[0001] L'invention concerne un dispositif de réglage du niveau de la ligne de contact de
la surface libre du métal avec la lingotière dans une coulée verticale.
[0002] Lors de la fabrication de semi-produits métallurgiques par coulée de métaux ferreux
ou légers comme l'aluminium et ses alliages, l'homme de l'art cherche à obtenir des
lingots, des billettes, des plaques, etc... ayant la meilleure homogénéité physique
et chimique possible, ceci afin d'éviter l'apparition de certains défauts lors de
la transformation ultérieure de ces produits en feuilles, fils, etc...
[0003] Or, la plupart des procédés de coulée utilisés actuellement dans l'industrie donnent
lieu, lors du passage du métal de l'état liquide à l'état solide, à la formation de
défauts d'homogénéité plus ou moins importants, dus essentiellement à des conditions
de refroidissement différentes d'un point à l'autre des produits coulés. C'est ainsi
que dans la coulée en lingotière à passage vertical où le métal est successivement
refroidi indirectement par l'intermédiaire de la lingotière, puis directement par
une lame d'eau, on constate la présence sur les semi-produits d'une couche externe
dite "couche corticale primaire". Cette couche dont la structure et la composition
diffèrent de celles de la partie interne du semi- produit, résulte du refroidissement
indirect du métal au contact de la lingotière. Par ailleurs, d'autres hétérogénéités,
beaucoup moins prononcées, mais toutes aussi gênantes, peuvent apparaître, telles
que les "picots" ou petites piqûres dues notamment à une dispersion dans la masse
métallique de la couche d'oxyde qui se forme à la surface du métal liquide en contact
avec l'atmosphère.
[0004] Certes, l'homme de l'art n'est pas resté inactif devant ces problèmes et il a apporté
un certain nombre de solutions plus ou moins satisfaisantes visant à supprimer ou
tout au moins à diminuer l'importance de ces hétérogénéités.
[0005] C'est ainsi que dans le brevet français 1 509 962, l'homme de l'art a préconisé l'utilisation
de la coulée électromagnétique, technique dans laquelle, grâce au confinement du métal
à l'aide de forces d'origine électromagnétique , on peut supprimer la lingotiére et
éviter ainsi l'apparition de la couche corticale puisqu'il n'y a plus de refroidissement
indirect.
[0006] On arrive ainsi à améliorer l'homogénéité des semi-produits.
[0007] Toutefois, cette technique présente les inconvénients suivants :
- il faut équiper le métier de coulée avec une installation électrique relativement
complexe et chère à cause de la nécessité de disposer de courants de fréquence non
industrielle (500 à 4000 Hz) de grande intensité (de l'ordre de 5000 A) pour créer
un champ de confinement convenable,
- le risque d'hétérogénéité par picots est accru en raison, d'une part de l'absence
de lingotière et donc de l'augmentation de la surface de métal liquide susceptible
d'être oxydé, d'autre part du phénomène de brassage de la masse liquide causé par
le champ de confinement qui contribue fortement à la dislocation du film d'oxyde et
à sa dispersion dans le métal,
- il est souvent difficile de créer un confinement convenable lors du démarrage de
la coulée électromagnétique,
- la sécurité du personnel peut être mise en cause quand on coule l'aluminium et ses
alliages car en cas de défaillance électrique, le métal liquide n'étant plus confiné
se répand à l'extérieur de la lingotière et peut entrer en contact avec le fluide
de refroidissement direct en provoquant une explosion.
[0008] D'autres solutions plus simples ont également été proposées pour diminuer l'épaisseur
de la couche corticale. Par exemple, le brevet français 1 398 526 enseigne l'emploi
d'une bande de fiberfrax collée sur la lingotière de façon à réduire la hauteur du
métal en contact avec la lingotière, et donc de réduire les effets dûs au refroidissement
indirect. Cependant, cette réduction de hauteur ne peut être fixée une fois pour toutes,
car elle dépend notamment de la vitesse de coulée. Aussi, quand ce paramètre varie,
il faut soit changer de lingotière, soit tout au moins modifier la hauteur de la bande.
