Procédé et dispositif de coulée dans une fosse, sans risque d'explosion, de l'aluminium et de ses alliages, notamment avec le lithium

Abstract

 L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de coulée dans une fosse sans risque d'explosion de l'aluminium et de ses alliages notamment avec le lithium.
Elle consiste à placer un écran (3) élastique autour du produit coulé pour arrêter l'eau de refroidissement et tout épanchement de métal liquide lesquels sont collectés par débordement de l'écran dans des gouttières (5 à 14) inclinées où l'eau forme un film et le métal est arrêté de façon fractionnée par des barrettes (19) placées dans les gouttières à des distances convenables.

Description

[0001] L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de coulée dans une fosse, sans risque d'explosion, de l'aluminium et de ses alliages, notamment avec le lithium.

[0002] L'homme de l'art de la fonderie connaît bien le procédé de coulée verticale semi-continue dans lequel du métal fondu est versé dans une lingotière à fond mobile refroidie où il se solidifie partiellement, puis est tiré en continu vers le bas sous la forme de plaques ou de billettes sur lesquelles on projette de l'eau pour en accélérer le refroidissement. Les dispositifs de coulée utilisés pour appliquer ce procédé sont généralement placés à même le sol au-dessus de fosses plus ou moins profondes destinées à recevoir à la fois le produit coulé, l'eau de refroidissement qui est évacuée vers un égout et éventuellement les coulures de métal qui peuvent résulter d'une rupture accidentelle de la peau des produits coulés.

[0003] L'homme de l'art sait aussi que l'aluminium liquide peut, dans certaines conditions, réagir violemment avec l'eau en provoquant de fortes explosions, dangereuses pour le personnel et le matériel se trouvant dans le voisinage.

[0004] Or, ces conditions peuvent être réalisées lors de la mise en oeuvre du procédé de coulée verticale, notamment lorsque des coulures de métal tombent dans l'eau stagnant au fond de la fosse.

[0005] C'est pourquoi des études ont été enterprises il y a quelques décennies visant à trouver les moyens d'empêcher de telles explosions. C'est ainsi que dans un article paru dans la revue Metal Progress de mai 1957 et intitulé : "Explosions of molten aluminium in water-cause and prevention", G. LANG préconise de peindre ou de graisser le fond de la fosse et, si possible, d'y retenir une hauteur d'eau relativement importante. C'est à partir de ces conclusions que dans la plupart des fonderies d'aluminium ont été établies des règles qu'on peut résumer comme suit:
- une hauteur d'eau d'au moins un mètre doit être maintenue dans la fosse,
- le niveau de l'eau à l'intérieur de la fosse doit être situé à au moins 3,30 m en-dessous de la lingotière,
- toute l'installation de coulée et les parois de la fosse doivent être propres, débarrassées de la rouille et revêtues d'un matériau organique convenable.

[0006] L'application de ces règles a certes permis de réduire à un niveau très faible les risques d'explosion dans les fonderies, du moins en ce qui concerne la coulée des alliages classiques.

[0007] Mais, depuis quelques années un intérêt s'est manifesté, notamment dans l'industrie aéronautique, pour les alliages aluminium-lithium et les fondeurs se sont trouvés confrontés à nouveau au problème des risques d'explosion.

[0008] En effet, comme G. LANG l'avait déjà signalé dans l'article ci-dessus en se référant à H.M. HIGGINS, lorsque l'aluminium-lithium fondu est dispersé dans l'eau de n'importe quelle façon, il peut se produire une violente explosion à la différence de l'aluminium.

[0009] Il n'était donc plus question de s'en tenir aux règles établies ci-dessus pour couler ce nouveau type d'alliage.

[0010] Mais, des solutions sont apparues rapidement.
C'est ainsi que dans le brevet européen 142.341, on remplace l'eau de refroidissement par un fluide organique et plus particulièrement par l'éthylène-glycol. Certes, il s'agit d'une solution offrant des conditions de sécurité améliorées puisque l'eau, cause essentielle des explosions, est exclue du procédé. Toutefois, on peut lui reprocher le fait qu'elle est relativement chère car elle nécessite un recyclage du fluide et que, par ailleurs, les fluides organiques offrent moins de possibilités que l'eau en matière de coefficient de transfert et de tenue à la température.

