DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT A DOUBLE JET POUR MOULE DE COULEE SEMI-CONTINUE VERTICALE

Description

Domaine de l'invention

[0001] L'invention concerne le domaine de la fabrication de demi-produits tels que les plaques de laminage et les billettes de filage en alliages d'aluminium par coulée semi-continue verticale.

[0002] Plus précisément, l'invention concerne un dispositif et un procédé de refroidissement direct, à double rangée de jets, assurant une trempe progressive et continue du produit en cours de solidification, et notamment pendant la phase de démarrage de la coulée, de façon à maîtriser et minimiser le phénomène de cambrure, et autorisant un laminage à chaud, ou filage, ultérieur sans sciage préalable du pied de coulée, et ce sans déchirures ou criques.

[0003] La lingotière peut ou non comporter, sur sa surface travaillante, un insert en graphite afin d'améliorer l'état de surface en régime permanent.

[0004] Les produits peuvent être destinés à la fabrication de toute application sous forme de tôles, bandes, profilés ou pièces de forge obtenues par extrusion,

Etat de la technique

[0005] Les plaques de laminage et les billettes de filage sont typiquement fabriquées par coulée dans un moule, ou lingotière, vertical et positionné sur une table de coulée au dessus d'une fosse ou puits de coulée.

[0006] Le moule est à section rectangulaire dans le cas des plaques ou circulaire dans le cas des billettes, à extrémités ouvertes, à l'exception de l'extrémité inférieure fermée en début de coulée par un faux fond qui se déplace en descendant grâce à un descenseur au cours de la coulée de la plaque ou billette, l'extrémité supérieure étant destinée à l'alimentation en métal.

[0007] Le moule et le faux fond définissent la cavité dans laquelle le métal est coulé.

[0008] Au démarrage du processus de coulée, le faux fond se trouve dans sa position la plus haute dans le moule. Dès que le métal est versé et refroidi, typiquement au moyen d'eau, le faux fond est descendu à une vitesse prédéterminée. Le métal solidifié s'extrait alors par la partie inférieure du moule et la plaque ou billette est ainsi formée.

[0009] Ce type de moulage dans lequel le métal extrait du moule est refroidi directement par impact d'un liquide de refroidissement est connu sous le nom de coulée semi-continue, typiquement verticale, à refroidissement direct.

[0010] En coulée semi-continue, la difficulté réside dans la réussite du passage de la vitesse nulle du début de formation du produit à la vitesse de régime permanent. Ce passage se traduit par une déformation du pied de plaque, connue de l'homme du métier sous le nom de cambrure. Si elle est trop prononcée, ce qui se produit lorsque le pied est refroidi trop violemment, la cambrure peut engendrer ce que l'homme du métier appelle des « pissures », qui peuvent parfois dégénérer en « pendaison », c'est-à-dire un coincement de la plaque dans son moule. La cambrure associée à un régime de refroidissement inadapté peut aboutir, de façon moins catastrophique, à la cassure du pied ou à des fentes dans le pied. Ces cassures ou fentes sont tout à fait nuisibles car elles peuvent se propager en régime permanent conduisant de ce fait au rebut du produit, sinon et pour le moins, elles empêchent le laminage à chaud de la plaque sans sciage du pied pour restaurer l'intégrité du produit. Enfin une cambrure qui n'entraîne aucun rebut de coulée se traduit toutefois par des variations de section du produit qui peuvent empêcher le laminage des produits sans sciage du pied.

[0011] Pour limiter la cambrure il est connu de l'homme du métier qu'il faut extraire moins de chaleur du produit pendant la phase de démarrage de la coulée qu'en régime permanent. Pour cela différentes technologies ont été développées (pulsation, injection de CO2 dans l'eau de démarrage, utilisation de lingotières en Vé et de faux-fonds galbés). Les techniques les plus performantes consistent à réduire suffisamment le débit de refroidissement au démarrage pour obtenir un régime de caléfaction stable, qui extrait beaucoup moins de chaleur que le régime d'ébullition nucléée ou le régime de ruissellement. Par ailleurs il est connu que la vitesse de cambrure est une fonction croissante de la vitesse de démarrage, ce qui conduit à démarrer la coulée à une vitesse qui est généralement inférieure à la vitesse de coulée de régime permanent. Il est donc connu de l'homme du métier que lés paramètres les plus importants sont la vitesse de remplissage et la température de coulée, une faible extraction de chaleur au début de la phase de démarrage en utilisant une quantité d'eau suffisamment faible et d'efficacité thermique adaptée en relation avec sa qualité, le choix approprié de la vitesse de démarrage en regard du débit d'eau initial, enfin le choix, en fin de phase de démarrage, de la rampe de montée en vitesse de coulée et d'accroissement du débit d'eau de refroidissement qui permettent d'atteindre les paramètres de vitesse et de refroidissement adaptés au régime permanent de coulée en garantissant la bonne santé du pied et la minimisation de sa cambrure.

[0012] Ceci peut être obtenu avec des lingotières connues sous l'appellation de « Waterhole » (moules à trous) dont l'architecture intérieure et les diamètres de trous permettent d'atteindre de très faibles débits tout en garantissant une très bonne uniformité du débit le long du moule.

[0013] Ces moules comportent soit une rangée horizontale de trous, soit deux rangées superposées.

[0014] La demande WO 2005/092540A1 et les brevets US 7,007,739 B2, US 5,518,063, US 5,582,230, et US 5,685,359, de « Wagstaff Inc. » divulguent un système d'arrosage séquentiel, d'abord avec une première rangée de trous à 22° d'incidence, qui permet d'obtenir le régime de caléfaction au démarrage, puis en lui superposant une deuxième rangée de jets issus de trous à 45° qui mettent fin à la caléfaction et assurent un refroidissement suffisant en régime permanent. La forte différenciation entre le régime à une rangée de jets à faible incidence et le régime à arrosage par les deux jets dont un à forte incidence est explicitement revendiquée par « Wagstaff Inc. ».