Ce qui confère un manque de souplesse à une solution n'apportant en définitive qu'une
suppression partielle des hétérogénéités.
[0009] Dans le brevet français 1 496 241, on supprime les inconvénients du refroidissement
indirect en utilisant une lingotière en graphite non refroidie, mais on se heurte
alors à des problèmes d'entretien et de changement fréquent de la lingotière dus à
la fragilité de ce matériau.
[0010] Une autre solution consiste à mettre en oeuvre des lingotières à surface intérieure
striée au moyen desquelles on réduit de plus de 30 % l'épaisseur de la couche corticale
quand on coule de l'aluminium 1050 par exemple. Toutefois, outre l'usinage de ces
lingotières qui en augmente sensiblement le prix, on retrouve les inconvénients dus
à l'adaptation de la lingotière, et ici des stries, à chaque vitesse de coulée.
[0011] On connaît encore la coulée en charge avec rehausse, dite "HOT TOP", mais elle a
aussi l'inconvénient à la fois de conduire à une solidification périodique du ménisque,
cause de petits replis à la surface des semi-produits,et de s'accompagner de difficultés
lors du démarrage.
[0012] Enfin, plus récemment, le brevet français 2 417 357 a revendiqué un procédé dans
lequel on fait varier la longueur axiale de la partie de la lingotière en contact
avec le métal liquide en mettant en oeuvre une manchette glissant sur la paroi intérieure
de la lingotiëre. Un tel système a l'inconvénient lors d'une solidification intempestive
du métal de conduire à une adhérence entre la lingotière et la manchette provoquant
ainsi un arrachement des pièces en présence au moment où l'on procède au mouvement
de glissement.
[0013] C'est pourquoi la demanderesse consciente des problèmes posés par ces techniques
a, dans le but d'obtenir des semi-produits homogènes dans lesquels l'épaisseur de
la couche corticale est pratiquement nulle, le grain est affiné et la peau est exempte
de picots, cherché et mis au point un procédé qui présente par rapport à ceux de l'art
antérieur, les avantages suivants :
- utilisation d'installations électriques moins compliquées que celles imposées par
la coulée électromagnétique traditionnelle,
- passage aisé de la phase de démarrage de la coulée au régime de croisière,
- adaptation facile à des variations de paramètres tels que la vitesse de coulée puisque
le procédé ne nécessite aucune modification du matériel tel que le changement de lingotiêre,
- application à n'importe quel type de lingotière classique,
- absence de tout dispositif dans lequel on met des pièces en mouvement,
-risques d'explosion par fuite de métal liquide moins grands qu'avec la coulée électromagnétique
traditionnelle.
[0014] Pour parvenir à ce résultat, la demanderesse est partie des observations suivantes
:
- d'une part le démarrage de la coulée est d'autant plus facile que le niveau de métal
dans la lingotière est haut. En effet, avec un niveau bas, le filtre en tissu de verre
qui régularise l'alimentation en métal de la lingotière se rapproche du front de solidification
et risque, pour des semi-produits de petites dimensions, d'être bloqué par une solidification
intempestive du métal et de ne plus pouvoir assurer sa fonction. De même, le phénomène
de cambrure qui se manifeste avec les semi-produits de grande largeur interdit également
un démarrage en niveau bas.
- d'autre part, en régime de croisière, il est préférable de couler avec une hauteur
de métal dans la lingotière la plus faible possible car on limite ainsi la hauteur
de contact de métal avec la paroi de la lingotière et de ce fait, on réduit l'épaisseur
de la zone corticale qui, comme on l'a vu plus haut, est essentiellement due au refroidissement
du métal par l'intermédiaire de la lingotière.
[0015] Il fallait donc, partant d'une lingotière classique avec ses contingences, c'est-à-dire
tout en gardant dans la lingotière une hauteur de métal suffisante pour ne pas gêner
le fonctionnement du filtre, pouvoir limiter le plus possible la hauteur de contact
du métal avec la surface de la lingotière ce qui revenait en somme-à trouver un moyen
de régder de niveau de la ligne de contacta de la-surface libre du métal liquide àvec:la
paroi de la lingotière.
