Procédé et installation pour la fabrication continue d'ébauches creuses en métal

Abstract

 Le procédé prévoit que l'on forme une veine de métal liquide sous la forme d'un «U», que l'on soumet l'une des branches de la veine à l'action de champs électromagnétiques tournant, ainsi qu'à un refroidissement de sa surface extérieure tout en assurant que le métal contenu dans l'autre branche de la veine reste liquide, que l'on extrait en continu un métal solidifié de par la branche froide et qu'on alimente la branche chaude par une quantité correspondante de métal liquide, et que l'on soumet la veine entière à un mouvement d'oscillation vertical.
On soumet le métal au niveau où s'amorce la solidification, à l'action d'un champ électromagnétique primaire et on crée au niveau du métal liquide un ménisque profond en prévoyant à cet endroit un champ électromagnétique secondaire.
L'installation est constituée du conduit en matière réfractaire, l'une des branches comprenant une lingotière (10) refroidie à l'eau et munie d'un inducteur primaire (20) d'une fréquence inférieure à 15 Hz, au-dessus duquel se trouve un inducteur secondaire (30) d'une fréquence de 50 Hz. Ladite branche comporte en plus une série de galets (3) d'extraction resp. de guidage ainsi qu'un système (40) d'aspersion par jets de fluide.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication continue d'ébauches creuses en métal, notamment de tubes en acier, ainsi que l'installation nécessaire à la mise en oeuvre du procédé.

[0002] Pour fabriquer des tubes sans soudure, on a essayé de pratiquer des opérations de coulée continue ou du moins semi-continue de métal, accompagnées d'une extraction vers le haut et qui peuvent se dérouler p.ex. comme suit : Un four électrique ou une poche renferment du métal liquide et se trouvent de leur côté à l'intérieur d'une enceinte qui se laisse fermer de façon hermétique. L'enceinte comprend les accessoires nécessaires à l'introduction d'un gaz, servant à augmenter la pression à l'intérieur de l'enceinte, ainsi qu'un conduit ascendant à travers lequel le métal est évacué grâce à la pression créée, pour être solidifié dans une lingotière et extrait en continu après solidification.

[0003] Une autre technique prévoit d'amener le métal liquide en continu par un conduit à l'intérieur d'une poche qui se trouve dans une enceinte hermétiquement close et qui comprend un second conduit' à travers lequel le métal est évacué grâce à la pression ferrosta- tique créée, pour être solidifié dans une lingotière et extrait en continu.

[0004] L'extraction du produit se fait dans les deux cas par le haut.

[0005] Or, pour maîtriser les problèmes qui se posent lors de la solidification du métal à l'intérieur de la lingotière et qui sont encore plus prononcés lorsqu'il s'agit de produire des ébauches creuses à l'épaisseur de paroi uniforme, le déposant a mi.s au point un procédé qu'il a décrit dans le brevet luxembourgeois no. 79.444 et qui prévoit d'amener en continu ou en discontinu du métal liquide dans un récipient étanche, de créer à l'intérieur de ce récipient une pression suffisante pour refouler le métal vers une lingotière de coulée continu où le métal est solidifié progressivement et d'extaire de manière ascensionnelle une ébauche creuse. Ce procédé prévoit en plus que l'on imprime à la veine pleine de métal liquide ascendant par voie électromagnétique un mouvement de rotation autour de l'axe de la lingotière. La rotation est de préférence la plus intense à l'endroit de la lingotière où s'amorce le processus de solidification du métal.

[0006] Cette mise en rotaion du métal liquide en voie de solidification produit un effet dynamique qui provoque une concentration des particules d'impuretés au centre de la masse métallique en rotation, suivant le principe de la centrifugation, et un effet géométrique qui consiste en une surélévation des bords de la surface du métal liquide.

[0007] L'effet dynamique est responsable des excellents résultats du point de vue des teneurs en inclusions des tubes fabriqué selon le procédé suivant l'invention, tandis que l'effet géométrique, qui se manifeste par une surélévation des bords de la surface du métal en rotation, se traduit par une solidification accélérée et contrôlable du métal prenant la forme du tube à extraire de la lingotière.