[0015] Chacun de ces deux systèmes (à une ou deux rangées telles que ci-dessus) présente des inconvénients :

• Les moules du type « Waterhole » à une rangée de trous permettent effectivement d'obtenir un régime de caléfaction à faible débit linéique, mais ils sont très sensibles à la qualité de l'eau. En effet, d'une part le débit linéique minimal accessible avec une seule rangée de trous n'est pas aussi faible que lorsque la moitié seulement des trous arrose le produit, comme dans les moules de « Wagstaff Inc. » commercialisés sous les noms de « Epsilon™ » ou « LHC™ » (ce dernier à insert en graphite sur les faces travaillantes). Par conséquent le point de fonctionnement de ces moules à une rangée de trous est, par construction, plus proche de la transition vers l'ébullition nucléée, soit du point dit de Leidenfrost sur la courbe de Nukiyama connue de l'homme du métier, c'est-à-dire qu'une faible variation de débit le long du moule, de température de l'eau ou de qualité de l'eau, peut aisément faire basculer le point de fonctionnement de la caléfaction vers l'ébullition nucléée. C'est pourquoi ces moules ne peuvent pas être correctement utilisés lorsque l'eau est trop froide, ou lorsque elle est sujette à des variations saisonnières de qualité.
• Les moules à refroidissement séquentiel (« Epsilon™ » et « LHC™ » de « Wagstaff Inc. ») sont, quant à eux, beaucoup moins sensibles à la qualité de l'eau, car leur point de fonctionnement est plus éloigné du point de Leidenfrost du fait du très faible débit de démarrage lorsque seulement la moitié des trous arrose le produit, qui plus est à faible incidence. Cependant cette technologie présente plusieurs inconvénients :
  • Le premier inconvénient de cette technologie, qui revendique explicitement la différenciation entre le premier et le deuxième régime d'arrosage, est le phénomène de double cambrure. En effet, une première cambrure se produit lors du démarrage avec la première rangée de jets à incidence de 22°. Mais une seconde cambrure se produit lors de l'activation des jets à 45°. Il faut savoir que le phénomène mécanique de cambrure ne s'arrête pas brusquement, mais continue à faire sentir ses effets jusque tard au cours de la coulée, soit à 1m de longueur de coulée et plus. Ce système d'arrosage séquentiel contribue à allonger significativement ce régime transitoire mécanique de cambrure. Lors du laminage à chaud ultérieur de la plaque, cela se traduit par un risque de fissuration entre la première et la deuxième cambrure et aux rebuts de laminage qui en découlent. Ainsi les moules de l'art antérieur ont ils été optimisés sur le seul critère du recouvrement à la coulée et pas sur le comportement au laminage des pieds de plaque ainsi formés.
  • Le deuxième inconvénient a trait au bombé de pied, prolongé du fait du très faible débit d'arrosage pendant la première phase de démarrage de coulée.
  • Le troisième inconvénient est l'incompatibilité de cette technologie avec la coulée d'alliages dits durs. En effet, ceux ci sont souvent caractérisés par une forte sensibilité à la crique à chaud d'une part, et par le fait que des contraintes très élevées y apparaissent rapidement lors du refroidissement. Il est impératif de limiter tous les gradients de température locaux qui peuvent se traduire par des contraintes internes localement très élevées. Or, d'une part la phase d'arrosage à très faible débit est propice à la crique à chaud, et ce pour deux raisons : le temps excessif passé par le métal de surface dans la zone dangereuse de fraction solidifiée (présence d'une fraction liquide résiduelle fragilisante) avant l'impact situé très bas des jets à 22°, et l'espacement excessif entre les jets à 22° qui créent des gradients thermiques locaux propices à l'initiation de criques, d'autre part l'application brutale d'un deuxième arrosage à forte incidence après le régime à faible incidence crée précisément les conditions d'apparition d'un gradient thermique local très élevé et des contraintes qui l'accompagnent.

Problème posé

[0016] La présente invention se propose d'apporter une solution au problème de double cambrure et de qualité du pied de plaque, sans les inconvénients qui ont été notés pour les solutions existantes, entre autres et en particulier pour les alliages durs.

[0017] Elle vise à optimiser le démarrage de la coulée non seulement sur un critère de recouvrement lors du démarrage, mais aussi sur un critère d'aptitude à la transformation ultérieure par laminage à chaud.

[0018] Elle vise également à élargir le domaine d'applicabilité à tous les types d'alliages d'aluminium.

[0019] On notera à ce titre que tous les alliages d'aluminium dont il est question dans ce qui suit sont désignés, sauf mention contraire, selon les désignations définies par l' « Aluminum Association » dans les « Registration Record Series » qu'elle publie régulièrement.

Objet de l'invention

[0020] L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'un moule de coulée semi continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3), constitué de deux rangées de trous, disposées sur l'ensemble du périmètre interne de la cavité du moule, dans sa partie inférieure de sortie de la plaque ou billette (3), chacune des rangées de trous étant située à proximité d'un plan perpendiculaire à l'axe vertical dudit moule, caractérisé en ce que :

a) Les deux rangées de trous sont reliées à une seule et même chambre de liquide de refroidissement (2) aménagée dans le corps dudit moule,

b) La première rangée desdits trous, soit la plus haute dans le moule vertical, ou encore la plus en amont pour ce qui est de la distribution du liquide, est reliée à ladite chambre (2) au moyen de canaux permettant la projection (4) dudit liquide de refroidissement sur ladite plaque ou billette (3) avec un angle d'incidence de 32 +13/-5, et de préférence ± 5, degrés par rapport à l'axe vertical du moule,

c) La deuxième rangée desdits trous, soit la plus basse dans le moule vertical, ou encore la plus en aval pour ce qui est de la distribution du liquide, est reliée à ladite chambre (2) au moyen de canaux permettant la projection (5) dudit liquide de refroidissement sur ladite plaque ou billette (3) avec un angle d'incidence de 22 ± 5 degrés par rapport à l'axe vertical du moule,

d) Les trous de la deuxième rangée, la plus basse ou encore en aval pour ce qui est de la distribution du liquide, sont disposés sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre deux trous de la première rangée, soit la plus haute ou la plus en amont, relativement à l'axe vertical du moule.