[0011] Une autre solution a été donnée dans le brevet européen 150.922 et qui consiste suivant la revendication principale à démarrer le coulée avec une fosse vide et à évacuer l'eau de refroidissement de la fosse en continu et à une vitesse suffisante pour qu'il ne se produise aucune flaque dans la fosse.
Cette solution a l'inconvénient de nécessiter une installation de pompage avec ses défaillances possibles en cas de chute dans la fosse d'une quantité de métal liquide.

[0012] C'est pourquoi, la demanderesse, ne voulant ni renoncer à l'intérêt présenté par l'eau comme liquide réfrigérant ni recourir à l'utilisation de pompes, a mis au point un nouveau procédé offrant toute garantie contre les risques d'explosion lors de la coulée, sous forme de plaques notamment, d'alliages contenant des éléments extrèmement oxydables particulièrement le lithium.

[0013] Ce procédé est basé sur l'utilisation d'écrans tels que ceux décrits dans le brevet US 3 653 425 et qui ont pour but, dans le cas de plaques ou de billettes fortement alliées, d'enlever le liquide refrigérant des surfaces solidifiées du métal peu après qu'il a été projeté sur le produit sortant de la lingotière afin de permettre au métal qui est à température élevée au centre du produit de réchauffer le métal plus froid qui est à la surface et de supprimer les tensions en évitant ainsi ou en minimisant la formation de criques.

[0014] Mais alors que dans ce brevet, l'eau et éventuellement les écoulements de métal sont arrêtés par les écrans et tombent par gravité dans la fosse, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste, au niveau de l'écran et sur toute sa périphérie, à collecter à la fois l'eau sous forme d'un film et tout épanchement éventuel de métal liquide, à les faire s'écouler par gravité le long d'un plan incliné, à séparer le métal de l'eau de façon fractionnée et à récupérer l'eau en-dehors de la fosse.

[0015] Le fait de collecter l'eau au niveau de l'écran et sur toute sa périphérie et de la récupérer en-dehors de la fosse empêche donc tout écoulement d'eau vers la fond de cette dernière. On peut ainsi travailler pratiquement avec une fosse sèche et éviter tout risque d'explosion, sans avoir à recourir à des pompes pendant le déroulement de la coulée.

[0016] En plaçant l'écran à une distance sous la lingotière correspondant à la profondeur maximale du marais liquide, on est certain que l'épanchement de métal liquide ne peut se produire qu'au-dessus de l'écran. De plus, pour éviter au moment du démarrage qu'un épanchement de métal liquide n'intervienne en-dessous de l'écran, un dispositif d'extraction fiable du produit au démarrage peut avantageusement être ajouté.

[0017] La collecte simultanée d'eau et de métal liquide pourrait laisser penser que l'on a déplacé le risque d'explosion de la fosse vers le collecteur mais, il n'en est rien, car on a constaté qu'en collectant l'eau sous forme d'une nappe de faible épaisseur s'écoulant par gravité à une vitesse convenable et en séparant le métal progressivement par fractions, il ne se produisait aucune réaction violente susceptible de causer des dommages corporels et/ou matériels : en effet, on évite ainsi la dispersion fine du métal dans l'eau, génératrice d'explosions.

[0018] Les résultats les plus satisfaisants ont été obtenus avec des films d'eau d'épaisseur inférieure à 10 mm et des moyens permettant de fractionner l'écoulement de métal en quantités unitaires de masse inférieure à 10 kg.

[0019] De préférence, avant d'envoyer l'eau à l'égout, on la fait passer sur un filtre constitué par exemple de billes d'aluminium afin de la débarrasser de toute trace de particules métalliques.

[0020] L'invention concerne également un dispositif particulier permettant de réaliser le procédé décrit ci-dessus.

[0021] Ce dispositif, qui comprend donc un écran élastique épousant fidèlement le contour du produit coulé, est caractérisé en ce que la périphérie de l'écran surplombe un ensemble de gouttières inclinées dont les extrémités se superposent de manière à débiter l'eau de l'une dans l'autre sous forme de cascade, les gouttières placées en aval étant équipées de barrettes placées perpendiculairement au sens d'écoulement des liquides, la gouttière inférieure surplombant un filtre à garnissage.

