier l'influence des ultrasons de puissance sur des mécanismes rencontrés lors de la lubrification en lingotière de coulée continue (ex : frottement, mouillabilité, infiltration, adhésion acier liquide/substrat,...). En dehors de la phase exploratoire qui a permis de développer une lingotière d'essais avec un bon rendement vibratoire ainsi qu'une électronique adéquate d'excitation des émetteurs piézoélectriques, les principaux résultats concernent les essais sur coulée continue industrielle ainsi que l'étude des mécanismes de lubrification. L'injection d'ultrasons de puissance au niveau d'une lingotière de coulée continue à billettes se traduit par deux types de phénomènes : - Une diminution des forces de frottement à l'interface acier-lingotière qui est fonction de l'amplitude de vibration. L'importance de cette diminution dépend de nombreux paramètres mais en particulier de la fréquence de l'oscillation mécanique. - Une amélioration sensible de la qualité de surface des produits caractérisée par une diminution significative du nombre et de l'importance des rides de surface ainsi que des cornes de solidification. Par ailleurs, nous avons montré qu'il est possible de couler, avec certaines conditions, des aciers uniquement avec ultrasons pendant de longues durées (1 à 2 heures). Nous l'avons vérifié avec des aciers durs et mi-durs et pour des vitesses d'extraction inférieures à 2,7 m/mn. Quant à l'étude des mécanismes élémentaires, elle a permis de montrer que les ultrasons peuvent modifier d'une façon très sensible certains mécanismes en particulier le coefficient de frottement (divisé par un facteur compris entre 2 et 10) ainsi que la mouillabilité qui est améliorée au-delà du seuil de cavitation. I V ABSTRACT Conventional continuous metal casting techniques apply very low frequency oscillation (a few Hz at an amplitude of several mm) to the ingot mould and use liquid slag or oil as a lubricant. The oscillation of the ingot mould partly determines the surface condition of the product (ripple) and the quality of the first solidification shell. This project aims to investigate the effects of high frequency (10 - 20 kHz) vibration, applied to the ingot mould, on lubrication mechanisms to attempt to improve the surface condition of semi-finished products and, as far as possible, to eliminate low frequency oscillation. This report covers four aspects in succession : - A brief summary of the litterature available concerning high power ultrasonic vibration applied to assist lubrication in continuous casting ingot moulds. - An exploratory phase aimed at preparing for tests on an industrial site. Various aspects.were investigated, including the specification and characteristics of piezoelectric transducers, the specification and design of the experimental equipment and the vibrational response and fatigue of the ingot mould. - A series of tests on continuous billet caster in the UNIMETAL Neuves- Maisons France. A number of parameters were studied, including different grades of steel, the product extraction speed, the mechanical oscillation frequency, the ultrasonic power applied, etc. - Finally, laboratory investigations into the effect of high power ultrasonic vibration on the mechanisms involved in continuous casting ingot mould lubrication (for example, effects on friction, wettability, infiltration, liquid/substrate adhesion, etc.). With the exception of the exploratory phase, during which a test mould with a satisfactory vibrational response and electronic systems suitable to excite the piezoelectric transducers were developed, the main results concern the industrial continuous caster tests and the investigations into lubrication mechanisms. Applying high-power ultrasonic vibration to a continuous billet casting mould causes two types of phenomenon : V - The friction forces between the steel and mould decrease as a function of the vibration amplitude. The extent of the decrease depends on many parameters and, in particular, the mechanical oscillation frequency. - The number and amplitude of surface ripples and solidification cusps are significantly reduced, considerably improving the surface of the product. Moreover, it was found possible to cast steels using ultrasonic vibration only for quite long periods (1 to 2 hours) provided certain conditions were respected. This was checked on hard and half-hard steels and at extraction speeds below 2.7 m/min. The studies also showed that certain basic mechanisms were significantly affected by the use of ultrasonic vibration. This particularly applies to the coefficient of friction (divided by a factor of between 2 and 10) and wettability, which is improved above the cavitation limit. VI ZUSAMMENFASSUNG Die herkömmlichen Metall-Stranggusstechniken verwenden eine Niedrigfrequenz-Oszillation der Kokille (einige Hz mit einer Amplitude von mehreren mm), gemeinsam mit einem Schmiermittel vom Typ flüssige Schlacke oder öl. Die Oszillation der Kokille bedingt teilweise den Oberflächen- zustand der Produkte (Oszillationsfalten), sowie die Qualität der ersten Erstarrungshaut. Dieses Projeck hat zum Ziel, den Einfluss von auf Kokillenebene eingeführten Hochfrequenzvibrationen (10 - 20 kHz) auf die Schmier- mechanismen zu prüfen, um somit die Oberflächenqualität der Halbprodukte zu verbessern, und, soweit wie möglich, die Niedrigfrequenzoszillation zu unterbinden. Dieser Bericht beinhaltet vier aufeinanderfolgende Teile : - Eine bibliographische Kurzsynthese bezüglich der Anwendung von Leistungsultraschall bei der Schimerung von Kokillen im Strangguss. - Eine Forschungsphase, deren Ziel es war, die Versuche auf dem Industriegelände vorzubereiten. Verschiedene Punkte wurden geprüft : Definition und Kennzeichnung der piezoelecktrischen Sender, Definition und Studie der Versuchsausrüstung, Vibrationsverhalten und Ermüdungsaspekte der Kokille. - Eine Versuchsphase an der Knüppelstranggussanlage von UNIMETAL von Neuves-Maisons. Es wurde eine bestimmte Anzahl von Parametern geprüft (Stahlsorte, Extraktionsgeschwindigkeit des Produktes, Frequenz der mechanischen Oszillation, Ultraschall-Leistung, ...). - Und schliesslich die Laborarbeiten, deren Ziel es war, den Einfluss des Leistungultraschalls auf die bei der Kokillenschmierung in der Stranggussanlage angetroffenen Mechanismen (z.B. : Reigung, Benetzbarkeit, Tränkung, Haftung flüssiges Eisen/Substrat, usw...) zu prüfen. Ausser der Forschungsphase, in der eine Versuchskokille mit einer guten Vibrationsleistung sowie eine geeignete Erregunselektronik der piezoelektrischen Sender zu entwickeln war, betreffen die wichtigsten Ergebnisse die Versuche an industriellen Stranggussanlagen sowie die Studie der Schmiermechanismen. Die Beaufschlagung einer Knüppelstranggusskokille mit Leistungultraschall äussert sich in Erscheinungen zweierlei Art : VII - Einer Verringerung der Reibekräfte an der Schnittstelle Stahl-Kokille, die Funktion der Vibrationsamplitude ist. Die Höhe dieser Verringerung hängt von zahlreichen Parametern ab, jedoch insbesondere von der Frequenz der mechanischen Oszillation. - Einer merklichen Verbesserung der Oberflächenqualität, gekennzeichnet durch eine bedeutende Verringerung der Oberflächenfaltenanzahl und grosse sowie der Erstarrungszipfel. Ausserdem haben wir gezeigt, dass es möglich ist, unter bestimmten Bedingungen Stähle während langer Zeit (1 bis 2 Stunden) nur mit Ustraschall zu giessen. Dies haben wir an uploads/Industriel/cgna15598frc-001.pdf