[0021] Selon un mode de réalisation préférée, les deux rangées de trous et lesdits canaux sont organisés par rapport à la chambre de liquide de refroidissement (2) pour pouvoir distribuer simultanément ledit liquide avec des débits et des vitesses sensiblement égaux sur les deux rangées de trous, tant pendant la phase de démarrage que pendant le régime permanent de la coulée. Ceci est obtenu en utilisant des trous de diamètre sensiblement égaux sur une même rangée et entre les deux rangées.

[0022] De préférence, les deux rangées de trous dudit dispositif de refroidissement sont disposées l'une par rapport à l'autre de façon à produire des jets (4 et 5) qui, s'ils sont tendus, forment, à tout instant de la coulée, tant pendant le démarrage que pendant le régime permanent, des impacts sur la surface sensiblement verticale contenant la face travaillante du moule, espacés l'un de l'autre d'une distance comprise entre 10 et 40 mm selon la direction verticale.

[0023] Encore préférentiellement, le diamètre de chacun desdits trous de chaque rangée est de 3 ± 1 mm.

[0024] Avantageusement, l'espacement entre deux trous adjacents sur une même rangée est compris entre 10 et 30 mm.

[0025] L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement tel que décrit auparavant pour la coulée semi-continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3), et tel que le débit total d'eau de refroidissement pour l'ensemble des trous des deux rangées, soit le débit quittant la chambre de liquide de refroidissement (2), est compris entre 0.3 et 0.8 l/min par cm linéaire de périmètre de moule, au début de la phase transitoire de démarrage de la coulée, phase pendant laquelle le débit de liquide de refroidissement et la vitesse de coulée n'ont pas atteint leur valeur de régime permanent telle que décrite au paragraphe « État de la technique », puis est porté au débit voulu pour le régime permanent de coulée typiquement de 1 l/cm/mi ou plus.

[0026] Plus préférentiellement, ledit débit d'eau au début de la phase transitoire de démarrage de la coulée est compris entre 0.4 et 0.6 l/cm/min.

[0027] De manière avantageuse, le liquide de refroidissement est amené simultanément sur l'ensemble des trous des deux rangées pendant la phase de démarrage de la coulée, de telle sorte que le phénomène de cambrure se produit de manière progressive, répartie et continue, tout en étant minimisé du fait du débit dudit liquide.

[0028] Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement pour la coulée semi-continue verticale de plaques de laminage (3) utilise un moule de coulée muni d'un faux fond plat dont les rebords sont compris dans un plan sensiblement horizontal.

[0029] Selon un mode de réalisation encore plus avantageux, il utilise un moule de coulée muni d'un faux fond galbé, ou encore un moule de coulée muni d'un faux fond plat avec rebord incurvé, de manière, dans les deux cas, à ce que le milieu des faces du produit soit soumis, pendant la phase de démarrage de la coulée, au refroidissement direct par le liquide de refroidissement avant que les régions de la face de laminage les plus éloignées du milieu de face ne soient encore sorties du moule.

[0030] Enfin, ledit procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement pour la coulée semi-continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3) peut utiliser un moule de coulée muni, sur sa surface travaillante, d'un insert en graphite (1).

Description des figures

[0031] La figure 1 représente la longueur de caléfaction en millimètres, obtenue dans le cas de l'exemple 1, en fonction du débit linéique initial de démarrage de la coulée, en l/cm de périmètre de moule et par minute, pour trois types de moules de même format 2600 x 350 mm:

Un moule à une seule rangée de trous à incidence de jet de 30° (repéré 30, symboles carrés),

Un moule à deux rangées de trous à incidences respectivement de 45 et 22° activés simultanément (repéré 45/22, symboles circulaires)

Un moule à deux rangées de trous à incidences respectivement de 32 et 22°, selon l'invention (repéré 32/22, astérisques).

[0032] La figure 2 représente la variation de la température de surface des plaques de l'exemple 1, mesurée sensiblement à mi-largeur en sortie du moule, en °C, en fonction du même débit et pour les mêmes moules repérés de la même façon que précédemment.
On y distingue trois zones : la zone I sans caléfaction, la zone II à caléfaction stable et bonne santé du pied de coulée, la zone III avec caléfaction mais fissuration à chaud du pied.

[0033] La figure 3 représente l'évolution de la cambrure, obtenue dans le cas de l'exemple 1, en millimètres, en fonction du débit linéique initial de démarrage de la coulée, en l/cm linéaire de périmètre de moule et par minute, pour trois types de moules identiques aux précédents et repérés de la même façon.

[0034] La figure 4 représente la taille des cellules de solidification, en µm, en fonction de la distance à la peau de coulée, en mm, obtenues en régime permanent sur une plaque de l'exemple 2. Les symboles en astérisque sont relatifs au moule à deux rangées de trous d'incidences 32° et 22° et à insert graphite, selon l'invention, les symboles en cercle à un moule LHC™ de « Wagstaff » à deux rangées de trous d'incidences 45° et 22°.

[0035] La figure 5 représente les formes typiques de bandes obtenues par laminage à chaud d'un pied de plaque (seule une demi-largeur est dessinée), à gauche à partir d'une plaque coulée avec un moule selon l'invention, à droite avec un moule LHC™ de « Wagstaff » 45/22 à refroidissement séquentiel pendant la phase de démarrage de constitution du pied.