[0008] En effet il ne s'agit plus de refoidir une masse de métal liquide en forme d'un cylindre plein, mais une collerette de métal, d'une masse réduite, qui en étant surélevée contre les parois refroidies de la lingotière, se solidifie rapidement, de manière uniforme et facilement contrôlable. Ce procédé permet donc soit de régler la vitesse d'extraction de l'ébauche creuse tout en variant la vitesse de rotation qu'on imprime au métal liquide, soit de régler et de contôler l'épaisseur de paroi de l'ébauche creuse en modifiant suivant les besoins et la vitesse de rotation qu'on imprime au métal liquide et la vitesse d'extraction.

[0009] De cette façon il est aisé de contrôler l'épaisseur de l'ébauche creuse, étant donné qu'il suffit p.ex. d'augmenter la vitesse de rotation pour amincir la collerette et par là la paroi de l'ébauche creuse pour une vitesse d'extraction donnée.

[0010] Or il s'est révélé qu'il est difficile de produire même en mettant en oeuvre des champs magnétiques puissants, des ménisques très profonds en forme de paraboloides, dont les parties supérieures sont tangean- tes à la verticale.

[0011] En plus il s'est avéré compliqué de réaliser un niveau constant dans la lingotière et ceci par suite de problèmes d'étanchéité. Un niveau constant étant indispensable pour éviter la rupture de l'ébauche lors de l'extraction et pour garantir une épaisseur constante des parois de l'ébauche. Le but de la présente invention était de proposer un procédé de fabrication d'ébauches creuses, exempt des difficultés décrites.

[0012] Ce but est atteint par le procédé suivant l'invention qui prévoit de former une veine de métal liquide essentiellement sous la forme d'un "U", de soumettre une des branches de la veine à l'action de champs électromagnétiques tournants ainsi qu'à un refroidissement de sa surface extérieure, tout en assurant que le métal contenu dans l'autre branche de la veine reste liquide, d'extraire en continu du métal solidifié de par la branche froide et d'alimenter la branche chaude par une quantité correspondante de métal liquide et de soumettre la veine entière à un mouvement d'oscillation vertical.'

[0013] L'idée qui est à la base de la présente invention consiste à trouver un moyen original, simple et valable pour assurer qu'il y ait dans la région de l'extraction de l'ébauche un niveau constant. En prévoyant, suivant l'invention, une veine en métal en forme d'un "U", on met en oeuvre un système de vases communiquants qui permet d'éviter la mise en oeuvre d'enceintes pressurisables qui amènent des problèmes d'étanchéité et empêchent ou du moins rendent difficiles les manoeuvres d'oscillation verticale. En effet il y a bien de relever que l'absence d'une possibilité d'oscillation conduit lors de l'extraction à des défauts de surface, dûs à la rupture momentanée de la carcasse solidifiée.

[0014] Suivant l'invention, on évite ce problème en faisant osciller le système entier, c.à.d. que l'on oscille la veine en forme de "U" et que l'on exerce une force de traction constante sur l'ébauche. Sous ces conditions la mise en rotation du métal liquide en voie de solidification ne joue pas seulement le rôle d'un moyen de surélévation des bords du niveau du métal, mais en plus celui d'un moyen de réparation lors de la rupture de la carcasse, par fourniture i.nstanta- née de métal supplémentaire liquide.

[0015] Suivant l'invention on effectue le refroidissement de la surface extérieure de la branche froide essentiellement de 2 manières: A l'endroit où il est prévu d'amorcer la solidification du métal, on refroidit ce dernier par l'intermédiaire d'une surface froide, en l'occurence par le contact de la paroi d'une lingotière refroidie à l'eau. Par contre on effectue à la suite du refroidissement primaire par contact direct, un refroidissement secondaire par l'intermédiaire d'un fluide de refroidissement.

[0016] Le procédé suivant l'invention prévoit d'utiliser essentiellement 2 champs électromagnétiques distincts: En effet il est prévu de soumettre le métal à l'endroit où s'amorce la solidification et donc à l'endroit où agit le refroidissement primaire, à l'action d'un champ électromagnétique primaire, que l'on crée à l'aide d'un inducteur alimenté en courant d'une fréquence inférieure à 15 Hz.

[0017] Par contre on prévoit à la suite du champ d'action de ce champ électromagnétique primaire un champ secondaire qui agit à l'endroit où se trouve le niveau de métal liquide. On crée donc a l'endroit du niveau de métal liquide un ménisque profond. Il importe de souligner que ledit ménisque se trouve à l'intérieur de l'ébauche aux parois solidifiées, à la sortie de la lingotière.