[0016] Ce moyen consiste à appliquer au liquide en cours de solidification un champ magnétique
périodique d'intensité variable et de direction sensiblement parallèle à l'axe de
la lingotière et à adapter son intensité en fonction du niveau souhaité.
[0017] En effet, il a été constaté qu'en plaçant autour de la lingotière au moins une bobine
circulaire constituée par un circuit électrique formé d'un ou de plusieurs enroulements,
et en l'alimentant avec un courant alternatif de tension industrielle suffisante,
on parvenait à modifier le profil du ménisque métallique et notamment à faire varier
le niveau de cette ligne de contact du métal avec la lingôtière et ce d'autant plus
que les variations de la tension d'alimentation et corrélativement de l'intensité
du champ créé, étaient grandes.
[0018] Ainsi, en faisant croître l'intensité du champ, on pouvait abaisser le niveau et
par suite diminuer la hauteur de la zone de contact métal-lingotière ou au contraire
en la faisant décroître, on pouvait élever ce niveau et par suite augmenter cette
hauteur.
[0019] L'intérêt d'un tel procédé est donc de permettre de réduire à volonté la hauteur
de contact métal-lingotière et par suite l'épaisseur de la couche corticale simplement
avec une bobine alimentée par un courant de fréquence industrielle 50 ou 60 Hz en
sachant que toute défaillance électrique n'aura pour répercussion que de faire varier
la hauteur de métal dans la lingotière, c'est-à-dire que tout risque de fuite de métal
liquide sera écarté ce qui n'est pas le cas dans la coulée électromagnétique.
[0020] De plus, la présence d'une lingotière, tout en limitant la possibilité d'oxydation
du métal liquide au niveau du ménisque, empêche, par le contact qu'elle a avec le
métal, tout déplacement du film d'oxyde vers la paroi latérale et donc tout risque
de picot à la surface du semi- produit.
[0021] De plus, le champ appliqué au métal a également pour effet de créer des forces à
l'intérieur du liquide qui homogénéisent le refroidissement et tendent à provoquer
un affinage du grain de coulée.
[0022] La bobine qui crée le champ magnétique a de préférence une forme voisine de celle
de la lingotiëre, de sorte qu'elle crée un champ de direction sensiblement parallèle
à l'axe de la lingotiére. Elle est disposée le long de cet axe de manière que la zone
où le champ exerce une action maximum se situe entre le sommet du ménisque liquide
et le point de contact avec la lingotière.
[0023] Un tel procédé permet, lors d'une opération de coulée, d'effectuer un démarrage normal
dans les meilleures conditions possibles, c'est-à-dire avec une hauteur élevée de
métal dans la lingotière. Pour cela, on utilise un champ d'intensité faible et éventuellement
nulle de manière à minimiser toute modification du niveau normal du métal. Par la
suite, pour passer en régime de croisière, on fait croître l'intensité du champ jusqu'à
atteindre une hauteur minimum conduisant à une épaisseur minimale de la couche corticale.
La valeur maximum du champ admissible est détectée facilement par apparition lorsqu'on
la dépasse, de déformation de la surface du produit coulé.
[0024] Il suffit donc de déterminer cette valeur au cours du démarrage d'une coulée test
et de la reconduire ensuite pour toutes les coulées du même type.
[0025] Cette valeur correspond généralement au moment où le niveau atteint par la ligne
de contact correspond au niveau à laquelle se place la ligne d'intersection entre
le front de solidification dû au refroidissement indirect et le front de solidification
dû au refroidissement direct en coulée classique. La hauteur de contact se trouve
alors pratiquement réduite à une ligne circulaire et la couche corticale inexistante.
[0026] Suivant le type d'alliage coulé, on sait qu'on sera amené à couler à des vitesses
différentes. Le procédé permet de modifier l'intensité du champ pour l'adapter aux
variations de vitesse et de déterminer comme précédemment la valeur maximum de l'intensité
admissible pour chacune de ces vitesses.
[0027] Le procédé peut être mieux compris à l'aide de la figure 1 qui représente en coupe
verticale deux demi-lingotières dont celle de gauche est utilisée suivant l'art antérieur
et celle de droite suivant le procédé que l'on a détrit ci-dessus.
