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(11) | EP 0 213 049 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé et dispositif de coulée en charge de métaux |
| (57) Dans une lingotière de coulée continue surmontée d'une rehausse, la périphérie de
la partie inférieure (2) de cette rehausse est maintenue sous une pression de gaz
inerte pendant toute la durée de la coulée au moyen d'une conduite (12) qui pénètre
dans une chambre annulaire (11) formée par un écran (13) qui entoure ladite partie. |
[0001] L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de coulée en charge de métaux et notamment de billettes en aluminium ou en un de ses alliages.
[0002] L'homme de l'art connait bien le procédé de coulée continue de métaux dans lequel un métal fondu est amené dans une lingotière refroidie extérieurement et munie d'un fond mobile. Lors de son séjour dans la lingotière, le métal se solidifie au contact de sa paroi et peut être tiré vers le bas à l'aide du fond mobile tandis que l'on réapprovisionne la lingotière en métal fondu à sa partie supérieure de manière à maintenir un niveau à peu près constant.
[0003] Pour parer à certaines difficultés, cette technique a connu de nombreux perfectionnements tels que ceux qui par exemple sont enseignés dans le brevet français 1.364.776 et qui conduisent à placer au-dessus de la lingotière une réserve de métal liquide, afin d'éviter que les crasses ou oxydes qui flottent à la surface libre du métal ne soient entraînées dans le produit obtenu où ils créeraient des défauts importants.
[0004] Par la suite, cette réserve encore appelée rehausse ou "HOT-TOP" suivant la désignation anglo-saxonne a trouvé son intérêt dans la recherche d'un bon état de surface notamment sur des billettes. Par ailleurs, les procédés mettant en oeuvre une rehausse se sont particulièrement développés dans le cas de coulées à écoulements multiples où ils permettent avec un seul réglage de niveau de conduire la coulée dans plusieurs dizaines de lingotières à la fois.
[0005] Généralement, cette rehausse est placée en surplomb sur la paroi intérieure de la lingotière et des moyens d'injection de gaz ou de lubrification en continu sont utilisés. Cela ressort de l'enseignement des brevets suivants :
- le brevet américain n03.381.741 dans lequel le réservoir d'alimentation et la lingotière sont reliés par l'intermédiaire d'un insert relativement mince et conducteur de la chaleur et où des moyens d'introduction de lubrifiant à l'intérieur de la lingotière sont placés entre l'insert et la lingotière ;
- le brevet américain 4.157.728 dans lequel on introduit un gaz directement en-dessous du surplomb et anplique une pression de gaz à la périphérie du métal placé directement en-dessous du surplomb et où on réalise une surface lubrifianteà l'intérieur de la lingotière par introduction d'un lubrifiant juste au-dessous des moyens d'introduction de gaz ;
- le brevet français 2.534.832 qui consiste à amener un courant de gaz sous pression en un point situé en dehors de la cavité d'un moule, à décharger le gaz dans la cavité en un point situé sur sa périphérie et à interposer des moyens tels qu'une bague graphite entre le point d'amenée et le point de décharge à l'extérieur de la cavité, pour convertir le courant de gaz en un anneau de fluide s'étendant autour de la masse métallique sur la périphérie de la cavité. De plus, de l'huile de lubrification est envoyée dans la poche de coulée, de préférence en passant par la partie en surplomb qui est en haut de la poche.
[0006] La demanderesse s'intéressant au problème de coulée des métaux par le procédé HOT TOP et notamment à la coulée de billettes en aluminium ou en alliage d'aluminium a ainsi constaté que, d'une part, la plupart de ces procédés nécessitent une lubrification en continu, d'autre part, les procédés mettant en oeuvre des gaz sous pression injectent toujours ce gaz au niveau de la lingotière et recourent à des systèmes de régulation sophistiqués afin de maintenir une pression qui ne soit pas trop élevée pour ne pas provoquer de mouvement à l'intérieur du métal liquide.