[0036] La figure 6 représente une vue en coupe d'un moule selon l'invention, muni d'un insert en graphite 1 sur la face travaillante, son unique chambre à eau en 2, la plaque coulée 3 étant représentée à l'extrémité gauche inférieure de la coupe, en grisé uniforme, avec les deux faisceaux incidents à 32 et 22° de liquide de refroidissement, respectivement 4 et 5.
Dans ce mode de réalisation, la chambre comporte une cloison ou diaphragme 6, muni(e) d'au moins un orifice 7 de façon à régulariser le débit de liquide délivré.

Description de l'invention

[0037] Pour que le produit soit tout d'abord arrosé par un débit très faible, on utilise le système de deux rangées de jets.

[0038] Mais la demanderesse a constaté qu'il suffit de diviser le débit entre deux rangées de jets activées simultanément pour obtenir l'effet de caléfaction souhaité. Point n'est besoin d'une activation séquentielle des deux rangées de jets (4 et 5). Elles sont donc activées simultanément afin d'éviter l'inconvénient noté pour l'arrosage séquentiel, à savoir un phénomène trop marqué de double cambrure et la prolongation exagérée du régime mécanique transitoire de démarrage qui donne naissance à un bombé de pied prolongé.

[0039] L'angle d'incidence des jets est un paramètre essentiel de l'invention.

[0040] L'incidence de la première rangée de jets qui arrose le produit est la plus directe. Or la demanderesse a constaté que plus cette incidence est directe, moins le domaine de débits dans lequel la caléfaction est stable est étendu. La première rangée de jets (4) qui arrose le produit doit donc avoir une incidence de l'ordre de 32 +13 -5, et de préférence 32 ± 5°, pour permettre l'établissement d'un régime stable de caléfaction. La deuxième rangée de jets (5) doit donc avoir une incidence encore plus faible, et telle que la distance d'impact entre les deux rangées de jets soit suffisante pour que le régime de caléfaction ait le temps de s'établir. Deux rangées de jets trop proches sont en fait équivalentes à une rangée unique de jets. Typiquement la deuxième rangée de jets (5) a une incidence de l'ordre de 22 ± 5° de façon à ce que la distance verticale entre les impacts des jets issus de chacune des deux rangées soit comprise entre 10 et 40 mm.

[0041] Ainsi obtient-on un effet de trempe progressive spatialement avec un refroidissement modéré, obtenu par une première rangée, puis par une deuxième rangée de jets une vingtaine de millimètres plus bas. La progressivité spatiale de la trempe peut être améliorée dans le sens latéral par l'utilisation de faux fonds galbés ou à rebords incurvés.

[0042] Mais l'invention consiste aussi à obtenir un effet de trempe progressive temporellement, grâce à une augmentation progressive et simultanée du débit d'eau sur les deux rangées de jets, qui permet d'éviter le phénomène particulièrement marqué de double cambrure inhérent à la technologie de jets séquentiels.

[0043] Cela permet également de guérir les points de faiblesse vis-à-vis de la crique à chaud qui sont situés entre les jets de la première rangée du fait de leur espacement. Ces points chauds sont rapidement refroidis par la deuxième série de jets à faible incidence, disposés sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre les jets de la première rangée, ce qui permet une trempe progressive de la surface du métal.

[0044] La demanderesse a constaté que l'utilisation de rangées de jets d'incidence 32° et 22° permettait d'obtenir un régime de caléfaction stable pour des eaux froides (jusqu'à 10°C) et pour des débits linéiques significativement plus élevés (jusqu'à 0.6 l/cm/min) que pour les technologies existantes. Le régime de démarrage obtenu est ainsi extrêmement robuste, garantissant un taux de recouvrement proche de 100 % à la coulée. Il a de plus été montré lors du laminage à chaud de plaques non sciées l'absence complète de criques en extrémité et en rives, grâce à l'intégrité de la semelle et à l'absence de perturbation de la section liée à un phénomène exagéré de double cambrure.

[0045] La demanderesse a de plus constaté que, lors de la coulée d'alliages durs, les fentes de surface en régime permanent, observées dans le cas d'un moule à simple rangée de jets, sont éliminées avec un moule à deux rangées de jets à 32° et 22° d'incidence. Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après, qui n'ont toutefois pas de caractère limitatif.

Exemples

Exemple 1

[0046] Des plaques de laminage au format 2600 mm x 350 mm en alliage du type AA7449 ont été coulées avec des moules à trous pour refroidissement par eau (« Waterhole ») de différents types :

Un moule à une seule rangée horizontale de trous de diamètre 3.2 mm espacés entre eux de 6 mm, avec une incidence de jet d'eau de refroidissement sur la plaque en sortie de moule de 30° par rapport à l'axe vertical. Des débits linéiques d'eau de refroidissement, au démarrage de la coulée, de 0.45 à 0.51 1 par cm linéaire de périmètre de moule /min. ont été testés. Le débit a ensuite été accru pour atteindre 1 l/cm/min. en régime permanent.

[0047] Un moule à deux rangées de trous horizontales superposées, activées simultanément, tous les trous ayant un diamètre de 3.2 mm et étant espacés entre eux sur chaque rangée de 12 mm, et tel que les impacts des jets issus de ces deux rangées soient distants les uns des autres selon l'axe vertical de 18 mm, chacun des trous de la rangée inférieure étant disposé sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre deux trous de la rangée supérieure.
L'incidence, ici simultanée, des jets d'eau de refroidissement sur la plaque en sortie de moule, était de 45° et 22° par rapport à l'axe vertical.
Des débits linéiques totaux (soit pour l'ensemble des trous des deux rangées) d'eau de refroidissement, au démarrage de la coulée, de 0.55 à 0.60 1 par cm linéaire de périmètre de moule /min. ont été testés. Le débit a ensuite été accru pour atteindre 1 l/cm/min. en régime permanent.