[0028] On distingue une busette d'alimentation (1) en métal liquide, une quenouille (2)
de régulation de niveau, une lipgotière (3) refroidie directement par un fluide (4)
qui refroidit ensuite le métal (5) directement au point (6). La demi-lingotière de
droite est équipée d'une bobine (7) qui est alimentée sous une tension alternative
(8) afin de créer le champ magnétique de direction (9) et de provoquer l'abaissement
du niveau de la ligne de contact de la surface du métal avec la lingotière d'un point
(10) dans la coulée de l'art antérieur au point (11) suivant léiprocédén, point qui
est situé au niveau de l'intersection (12) du front de solidification (13) résultant
du refroidissement indirect et du front (14) résultant du refroidissement direct.
On voit ainsi qu'on a réduit la hauteur de contact du métal avec la lingotière d'une
hauteur h
1 à une hauteur h
2 ex- trèmement petite qu'on peut assimiler au point (11).
[0029] Ce procédé peut être illustré à l'aide des exemples d'application suivants :
[0030] Dans une lingotière en aluminium de diamètre 320 mm, de hauteur 100 mm, on a coulé
un alliage d'aluminium du type 2214 suivant les normes de l'Aluminium Association,
à la vitesse de 60 mm/minute.La quenouille réglait le niveau de métal à mi-hauteur
de la lingotière et le fluide de refroidissement entrait en contact avec la peau de
la billette coulée à 1 cm environ en-dessous de la base de la lingotière.
[0031] Dans un premier essai, la coulée a été effectuée dans les conditions de l'art antérieur
et un examen micrographique de différentes sections de la billette a montré que la
couche corticale avait une épaisseur moyenne de 18 mm.
[0032] Une série d'essais a été ensuite réalisée au cours de laquelle la lingotière a été
entourée par une bobine annulaire de diamètre intérieur 372 mm, extérieur 465 mm,
de hauteur 48 mm, formée par 120 tours de fil de cuivre émaillé de diamètre 3,35 mm
et alimentée par un courant alternatif de 50 Hz.
[0033] Chacun des essais a été mené sous une tension électrique différente et on a mesuré
les épaisseurs corticales moyennes correspondantes ainsi que la taille des grains
par la méthode des intersections
[0034] Les résultats figurent dans le tableau ci-après :

[0035] On constate donc que l'application du procédé conduit a une réduction progressive
de l'épaisseur de la couche corticale à mesure que l'on augmente la tension électrique
aux bornes de la bobine dans des proportions telles que cette épaisseur devient nulle
pour une tension de 180 volts.
[0036] Simultanément, la taille des grains diminue de telle sorte qu'à partir d'un métal
qui présente des grains de 500 µm en coulée classique, on obtient suivant l'invention
des grains de 180 µm en moyenne.
[0037] Par ailleurs, on ne note la présence d'aucun picot.
[0038] Mais, au cours de ses essais, la demanderesse a constaté que les dispositifs classiques
utilisés, que ce soit pour la coulée de plaques ou la coulée de billettes, n'étaient
pas les mieux adaptés à ce procédé de réglage. C'est ainsi qu'elle a trouvé que l'on
pouvait, tout en maintenant les résultats obtenus sur les couches corticales et la
taille des grains, diminuer la tension nécessaire au réglage c'est-à-dire la puissance
électrique consommée si l'on augmentait la résistance électrique des appareils situés
au voisinage de la bobine et notamment celle de la lingotière elle-même.
[0039] Cette augmentation peut être obtenue en modifiant la composition du matériau constituant
les appareils pour lui conférer une plus grande résistivité, soit la structure des
appareils pour augmenter leur résistance.