[0007] Consciente des contraintes imposées par ces procédés, la demanderesse a eu pour but de mettre au point un procédé plus simple ne nécessitant pas de lubrification, mettant en oeuvre un système d'injection de gaz de réglage plus facile et au moyen duquel on obtient des produits pos- sèdant un bon état de surface.
[0008] Le procédé selon l'invention consiste donc à couler le métal dans une lingotière à fond mobile, garnie intérieurement d'une bague en graphite, refroidie extérieurement dont on a lubrifié initialement la paroi en contact avec le métal et dans lequel :
- on emmagasine le métal fondu dans une rehausse comportant une partie supérieure et une partie inférieure placée de façon adjacente au-dessus de la lingotière, ladite rehausse étant en surplomb sur la paroi intérieure de la lingotière ;
- on alimente la lingotière en métal fondu à partir de la rehausse ;
- on maintient une masse de métal dans la lingotière de manière à provoquer, par un écoulement de fluide frigoporteur à l'extérieur de la lingotière et sur le métal, une solidification de la masse suffisante pour permettre l'extraction par le fond du métal sous une forme correspondante à celle de la lingotière.
[0009] Ce procédé est caractérisé en ce que l'on applique une pression de gaz inerte à la partie inférieure de la périphérie de la rehausse pendant toute la durée de la coulée.
[0010] Ainsi, à la différence de l'art antérieur, on n'a pas recours à la lubrification en continu et l'injection de gaz ne se fait ni au niveau de la lingotière ni directement à l'intérieur de la lingotière, mais au niveau de la rehausse et à l'extérieur de celle-ci.
[0011] De façon surprenante, on a constaté qu'un tel procédé conduisait à des billettes ayant un très bon aspect de surface et qu'il suffisait de supprimer la pression de gaz pour que cet état de surface se dégrade notablement.
[0012] On pense que le gaz inerte empêche la pénétration de l'air ambiant au niveau de la partie inférieure de la rehausse.
[0013] A l'appui de cette hypothèse, on peut signaler le fait que l'absence de gaz inerte provoque l'apparition de microporosités et de piqûres à la surface du produit coulé, qui semblent dues à une oxydation du métal par l'humidité de l'air, réaction au cours de laquelle se forment au contact du métal des bulles d'hydrogène, source des microporosités et des piqûres.
[0015] En effet, dans le brevet US 4.157.728, on est obligé de maintenir une pression de gaz suffisante pour décoller le métal de la paroi sans pour autant causer de mouvements importants à l'intérieur du métal fondu, ce qui nécessite des dispositifs de réglage de pression relativement sophistiqués, notamment quand il s'agit d'une coulée multiple.
[0016] A la différence, dans notre procédé, il suffit d'une pression minimale juste suffisante pour maintenir la surface périphérique de la rehausse à l'abri de l'atmosphère.
[0017] La pression maximale acceptable est déterminée par la valeur au-delà de laquelle le gaz passerait par les porosités de la rehausse d'une manière tellement importante que les remous à la surface libre du métal conduiraient à des produits défectueux. Grâce à l'écran constitué par la rehausse entre le gaz et le métal, cette pression maximale est relativement élevée. On dispose donc entre la pression minimale et la pression maximale d'une plage de réglage très large et de ce fait le procédé ne nécessite aucun dispositif de régulation compliqué : la pression de gaz inerte est fixée une fois pour toutes par un simple robinet et un manomètre-détendeur en un seul point pour l'ensemble de l'installation et ne demande aucune retouche en cours de coulée ou entre les coulées successives.
[0018] Un tel procédé peut être mis en oeuvre dans un dispositif de construction facile tel que par exemple celui qui fait l'objet également de l'invention et qui comprend comme dans l'art antérieur :
- une lingotière à fond mobile équipée à l'extérieur de moyens d'amenée d'un fluide frigoporteur et à l'intérieur d'une bague en graphite,
- une rehausse placée de façon adjacente et en surplomb au-dessus de la lingotièré et serrée contre la face supérieure de ladite lingotière.