[0048] Un moule selon l'invention, à deux rangées de trous horizontales superposées, tous les trous ayant un diamètre de 3.2 mm et étant espacés entre eux sur chaque rangée de 12 mm, chacun des trous de la rangée inférieure étant disposé sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre deux trous de la rangée supérieure.

[0049] Les incidences des jets d'eau de refroidissement, activés simultanément, sur la plaque en sortie de moule étaient de 32° et 22° par rapport à l'axe vertical créant des impacts séparés verticalement d'une distance de 18 mm.

[0050] Des débits linéiques totaux (soit pour l'ensemble des trous des deux rangées) d'eau de refroidissement, au démarrage de la coulée, de 0.45 à 0.60 l par cm linéaire de périmètre de moule /min. ont été testés. Le débit a ensuite été accru pour atteindre 1 l/cm/min. en régime permanent.

[0051] La température de l'eau de refroidissement était de 15 ± 2°C dans les trois cas.

[0052] On a mesuré dans tous les cas la longueur de caléfaction en sortie de moule par la méthode connue sous le nom de « ISTM » (« Ingot Surface Temperature Measurement ») qui consiste à mesurer la température de surface de la plaque en piquant un thermocouple de contact sur ladite surface sous l'impact du jet inférieur de refroidissement, à enregistrer la température au cours d'une descente de 5 mm de la plaque, puis à renouveler l'opération tout au long de la phase transitoire de démarrage de la coulée.

[0053] La courbe de température en fonction de la longueur de plaque coulée présente un palier à partir de l'origine dont la fin relativement brutale correspond à la fin de la caléfaction pour une longueur correspondant à la « longueur de caléfaction » reportée en ordonnée en figure 1 en fonction du débit linéique de démarrage.

[0054] On note que la caléfaction n'est obtenue, pour un moule à simple rangée de jets à incidence de 30° (repère 30), que pour un débit linéique de démarrage inférieur ou égal à 0.45 l/cm/min. Dans le cas des moules à double rangée de jets (repéré 45/22 et selon l'invention repéré 32/22) celle-ci peut être obtenue pour des débits linéiques de démarrage jusqu'à 0.6 l/cm/min.

[0055] Ainsi, pour une température d'eau donnée, les moules à double rangée de jets (activés simultanément) permettent d'obtenir une caléfaction stable pour des débits de démarrage plus élevés qu'un moule à simple rangée de jets. Il n'y a pas d'influence significative des angles d'incidence sur la longueur coulée affectée par la caléfaction au démarrage.

[0056] On a également mesuré la température de surface des plaques, sensiblement à mi largeur en sortie de moule, par la méthode connue sous le nom de « ISTM » déjà mentionnée.

[0057] Sa valeur est reportée en ordonnée, toujours en fonction du débit linéique de démarrage et pour les même moules que ci-dessus, en figure 2, où l'on distingue trois zones : la zone I sans caléfaction, la zone II à caléfaction stable et bonne santé du pied de coulée, la zone III avec caléfaction mais fissuration à chaud du pied.

[0058] On note que cette température est beaucoup plus stable en fonction du débit d'eau dans le cas du moule à double rangée de jets d'incidences 32° et 22° activés simultanément, selon l'invention (repère 32/22), que dans celui du moule à double rangée de jets d'incidences 45° et 22° activés simultanément (repéré 45/22) qui donne lieu à fissuration à chaud du pied à faible débit (0.55 l/cm/min.), ce qui réduit la plage de fonctionnement à un domaine très restreint, et, dans le cas du moule à simple rangée de jets à 30°, qui ne permet pas d'obtenir de caléfaction stable pour des débits d'eau strictement supérieurs à 0.451/cm/min à cette température d'eau. Cette forte sensibilité de la température de surface du produit au débit linéique de démarrage est attribuée par la demanderesse respectivement à la déstabilisation du film de caléfaction par les jets à 45° et au manque de progressivité du refroidissement dans le cas du moule à simple rangée de jets à 30°.

[0059] Ainsi la configuration des moules de l'art antérieur, à double rangée de jets d'incidences 45° et 22° (repère 45/22) est inadaptée à la coulée d'alliages durs, même en l'absence de séquencement des jets.

[0060] En comparaison le moule selon l'invention (repère 32/22) peut être utilisé pour des débits linéiques entre 0.4 et 0.6 l/cm/min, ce qui est particulièrement avantageux car cette large plage de débits permet notamment de compenser une variation éventuelle de température de l'eau.

[0061] En résumé, le moule selon l'invention permet d'obtenir une caléfaction stable dans le domaine de températures de surface de produit optimales et dans un large intervalle de débits de démarrage, ce que ne permettent pas les autres types de moule de l'art antérieur.

[0062] Enfin, on a mesuré et enregistré la cambrure obtenue sur la plaque à l'aide d'une « caméra vidéo ». Sa valeur, soit la longueur dont se soulève le bord de la plaque, est reportée en ordonnée en figure 3, toujours en fonction du débit linéique de démarrage et pour les mêmes moules que précédemment.

[0063] On y relève que la cambrure obtenue avec le moule selon l'invention (repère 32/22) est significativement plus faible que celle obtenue avec les autres moules pour des débits de démarrage inférieurs à 0.6 l/cm/min, ce qui montre l'intérêt de la trempe progressive obtenue avec cette technologie d'arrosage à deux jets simultanés à incidences optimisées.

Exemple 2

[0064] Des plaques de laminage au format 1810 mm x 510 mm en alliage du type AA3104 ont été coulées à la vitesse de 55 mm/min. avec des moules de deux types :

Un moule selon l'invention, à deux rangées de trous horizontales superposées, activées simultanément (incidences 32 et 22°), tous les trous ayant un diamètre de 3.2 mm et étant espacés entre eux sur chaque rangée de 12 mm, et générant des impacts sur le produit distants verticalement d'environ 18mm, chacun des trous de la rangée inférieure étant disposé sur la médiatrice de l'intervalle entre deux trous de la rangée supérieure.