[0040] Selon l'invention, les deux voies ont été suivies, l'une caractérisée en ce que l'on
utilise une lingotière constituée par un matériau solide ayant une résistivité supérieure
à 5 µΩ.cm, l'autre caractérisé en ce que l'on utilise une lingotière partagée dans
le sens de la hauteur en au moins deux secteurs séparés l'un de l'autre par un isolant
électrique. Suivant la première voie, si l'augmentation de la résistivité, pour les
boites à eau par exemple, est facile à obtenir en utilisant des matériaux tels que
les aciers inoxydables ou des résines armées de fibres, par contre, pour les lingotières,
la solution s'avère moins pratique en raison de l'usage traditionnel de l'aluminium
ou du cuivre, métaux ayant une très faible résistivité (<3µΩ.cm)
[0041] Au cours des essais, la demanderesse a constaté qu'il était possible de réduire la
tension électrique nécessaire au réglage, tout en maintenant des conditions de coulée
convenables, en utilisant des matériaux appartenant au groupe constitué par les céramiques,
des métaux tels que par exemple les aciers inoxydables amagnétiques, le titane. Toutefois,
la solution la meilleure consiste à utiliser des alliages d'aluminium avec des éléments
tels que le manganèse, le chrome, le titane, le vanadium, lesquels permettent à des
concentrations pas trop élevées d'obtenir des teneurs en solution solide relativement
importantes et par suite des résistivités plus grandes.
[0042] Ainsi, on peut citer parmi les alliages celui qui contient en poids environ 1,8 %
Mn- 0,25 % Cr- 0,2 % Ti et 0,1 Z V et dont la résistivité est égale à 9,3 µΩ.cm. Cette
résistivité peut cependant être améliorée pâr ajout de Mg jusqu'à 5%, auquel cas des
valeurs de 11 à 12 µΩ.cm peuvent être obtenues. L'ajout dé Li jusqu'à 1 % ou de Zr
jusqu'à 0,15% est également favorable.
[0043] D'autres solutions consistent à utiliser des lingotières constituées par des produits
composites tels que par exemple un acier inoxydable revêtu intérieurement par une
mince couche d'aluminium.
[0044] Suivant la deuxième voie, pour réduire la tension électrique nécessaire au réglage,
on utilise une lingotière de structure telle qu'elle permette d'augmenter la résistance
électrique. Cette structure peut être obtenue en partageant la lingotière en secteurs
qui sont séparés les uns des autres par un isolant électrique et assemblés par des
moyens connus de l'homme de l'art.
[0045] La figure 2 montre en perspective une telle lingotière de diamètre 320mm et de hauteur
120 mm sur laquelle on distingue 4 secteurs séparés sur - toute leur hauteur par une
lame de mica (16). Ces pièces sont maintenues assemblées entre elles au moyen de goupilles
en acier inox (17) passant à travers le rebord de la lingotière et de chevilles (18)
en matière isolante, tous ces moyens étant placés dans la masse de la lingotière.
Pour obtenir un résultat convenable, on a constaté qu'il fallait cependant avoir des
secteurs dont la largeur ne soit pas trop grande. C'est ainsi que des largeurs comprises
entre 10 et 30 cm ont donné les meilleurs résultats.
[0046] Les lingotières conçues selon l'invention ont pour résultat, lorsqu'elles sont soumises
à l'action d'un champ magnétique créé par un courant industriel de fréquence 50 à
60 Hz, l'obtention de produits coulés présentant à la fois une couche corticale d'épaisseur
très faible ou nulle et un grain fin.
[0047] Toutefois, la demanderesse a trouvé que leur fonctionnement pouvait être optimisé
en les soumettant à l'action de plusieurs champs magnétiques de fréquence différente,
susceptibles d'exacerber séparément chacun des deux résultats recherchés. Il faut
savoir en effet qu'un champ de fréquence élevée exerce son influence près de la surface
du produit coulé, alors qu'un champ de fréquence faible peut étendre son influence
jusqu'au milieu du produit coulé. En conséquence, pourvu qu'il traverse la lingotière,
un champ de fréquence élevée N
1 conviendra pour obtenir une épaisseur corticale nulle. Par contre, pour obtenir un
affinage du grain, qui intéresse donc toute la section du produit, il faudra une fréquence
N
2 plus faible et adaptée à ladite section.