[0018] Le champ électromagnétique secondaire est crée par un inducteur qui est alimenté de courant de fréquence du réseau, donc de 50 Hz. Ceci influence favorablement le prix de l'installation, étant donné que les inducteurs à fréquence de 50 Hz. sont nettement moins onéreux que les inducteurs à fréquence plus basse.

[0019] L'installation nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention est constituée notamment d'un conduit en forme d'un "U", en matière réfractaire, l'une des branches du conduit comprenant une lingotière refroidie à l'eau et munie d'un inducteur électromagnétique primaire d'une fréquence inférieure à 15 Hz au-dessus duquel se trouve un inducteur secondaire d'une fréquence de 50 Hz.; ladite branche comportant en plus une série de galets d'extraction resp. de guidage ainsi qu'un système d'aspersion par jets de fluide, tandis que l'autre branche, de diamètre supérieur est di.sposée sous une source d'alimentaion en métal liquide, le conduit entier reposant sur une table mobile dotée de moyens d'oscillation verticale.

[0020] Suivant une forme d'exécution préférée l'inducteur est placé dans le circuit de refroidissement à l'eau de la lingotière.

[0021] La lingotière est de préférence en cuivre, en alliage de cuivre, en fonte alliée amagnétique ou en graphite.

[0022] En-dessus de la lingotière il est disposé un anneau de lubrification permettant d'ajouter une quantité suffisante d'huile de colza pour favoriser le décollage du métal solidifié de la lingotière.

[0023] Etant donné que l'installation entière repose sur une table dotée d'un moyen permettant une oscillation verticale, il est bien entendu qu'il est prévu en plus des galets d'extraction resp. de guidage, des moyens d'extraction physiquement indépendants du conduit, p.ex. sous la forme d'un mandrin extensible qui s'insère dans la cavité de l'ébauche et qui exerce une force de traction constante vers le haut.

[0024] D'autres caractéri.stiques et avantages ressortiront de la description du dessin où"la fig.1 représente une coupe schématisée à travers une forme d'exécution possible de l'installation suivant l'invention et qui n'a pas de caractère li.mitatif.

[0025] On distingue le conduit réfractai.re en forme d'un "U", dont la branche chaude (1) est disposée sous une poche non-représentée.

[0026] Le diamètre de la branche froide est évidemment plus petit que celui de la branche chaude (1), parce que l'ajoute de métal liquide frais dans la branche (1) se répercutera sur le niveau de métal dans la branche froide et que la quantité élevée de métal dans la branche (1) est susceptible d'atténuer les effets dûs à une ajoute éventuellement irrégulière.

[0027] Le métal qui est achemi.né vers la branche froide est maintenu à l'état liquide par des moyens de chauffage (50), p.ex. par induction, pour éviter une solidification prématurée qui serait absolument néfaste.

[0028] On distingue la lingotière (10) qui est entourée par l'inducteur primaire (20). En raison de l'épaisseur des parois de la lingotière il faut que cet inducteur (20) soit un inducteur à fréquence basse, de préférence inférieure à 15 Hz. Au-dessus de la lingotière (10) se trouve l'anneau de lubrification (5).

[0029] Comme il est montré sur le dessin, la solidification du métal est amorcée au niveau de la lingotière (10); la vitesse de la solidi.fi- cation dépendant bien entendu de l'intensité du refroidissement, de la vitesse de l'extraction ainsi que de la vitesse de rotation que l'on imprime au métal liquide, l'allure du profil solidifié peut différer de l'allure représentée.

[0030] L'ébauche solidifiée (2) quittant la lingotière, contient encore du métal liquide, dont le niveau correspond nécessairement à celui que l'on établit dans la branche (1). C'est à ce niveau-là que se trouve l'inducteur secondaire (30) qui imprime à la colonne relativement mince de métal liquide un mouvement de rotati.on tel, qu'il se forme à cet endroit le ménisque (4), profond.

[0031] On distingue les galets (3) d'extraction et de guidage de l'ébauche; le moyen d'extraction indépendant, sous forme d'un mandrin à tête extensible, n'est pas représenté.

[0032] La partie solidifiée de l'ébauche est soumise à un refroidissement secondaire par un système(40) de jets d'un fluide, p.ex. d'eau. On distingue également les galets (3) d'entraînement et de guidage de l'ébauche solidifiée, tandis que le moyen d'extraction réalisé par un mandrin à tête extensible, n'est pas représenté.