Le moule était muni d'un insert en graphite sur toutes ses surfaces travaillantes.

[0065] Un moule LHC™ de « Wagstaff », dont les impacts des jets étaient également distants verticalement de 18 mm.
La température de l'eau de refroidissement était de 15 ± 2°C.

[0066] On a mesuré, dans la partie de la plaque correspondant au régime permanent de coulée, la taille des cellules de solidification à l'aide de l'algorithme d'analyse d'images p*, à différentes distances de la peau de coulée.

[0067] Cet algorithme p* est parfaitement décrit dans les publications de Ph. Jarry, M. Boehm et S. Antoine, « Quantification of spatial distribution of as-cast microstructural features. », Light Metals 2001, New Orleans, TMS. Proceedings edités par J.L. Anjier, ainsi que de Ph. Jarry et A. Johansen, « Characterisation by the p* method of eutectic aggregates spatial distribution in 5xxx and 3xxx aluminium alloys cast in wedge moulds and comparison with sdas measurements. », Solidification of Aluminum Alloys Symposium, Light Metals 2004, Charlotte, TMS. Proceedings édités par Men G. Chu, Douglas A. Granger et Qingyou Han.

[0068] Les résultats sont rapportés en figure 4, présentant la taille des cellules de solidification, en µm, en fonction de la distance à la peau de coulée, en mm, les symboles en astérisque étant relatifs au moule selon l'invention, les symboles en cercle au moule LHC du type « Wagstaff ».

[0069] On y constate que le moule selon l'invention permet d'obtenir une structure de coulée, en périphérie de plaque, présentant des tailles de cellule comparables (à 2 µm près) à celles obtenues avec le moule LHC™, et une épaisseur de zone corticale semblable, inférieure à 10 mm. La réponse métallurgique obtenue est donc sensiblement identique à celle que permet le moule LHC™.

Exemple 3

[0070] Des plaques de laminage aux formats 1670 mm x 610 mm et 1810 mm x 510 mm, en alliage du type AA5182, ont été coulées avec les mêmes configurations de moules que pour l'exemple 2.
Les plaques ont ensuite été laminées à chaud sans sciage des pieds de coulée.

[0071] Les formes typiques des bandes obtenues sont représentées en demi-largeur en figure 5, à gauche dans le cas de la plaque coulée avec un moule selon l'invention (refroidissement par arrosage à deux jets simultanés à incidences optimisées 32°/22° et insert en graphite sur toutes les faces travaillantes), à droite avec un moule LHC™ de « Wagstaff Inc.» utilisé au démarrage avec un refroidissement séquentiel à 22 puis 45°.

[0072] On y observe que des criques de rives se sont produites dans ce dernier cas en raison des variations de section du produit liées aux deux cambrures générées, pour la première, par la première séquence d'arrosage à 22° d'incidence et, pour la deuxième, par la superposition de la deuxième séquence à 45° d'incidence. La plaque produite par le moule selon l'invention présente une cambrure simple et répartie qui ne génère de ce fait aucune crique lors du laminage à chaud.

Revendications

1. Dispositif de refroidissement d'un moule de coulée semi-continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3), constitué de deux rangées de trous, disposées sur l'ensemble du périmètre interne de la cavité du moule, dans sa partie inférieure de sortie de la plaque ou billette, chacune des rangées de trous étant située à proximité d'un plan perpendiculaire à l'axe vertical dudit moule, caractérisé en ce que :

a) Les deux rangées de trous sont reliées à une seule et même chambre de liquide de refroidissement (2) aménagée dans le corps dudit moule,

b) La première rangée desdits trous, soit la plus haute dans le moule vertical, ou encore la plus en amont pour ce qui est de la distribution du liquide, est reliée à ladite chambre (2) au moyen de canaux permettant la projection (4) dudit liquide de refroidissement sur ladite plaque ou billette (3) avec un angle d'incidence de 32 ± 5, degrés par rapport à l'axe vertical du moule,

c) La deuxième rangée desdits trous, soit la plus basse dans le moule vertical, ou encore la plus en aval pour ce qui est de la distribution du liquide, est reliée à ladite chambre (2) au moyen de canaux permettant la projection (5) dudit liquide de refroidissement sur ladite plaque ou billette (3) avec un angle d'incidence de 22 ± 5 degrés par rapport à l'axe vertical du moule,

d) Les trous de la deuxième rangée, la plus basse ou encore en aval pour ce qui est de la distribution du liquide, sont disposés sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre deux trous de la première rangée, soit la plus haute ou la plus en amont, relativement à l'axe vertical du moule.

2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les diamètres des trous sont sensiblement égaux, sur une même rangée et entre deux rangées, pour pouvoir distribuer simultanément ledit liquide avec des débits et des vitesses sensiblement égaux sur les deux rangées de trous, tant pendant la phase de démarrage que pendant le régime permanent de la coulée.

3. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les deux rangées de trous sont disposées l'une par rapport à l'autre de façon à produire des jets (4 et 5) qui, s'ils sont tendus, forment, à tout instant de la coulée, tant pendant le démarrage que pendant le régime permanent, des impacts sur la surface sensiblement verticale contenant la face travaillante du moule, espacés les uns des autres d'une distance comprise entre 10 et 40 mm selon la direction verticale.

4. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le diamètre de chacun desdits trous de chaque rangée est de 3 ± 1 mm.

5. Dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'espacement entre deux trous adjacents sur une même rangée est compris entre 10 et 30 mm.

6. Procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 5 pour la coulée semi-continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3), caractérisé en ce que le débit total d'eau de refroidissement pour l'ensemble des trous des deux rangées, soit le débit quittant la chambre de liquide de refroidissement (2), est compris entre 0.3 et 0.8 l/min par cm linéaire de périmètre de moule, au début de la phase transitoire de démarrage de la coulée, c'est-à-dire la phase pendant laquelle le débit de liquide de refroidissement et la vitesse de coulée n'ont pas atteint leur valeur de régime permanent, puis est porté au débit voulu pour le régime permanent de coulée.