[0019] Ce dispositif est caractérisé en ce que :
- la rehausse est composée de deux parties reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un joint ;
- la partie inférieure de cette rehausse est entourée sur toute sa périphérie par un anneau qui l'isole de l'atmosphère et dont le diamètre intérieur est supérieur au plus grand diamètre extérieur de ladite partie de manière à former une chambre annulaire autour de ladite partie et sur au moins une fraction de sa hauteur ;
- ladite chambre est en relation avec une source de gaz sous pression par l'intermédiaire d'une conduite d'amenée.
[0020] Dans ce dispositif, les éléments sont montés de la manière suivante : la rehausse inférieure repose sur un épaulement dont est munie la partie supérieure de la lingotière.
- sur la surface extérieure de cette rehausse vient reposer une bague de serrage ;
- cet ensemble est appliqué contre une plaque de base et la rehausse supérieure par l'intermédiaire d'un joint et au moyen d'au moins 6 écrous de serrage répartis sur toute la périphérie de la lingotière. Au cours du serrage, les écrous contribuent également à faire appuyer la bague de serrage contre la rehausse inférieure et à la soumettre ainsi à une contrainte d'autant plus élevée que le taux de serrage des écrous est élevé.
[0021] Un tel dispositif présente cependant plusieurs inconvénients :
- lorsqu'on veut démonter la lingotière puis la remonter, notamment pour passer d'une dimension de billettes à une autre, on est obligé d'enlever chacun des écrous, ce qui demande du temps et grève les frais d'entretien ;
- chacun des éléments : lingotière, rehausse inférieure, bague de serrage, se sépare des autres et la rehausse inférieure en réfractaire, qui se trouve ainsi brutalement libérée de toute contrainte, se détériore de sorte qu'il faut pourvoir à son remplacement, ce qui grève également les frais d'entretien.
[0022] C'est pourquoi la demanderesse, soucieuse de remédier à ces états de fait à mis au point un dispositif perfectionné caractérisé en ce que la bague de serrage est munie d'un rebord qui est fixé sur un épaulement placé à la partie supérieure de la lingotière au moyen de vis et que ladite lingotière est rendue solidaire de la nlaque de base par au moins quatre ressorts diamétralement opposés deux à deux solidaires d'une barre de serrage.
[0023] A la différence du dispositif précédent, on forme un ensemble rehausse inférieure-lingotière-bague de serrage que l'on peut séparer en bloc de la plaque de base. Ce montage permet par ailleurs de maintenir constante et indépendante du serrage de fixation de la lingotière sur la plaque de base la contrainte de pression exercée sur la rehausse inférieure.
[0024] L'intégration de cet ensemble dans le dispositif se fait simplement : on l'applique contre la plaque de base et la partie supérieure de la rehausse par l'intermédiaire d'un joint et le maintient dans cette position au moyen de lamelles élastiques. On raccourcit ainsi les durées de démontage et de remontage.
[0025] L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures et 3 qui représentent en coupe suivant un axe vertical une demi-section du dispositif de coulée. On voit sur la figure 1 une rehausse composée d'une partie supérieure (1) reliée à une partie inférieure (2) par l'intermédiaire d'un joint (3). La partie (2) est placée en surplomb (4) par rapport à la bague graphite (5) de la lingotière (6) refroidie extérieurement par le fluide frigoporteur issu de (7a). Cet ensemble est maintenu solidaire par l'intermédiaire d'une bague de serrage (8) et des écrous (9) qui fixent la lingotière sur une plaque de base (10).Le bas de la partie (2) est entouré sur toute sa périphérie par un anneau (13) de façon à former une chambre annulaire (11) qui est alimentée en gaz inerte par l'intermédiaire d'une conduite (12).
[0026] La figure 2 se distingue de la figure 1 en ce que la lingotière est refroidie au moyen d'un système (7b) généralement appelé "water jacket".
[0027] On constate ici que l'anneau est constitué par une portion de la lingotière ce qui correspond à une réalisation particulière de l'invention car cet anneau peut être distinct de la lingotière.