[0033] L'ensemble repose sur une table mobile (0), qui est dotée d'un système permettant une oscillation verticale.

[0034] L'installation peut comprendre également un système de mesure non-représenté, qui sert à la détermination continue de l'épaisseur de la paroi de l'ébauche creuse et qui est relié de son côté à un microprocesseur.

[0035] Grâce à un programme établi suivant des données empiriques, recueillies au cours d'essais, le microprocesseur reçoit de la part du sy_- stème de mesure de l'épaisseur des parois des signaux qu'il utilise pour régler l'intensité du refroidissement primaire et secondaire, la vitesse de rotation des inducteurs, la vitesse de de l'entraînement du système d'extraction, ainsi que le débit en métal liquide frais que l'on ajoute.

Revendications

1. Procédé de fabrication en continu d'ébauches creuses en métal, notamment de tubes en acier, caractérisé en ce que l'on forme une veine de métal liquide, essentiellement sous la forme d'un "U", que l'on soumet l'une des branches de ladite veine à l'action de champs électromagnétiques tournants, ainsi qu'à un refroidissement de sa surface extérieure tout en assurant que le métal contenu dans l'autre branche de la veine reste liquide, que l'on extrait en continu du métal solidifié de par la branche froide et qu'on ali.mente la branche chaude par une quantité correspondante de métal liquide, et que l'on soumet la veine entière à un mouvement d'oscillation vertical.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on exerce une force d'extraction constante sur l'ébauche solidifiée.

3. Procédé suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on amorce la solidification de la surface extérieure de la veine en la mettant au contact avec une surface refroidie et qu'à la suite du contact direct avec ladi.te surface, on refroidit les parois solidifiées de l'ébauche par l'intermédiaire d'un fluide.

4. Procédé suivant les revendications 1-3, caractérisé en ce que l'on soumet le métal au ni.veau où s'amorce la solidification, à l'action d'un champ électromagnétique primaire tournant.

5. Procédé suivant les revendications 1-4, caractérisé en ce que le champ primaire est un champ d'une fréquence inférieure à 15 Hz.

6. Procédé suivant les revendications 1-5, caractérisé en ce que l'on crée au ni veau du métal liquide un ménisque profond en prévoyant à cet endroit un champ électromagnétique secondaire tournant.

7. Procédé suivant les revendications 1-6, caractérisé en ce que le champ secondaire est un champ d'une fréquence de réseau 50 Hz.

8. Installation pour la mise en oeuvre du procédé suivant les revendications 1-7,caractérisée en ce qu'elle est constituée notamment d'un conduit en forme d'un "U", en matière réfractaire, l'une des branches du conduit comprenant une lingotière refroidie à l'eau et munie d'un inducteur électromagnétique primaire d'une fréquence inférieure à 15 Hz, au-dessus duquel se trouve un inducteur secondaire d'une fréquence de 50 Hz.; ladite branche comportant en plus une série de galets d'extraction resp. de guidage ainsi qu'un système d'aspersion par jets de fluide, tandis que l'autre branche, de diamètre supérieur est disposée sous une source d'alimentaion en métal liquide, le conduit entier reposant sur une table mobile dotée de moyens d'oscillation verticale.

9. Installation suivant la revendication 8, caractérisée en ce que l'inducteur primaire est placé dans le circuit de refroidissement a l'eau de la lingotière.

10.Installation suivant les revendications 8 et 9, caractérisée en ce qui en-dessus de la lingotière il est disposé un anneau de lubrification

11. Installation suivant les revendications 8-10, caractérisée en ce qu'il est prévu en plus des galets d'extraction resp. de guidage, des moyens d'extraction physiquement indépendants du conduit, p.ex. sous la forme d'un mandrin extensible qui s'insère dans la cavité de l'ébauche et qui peut exercer une force de traction constante vers le haut.

12.Installation suivant les revendications 8-11, caractérisée en ce qu'elle comporte un système de mesure continue de l'épaisseur des parois de l'ébauche.

13. Installation suivant les revendications 8-12, caractérisée en ce qu'elle comporte un microprocesseur qui règle à parti.r des résultats de mesure de l'épaisseur des parois, l'intensité du refroidissement et de la rotation électromagnétique primaires et secondaires, la vitesse de l'entrainement d'extraction, ainsi que le débit de métal frais ajouté.

Dessins