7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que ledit débit d'eau au début de la phase transitoire de démarrage de la coulée est compris entre 0.4 et 0.6 l/cm/min.

8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que le liquide de refroidissement est amené simultanément sur l'ensemble des trous des deux rangées pendant la phase de démarrage de la coulée.

9. Procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 6 à 8, pour la coulée semi-continue verticale de plaques de laminage (3), caractérisé en ce qu'il utilise un moule de coulée muni d'un faux fond plat dont les rebords sont compris dans un plan sensiblement horizontal.

10. Procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 6 à 8, pour la coulée semi-continue verticale de plaques de laminage (3), caractérisé en ce qu'il utilise un moule de coulée muni d'un faux fond galbé, de manière à ce que le milieu des faces du produit soit soumis, pendant la phase de démarrage de la coulée, au refroidissement direct par le liquide de refroidissement avant que les régions de la face de laminage les plus éloignées du milieu de face ne soient encore sorties du moule.

11. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, pour la coulée semi-continue verticale de plaques de laminage (3), caractérisé en ce qu'il utilise un moule de coulée muni d'un faux fond plat avec rebord incurvé, de manière à ce que le milieu des faces du produit soit soumis, pendant la phase de démarrage de la coulée, au refroidissement direct par le liquide de refroidissement avant que les régions de la face de laminage les plus éloignées du milieu de face ne soient encore sorties du moule.

12. Procédé de mise en oeuvre dudit dispositif de refroidissement pour la coulée semi-continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3) selon l'une des revendications 6 à 11 caractérisé en ce qu'il utilise un moule de coulée muni, sur sa surface travaillante, d'un insert en graphite (1).

Ansprüche

1. Abkühlvorrichtung einer Form für den semikontinuierlichen vertikalen Strangguss mit direkter Abkühlung von Walzbarren oder Pressbarren (3), bestehend aus zwei Lochreihen, welche um den gesamten inneren Umfang des Hohlraums der Form in deren unterem Abschnitt des Barrenaustritts angeordnet sind, wobei jede der Lochreihen in der Nähe einer senkrechten Ebene zur vertikalen Achse der besagten Form liegt, dadurch gekennzeichnet, dass:

a) die zwei Lochreihen mit ein und derselben Kühlflüssigkeitskammer (2) verbunden sind, welche im Körper der besagten Form ausgestaltet ist,

b) die erste der besagten Lochreihen, das heißt die oberste in der vertikalen Form oder auch die stromaufwärtigste, was die Flüssigkeitsverteilung betrifft, mit besagter Kammer (2) mittels Kanälen verbunden ist, welche das Aufspritzen (4) der besagten Kühlflüssigkeit auf den besagten Barren (3) mit einem Auftreffwinkel von 32 ± 5 Grad in Bezug auf die vertikale Achse der Form gestattet,

c) die zweite der besagten Lochreihen, das heißt die unterste in der vertikalen Form oder auch die stromabwärtigste, was die Flüssigkeitsverteilung betrifft, mit besagter Kammer (2) mittels Kanälen verbunden ist, welche das Aufspritzen (5) der besagten Kühlflüssigkeit auf den besagten Barren (3) mit einem Auftreffwinkel von 22 ± 5 Grad in Bezug auf die vertikale Achse der Form gestattet,

d) die Löcher der zweiten, untersten oder auch was die Flüssigkeitsverteilung betrifft stromabwärtigsten Reihe, im Wesentlichen auf der Mittelsenkrechten des Abstands zwischen zwei Löchern der ersten, das heißt obersten oder auch stromaufwärtigsten Reihe relativ zur vertikalen Achse der Form angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser der Löcher innerhalb einer selben Reihe und zwischen zwei Reihen im Wesentlichen gleich sind, um besagte Flüssigkeit sowohl während der Anlaufphase als auch während des permanenten Gussbetriebs gleichzeitig mit im Wesentlichen gleichen Durchsätzen und Geschwindigkeiten auf die zwei Lochreihen verteilen zu können.

3. Abkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Lochreihen derart zueinander angeordnet sind, dass Strahlen (4 und 5) gebildet werden die, wenn sie unter Spannung stehen, zu jedem Zeitpunkt des Gusses, sowohl während des Anlaufens als auch während des permanenten Betriebs, in einem Abstand von zwischen 10 und 40 mm in vertikaler Richtung zueinander auf die im wesentlichen vertikale Fläche auftreffen, welche die Arbeitsfläche der Form enthält.

4. Abkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser jedes der besagten Löcher jeder Reihe 3 ± 1 mm beträgt.

5. Abkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Löchern innerhalb einer selben Reihe zwischen 10 und 30 mm beträgt.

6. Verfahren zum Betreiben der besagten Abkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für den semikontinuierlichen vertikalen Strangguss mit direkter Abkühlung von Walzbarren oder Pressbarren (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamt-Kühlwasserdurchsatz für alle Löcher der zwei Reihen, das heißt der Durchsatz, welcher die Kühlflüssigkeitskammer (2) verlässt, zu Beginn der Übergangsphase des Anlaufens des Gusses, das heißt der Phase, während der der Kühlflüssigkeits-Durchsatz und die Gussgeschwindigkeit ihren Wert des permanenten Betriebs noch nicht erreicht haben, zwischen 0,3 und 0,8 l/min pro laufendem Zentimeter des Formumfangs beträgt, und danach auf den für den permanenten Gussbetrieb gewünschten Durchsatz gebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Wasserdurchsatz zu Beginn der Übergangsphase des Anlaufens des Gusses zwischen 0,4 und 0,6 l/cm/min beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit während der Anlaufphase des Gusses allen Löchern der zwei Reihen gleichzeitig zugeführt wird.