[0022] Ainsi, ce dispositif est constitué par un ensemble de gouttières, c'est-­à-dire de conduits métalliques ouverts sur le dessus sur toute leur longueur, à fond plat et inclinés suivant une pente comprise entre 4 et 12 %. Ces gouttières ont une hauteur suffisante pour pouvoir accepter la plus grosse quantité de métal liquide susceptible de se répandre lors d'un incident; leur largeur et leur pente sont calculées de manière que dans les conditions de refroidissement maximum, le volume d'eau nécessaire forme un film d'épaisseur inférieure à 10 mm. Les gouttières placées en aval de la cascade sont garnies intérieurement de barrettes formant barrage à l'écoulement d'une partie du métal. La distance qui sépare ces barrettes et leur hauteur est fonction de la quantité totale de métal susceptible de s'écouler et du fait que chaque barrette ne doit pas retenir plus de 10 kg de métal.
Quant aux gouttières amont et essentiellement celles qui recoivent directement l'eau qui déborde de l'écran, elles sont lisses afin de conférer au métal liquide issu d'une rupture de peau une vitesse initiale d'écoulement suffisante pour éviter toute accumulation.Ces gouttières sont disposées dans l'espace par rapport à l'écran et à la plaque coulée de la manière suivante :
- immédiatement en-dessous de l'écran, quatre gouttières lisses, s'allongeant parallèlement sur quatre faces de la plaque et à une distance telle qu'elles puissent recueillir la totalité de l'eau de refroidissement et du métal liquide qui débordent de l'écran; les deux gouttières en regard des petites faces débitant leur contenu dans celles en regard des grandes faces;
- en-dessous de ces quatre gouttières, deux séries de gouttières à barettes s'allongeant exclusivement devant les grandes faces de la plaque; dans chacune de ces séries, les gouttières se déversant l'une dans l'autre sous forme de cascade, la gouttière supérieure recevant le contenu de la gouttière lisse correspondante.

[0023] Toutes ces gouttières sont placées soit les unes au-dessus des autres et ont alors une pente inversée par rapport à leurs voisines, soit dans le prolongement l'une de l'autre suivant le type de fosse utilisé et que l'on décrit plus loin.

[0024] Les gouttières inférieures de chaque série se rejoignent en une gouttière commune pour déverser leur contenu dans un filtre.
Ce filtre est constitué par une poche garnie, de préférence, de billes d'aluminium sur lesquelles viennent se déposer les fines métalliques qui auraient pu échapper aux barrières.

[0025] Quant à l'écran, il n'a pas de caractéristiques particulières par rapport à ceux utilisés dans l'art antérieur. On préfère cependant des écrans fixés sur des bâtis refroidis et formés de deux lames élastiques entre lesquelles on peut envoyer un courant de gas permettant ainsi de vaporiser toute trace d'eau qui aurait pu s'infiltrer entre la plaque et la premiere lame.

[0026] Un tel dispositif est certes applicable aux fosses classiques à quatre parois verticales où en raison du problème d'espace qui se pose, on place les gouttières les unes au-dessus des autres.
Mais ce dispositif peut aussi être heureusement complété par l'utilisation d'une fosse à trois parois verticales et une quatrième en plan incliné ouverte sur l'extérieur du local de coulée et dans ce cas, on place alors les gouttières dans le prolongement l'une de l'autre.
Une telle fosse présente de nombreux avantages sur le plan de la sécurité par rapport à une fosse à quatre parois verticales en cas d'incidents de coulée.
En effet, elle permet d'augmenter la ventilation naturelle de la fosse et d'accélérer d'autant l'élimination d'hydrogène qui pourrait être émis lors d'un épanchement de métal liquide.

[0027] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure ci-jointe qui représente en perspective un dispositif suivant l'invention dans le cas où la fosse a quatre parois verticales. On y voit dans une fosse 0 une plaque 1 sur laquelle ruisselle de l'eau qui circule suivant le sens de la flèche 2 en passant au contact de l'écran 3 dont le bord 4 est placé en surplomb sur les quatre gouttières lisses 5 6 7 et 8 qui recueillent l'eau et éventuellement le métal liquide qui s'est épanché et les envoient respectivement pour 5 et 6 dans la gouttière 9 de la série à barettes 9, 10 et 11 et pour 7 et 8 dans la gouttière 12 de la série à barettes 12, 13 et 14.
Les gouttières 11 et 14 se rejoignent dans la gouttière commune 15 qui déverse son contenu dans le filtre 16 duquel s'échappe vers l'égout 17 l'eau 18 débarrassée de tout solide.