[0028] La figure 3 est relative au dispositif perfectionné. On y voit :
- une lingotière (6) à fond mobile équipée à l'extérieur de moyens (7a) d'amenée d'un fluide frigoporteur et à l'intérieur d'une bague en graphite (5) ;
- une rehausse placée de façon adjacente et en surplomb (4) au-dessus de la lingotière et serrée contre la face supérieure de ladite lingotière composée de deux parties (1 et 2) reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un joint (3) et dont la partie inférieure (2) est entourée sur toute sa périphérie par un anneau (13) qui l'isole de l'atmosphère, dont le diamètre extérieur est supérieur au plus grand diamètre extérieur de ladite partie de manière à former une chambre annulaire (11) autour de cette partie et sur au moins une fraction de sa hauteur, ladite chambre étant en relation avec une source de gaz sous pression par l'intermédiaire d'une conduite d'amenée (12).
[0029] La bague de serrage (8a) est munie d'un rebord (14) qui est fixé sur un épaulement (15) placé à la partie supérieure de la lingotière (6) au moyen de vis (16) et ladite lingotière est rendue solidaire de la plaque de base (10) par la pression d'au moins quatre ressorts (17) diamétralement opposés deux à deux et solidaires de la barre de serrage (18).
[0030] Le démontage et le remontage d'un tel dispositif demandent près de 15 fois moins de temps que pour un dispositif de l'art antérieur. En outre, le taux de remplacement des rehausses dû au démontage est pratiquement nul.
[0031] L'invention peut être illustrée au moyen de l'exemple d'application suivant :
on a coulé deux billettes en alliage d'aluminium du type 6063 suivant les normes de l'Aluminium Association dans une lingotière refroidie extérieurement avec de l'eau, de diamètre 0 = 20 cm et de hauteur h = 3,6 cm, équipée d'une bague graphite de hauteur h = 2,6 cm, la partie inférieure de la rehausse étant en un matériau formé de silicate de calcium renforcé de fibres désigné dans le commerce sous le nom de monalite et la partie supérieure en un produit à base de silice et de liant hydraulique appelé béton glass-rock.
[0033] Dans un deuxième essai, la conduite était reliée à une source d'azote sec de manière à maintenir une pression de 0,024 MPa, tandis que les autres paramètres de coulée étaient maintenus identiques à ceux du premier essai. On a constaté que la billette obtenue au cours du premier essai présentait de nombreuses piqûres à sa surface alors que celle du deuxième essai en était tout à fait exempte.
- emmaganiser le métal fondu dans une rehausse comportant une partie supérieure (1) et une partie inférieure (2) placée de façon adjacente au-dessus de la lingotière (6), ladite rehausse présentant un surplomb (4) par rapport à la paroi intérieure de la lingotière,
- alimenter la lingotière en métal fondu à partir de la rehausse,
- maintenir une masse de métal dans la lingotière de manière à provoquer par un écoulement de fluide frigoporteur à l'extérieur de la-lingotière et sur le métal une solidification de la masse suffisante pour permettre l'extraction par le fond de métal sous une forme correspondant à celle de la lingotière,
caractérisé en ce que l'on applique une pression de gaz inerte à la périphérie de la partie inférieure de la rehausse, pendant toute la durée de la coulée.
- une lingotière (6) à fond mobile équipée à l'extérieur de moyens (7) d'amenée d'un fluide frigoporteur,à l'intérieur d'une bague en graphite (5),
- une rehausse placée de façon adjacente et en surplomb au-dessus de la lingotière
et serrée contre la face supérieure de ladite lingotière,
caractérisé en ce que :
- la rehausse est composée de deux parties (1 et 2) reliées l'une à l'autre par l'intermédiaire d'un joint,
- Ia partie inférieure (2) est entourée sur toute sa périphérie par une bague de serrage (8) et par un anneau (13) qui l'isole de l'atmosphère et dont le diamètre est supérieur au plus grand diamètre extérieur de ladite partie, de manière à former une chambre annulaire (11) autour de cette partie et sur au moins une fraction de sa hauteur,
- ladite chambre, est en relation avec une source de gaz sous pression par l'intermédiaire d'une conduite d'amenée (12).