9. Verfahren zum Betreiben der besagten Abkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 für den semikontinuierlichen vertikalen Strangguss von Walzbarren (3), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gussform verwendet, welche mit einem flachen falschen Boden ausgestattet ist, dessen Ränder in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene umfasst sind.

10. Verfahren zum Betreiben der besagten Abkühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 für den semikontinuierlichen vertikalen Strangguss von Walzbarren (3), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gussform verwendet, welche mit einem gewölbten falschen Boden ausgestattet ist, sodass die Mitte der Flächen des Produkts während der Anlaufphase des Gusses der direkten Abkühlung durch die Kühlflüssigkeit unterliegen, noch bevor die am weitesten von der Mitte der Fläche entfernten Regionen der Walzfläche aus der Form ausgetreten sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 für den semikontinuierlichen vertikalen Strangguss von Walzbarren (3), dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gussform verwendet, welche mit einem flachen falschen Boden mit gekrümmtem Rand ausgestattet ist, sodass die Mitte der Flächen des Produkts während der Anlaufphase des Gusses der direkten Abkühlung durch die Kühlflüssigkeit unterliegen, noch bevor die am weitesten von der Mitte der Fläche entfernten Regionen der Walzfläche aus der Form ausgetreten sind.

12. Verfahren zum Betreiben der besagten Abkühlvorrichtung für den semikontinuierlichen vertikalen Strangguss mit direkter Abkühlung von Walzbarren oder Pressbarren (3) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gussform verwendet, welche an ihrer Arbeitsfläche mit einer Graphiteinlage (1) ausgestattet ist.

Claims

1. Cooling device for cooling a vertical semicontinuous casting mould for direct cooling of rolling ingots or extrusion billets (3), consisting of two rows of holes, disposed on the whole of the internal perimeter of the mould cavity, in its bottom part where the ingot or billet emerges, each of the rows of holes being situated in the vicinity of a plane perpendicular to the vertical axis of said mould, characterised in that:

a) the two rows of holes are connected to a single cooling-liquid chamber (2) provided in the body of said mould,

b) the first row of said holes, either the highest in the vertical mould or the most upstream with regard to the distribution of liquid, is connected to said chamber (2) by means of channels for dispensing jets of cooling liquid(4) onto said ingot or billet (3) with an angle of incidence of 32 degrees ± 5 degrees with respect to the vertical axis of the mould,

c) the second row of said holes, either the lowest in the vertical mould or the most downstream with regard to the distribution of the liquid, is connected to said chamber (2) by means of channels for dispensing jets of cooling liquid (5) onto said ingot or billet (3) with an angle of incidence of 22 degrees ± 5 degrees with respect to the vertical axis of the mould,

d) the holes in the second row, the lowest or the most downstream with regard to the dispensing of the liquid, are disposed substantially on the bisection of the gap between two holes in the first row, either the highest or the furthest upstream, in relation to the vertical axis of the mould.

2. Cooling device according to claim 1, characterised in that the diameters of the holes are substantially equal, on the same row or between two rows, in order to be able to simultaneously distribute said liquid at substantially equal flow rates and speeds on the two rows of holes, both during the start-up phase and during the continuous casting.

3. Cooling device according to either claim 1 or claim 2, characterised in that the two rows of holes are disposed with respect to each other so as to produce jets (4 and 5) which, if they are straight, form, at any moment in the casting, both during start-up and during continuous casting, impacts on the substantially vertical surface containing the working face of the mould, spaced apart from one another by a distance of between 10 and 40 mm in the vertical direction.

4. Cooling device according to any of claims 1 to 3, characterised in that the diameter of each of said holes in each row is 3 ± 1 mm.

5. Cooling device according to any of claims 1 to 4, characterised in that the spacing between two adjacent holes on the same row is between 10 and 30 mm.

6. Method for using the cooling device according to any of claims 1 to 5 for the vertical semicontinuous casting with direct cooling of rolling ingots or extrusion billets (3), characterised in that the total flow rate of cooling water for all the holes in the two rows, that is to say the flow rate leaving the cooling-liquid chamber (2), is between 0.3 and 0.8 litres/minute per linear cm of mould perimeter, at the start of the transient casting start-up phase, that is to say the phase during which the flow rate of cooling liquid and the speed of casting have not reached their steady state, and is then raised to the required flow rate for the permanent casting regime.

7. Method according to claim 6, characterised in that said flow rate of water at the start of transient casting start-up phase is between 0.4 and 0.6 litres/cm/minute.

8. Method according to one of claims 6 or 7, characterised in that the cooling liquid is brought simultaneously to all the holes in the two rows during the casting start-up phase.

9. Method for using the cooling device according to one of claims 6 to 8, for the vertical semicontinuous casting of rolling ingots (3), characterised in that a slab casting mould is used provided with a flat bottom block, the edges of which lie in a substantially horizontal plane.

10. Method for using said cooling device according to one of claims 6 to 8, for the vertical semicontinuous casting of rolling ingots (3), characterised in that it uses a slab casting mould provided with a curved bottom block, so that the middle of the faces of the product is subjected, during the casting start-up phase, to direct cooling by the cooling liquid before the regions of the rolling face furthest away from the face middle have not yet left the mould.

11. Method according to one of claims 6 to 8, for the vertical semicontinuous casting of rolling ingots (3), characterised in that it uses a slab casting mould provided with a flat bottom block with a curved edge, so that the middle of the faces of the product is subjected, during the casting start-up phase, to direct cooling by the cooling liquid before the regions of the rolling face furthest away from the face middle have not yet left the mould.

12. Method for using said cooling device for the vertical semicontinuous casting with direct cooling of rolling ingots or extrusion billets (3) according to one of claims 6 to 11, characterised in that it uses a slab casting mould provided, on its working surface, with a graphite insert (1).

Dessins