[0028] On peut voir dans les gouttières 9, 10 et 11 des barrettes 19 destinées à retenir le métal de façon fractionnée.

[0029] L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant :
Dans une installation de coulée d'alliage d'aluminium à 3 % en poids de lithium sous forme de plaques de dimensions 1100 x 300 mm, refroidies directement avec un débit de 20 m³/h d'eau, on a placé horizontalement autour de la plaque à une distance du bas de la lingotière de 150 mm un écran en caoutchouc de largeur 1500 mm et d'épaisseur 700 mm.
Des gouttières en tôle d'acier de longueur 1700 mm pour les grands côtés et 1000 mm pour les petits côtés de la plaque, de hauteur 100 mm et de largeur 500 mm inclinées de 4 degrés ont été disposées comme décrit ci-dessus à une distance, mesurée en leur milieu, de l'écran de 300 mm et entre elles de 250 mm. Des barrettes de hauteur 15mm espacées les unes des autres de 340 mm ont été placées en travers des 3 gouttières aval constituant chacune des séries.
L'eau sortant de la gouttière commune était dirigée vers un filtre de dimensions 1000 x 500 x 500 mm garni sur une hauteur de 200 mm de billes d'aluminium de diamètre 10 mm et relié à un égout.

[0030] On a provoqué un épanchement de 100 kg de métal liquide sur l'une des grandes faces de la plaque. Le métal a été retenu, par fractions de 8 à 10 kg à chaque barrière et s'est arrêté de couler au bout de la deuxième gouttière de la série placée en regard de la face percée. Des fines ont été emportées jusque dans le filtre en quantité de l'ordre de 15 kg.
Cette opération ayant été répétée de nombreuses fois, on a toujours constaté qu'elle s'accompagnait d'un panache de fumées et de vapeur d'eau mais sans aucune explosion.

[0031] Il est évident qu'une telle invention peut être appliquée à la coulée de billettes pour autant qu'on adapte la forme de la gouttière à celle du produit coulé et que dans ce cas ladite gouttière peut être continue et sans inversion de pente.

Revendications

1. Procédé de coulée dans une fosse sans risque d'explosion de l'aluminium et de ses alliages, notamment avec le lithium dans lequel on utilise une lingotière refroidie à fond mobile, à axe vertical alimentée à sa partie supérieure en métal liquide et de laquelle sort en continu par la partie inférieure un métal partiellement solidifié dont le refroidissement est accéléré au moyen d'une projection d'eau ruisselant à la surface du métal jusqu'à un niveau où elle est séparée de la surface métallique par un écran élastique caractérisé en ce qu'il consiste à collecter à ce niveau et sur toute la périphérie de l'écran, à la fois l'eau sous forme d'un film et tout épanchement de métal liquide, à les faire s'écouler par gravité le long d'un plan incliné, à séparer le métal du liquide de façon fractionnée et à récupérer l'eau en dehors de la fosse.

2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'épaisseur du film d'eau est inférieure à 10 mm.

3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on sépare l'eau et le métal en retenant le métal par fractions d'une masse inférieure à 10 kg.

4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que avant de récupérer l'eau on la filtre.

5. Dispositif d'application du procédé selon la revendication 1 comprenant un écran (3) élastique épousant fidèlement le contour du produit coulé (1) caractérisé en ce que la périphérie de l'écran surplombe un ensemble de gouttières (5 à 14) inclinées dont les extrémités se superposent de manière à débiter l'eau de l'une dans l'autre, sous forme de cascade, les gouttières placées en aval étant équipées de barrettes (19) placées perpendiculairement au sens d'écoulement des liquides, la gouttière inférieure surplombant un filtre (16) à garnissage.

6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les gouttières sont inclinées suivant une pente comprise entre 4 et 12 %.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est placé dans une fosse à trois parois verticales et une quatrième en plan incliné ouverte vers l'extérieur du local de coulée.

Dessins