[0048] De préférence, N
1 est choisie parmi les fréquences comprises entre 50 Hz et 1 kHz en fonction de la
nature et de la géométrie de la lingotière et N
2 est au minimum de l'ordre du Hz pour les produits coulés de forte épaisseur (de l'ordre
de 60 cm d'épaisseur).
[0049] L'application simultanée de ces fréquences N1 et N2 permet donc d'agir au mieux à
la fois sur les deux résultats recherchés. Il faut noter que si le montage électrique
permettant de faire circuler les deux courants de fréquence NI et N
2 dans une seule spire paraît trop compliqué, on peut utiliser deux spires concentriques,
la spire parcourue par le courant de fréquence N
2 entourant la spire parcourue par le courant de fréquence Nl.
[0050] On notera que l'application de ces champs intenses peut conduire à une lévitation
des lingotières en alliages d'aluminium. Ce phénomène peut être évité en fixant solidement
la lingotière au métier de coulée ou en remplaçant sa partie supérieure par une pièce
en acier inoxydable. On peut évidemment conjuguer les deux solutions.
[0051] L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant :
[0052] On a utilisé des lingotières de dimensions 1100 x 300 mm et de hauteur 120 mm de
différentes résistivités. Ces lingotières ont été entourées d'une spire constituée,
pour des raisons de sécurité électrique, d'un seul enroulement et parcourue par un
courant de fréquence 50 Hz. Nous avons mesuré la tension nécessaire aux bornes de
la spire pour obtenir dans tous les cas le même réglage de hauteur de la ligne de
contact métal liquide - lingotière, conduisant à une épaisseur de couche corticale
nulle. Les résultats sont les suivants :

[0053] On constate que l'on réduit notablement la tension électrique aux bornes de la spire,
et par suite la puissance consommée en utilisant des lingo- tiêres de résistivité
plus grande. Toutefois, pour les très grandes résistivités le gain obtenu est relativement
faible.
[0054] La présente invention trouve son application dans la coulée de semi-produits métallurgiques
notamment en aluminium et ses alliages, tels que, par exemple, les alliages au lithium
et dans lesquels on veut obtenir à la fois une zone corticale d'épaisseur pratiquement
nulle, un grain fin sans ajout préalable d'agents d'affinage comme l'AT5B et une absence
de picots.
1. Dispositif de réglage du niveau de la ligne de contact de la surface libre du métal
avec la lingotière (3) dans une coulée verticale au moyen d'au moins une bobine annulaire
(8) parcourue par un courant électrique périodique et entourant ladite lingotière,
caractérisé en ce que, dans le but de réduire la tension électrique nécessaire au
réglage, on utilise une lingotière constituée par un matériau solide ayant une résistivité
supérieure à 5 µΩ.cm.
2. Dispositif de réglage du niveau de la ligne de contact de la surface libre du métal
avec la lingotière, dans une coulée verticale au moyen d'une bobine annulaire parcourue
par un courant électrique périodique et entourant ladite lingotière caractérisé en
ce que, dans le but de réduire la tension électrique nécessaire au réglage, on utilise
une lingotière partagée dans le sens de la hauteur en au moins deux secteurs séparés
l'un de l'autre par un isolant électrique.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau appartient
au groupe constitué par les céramiques, les métaux et alliages à haute résistivité.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau est un alliage
d'aluminium de haute résistivité.
5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le matériau est un alliage
d'aluminium de composition en poids : 1,8 % Mn- 0,25 % Cr-0,2 % Ti- 0,1 X V et 5 X
Mg.
6. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau est un produit
composite.
7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le matériau est un acier
inoxydable amagnétique revêtu intérieurement d'une mince couche d'aluminium.
8. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les secteurs ont une
largeur comprise entre 10 et 30 cm.
9. Dispositif selon-les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la bobine annulaire
est reliée simultanément à deux sources de courant électrique de fréquence différente
N1 et N2.
10. Dispositif selon la revendication 9 caractérise en ce que l'une des sources a
une fréquence industrielle NI et l'autre une fréquence inférieure N2.
11. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux
bobines annulaires l'une alimentée par une source de fréquence industrielle N1, l'autre
par une source de fréquence inférieure N2.