Brevet FR2086106A1 — publié le 19711231

La présente invention est relative à un procédé et à une installation pour l'extraction continue sous forme de billettes, barres ou autres profils, de préférence de faible section, de métaux refondus sous laitier électro-conduc-teur au moyen d'électrodes consommables ou no® consommables. Il est connu d'effectuer la refusion de métaux dans une lingotiêre refroidie, ouverte aux deux extrémités, dans laquelle le métal se solidifie et d'où le lingot de section sensiblement identique à celle de la lingotiêre peut être extrait continuellement vers le bas à une vitesse correspondant à la capacité de refusion. Cette méthode ne se prête toutefois pas à la production de produits de faible section par suite de la capacité de production extrêmement limitée d'une installation dont la lingotiêre posséderait une section réduite identique à celle du profil à produire. C'est pourquoi on emploie une variante de lingotiêres sans fond dont la partie supérieure, contenant le bain de laitier, a une section large afin de permettre une grande capacité de refusion. La partie inférieure de la lingotiêre dans laquelle doit avoir lieu la solidification, est par contre de section plus réduite, de sorte qu'il est possible de produire des profils de section relativement réduite en quantités notablement accrues. La partie intermédiaire de la lingotiêre, constituant la zone de transition entre les deux parties de section différente, est occupée par le bain du métal refondu encore complètement liquide. La refusion dans de telles installations de produits de faible section quoique plus rationnelle, est néanmoins entachée de certains inconvénients majeurs. Ainsi, les lingotieres de refusion et de solidification étant d'une seule pièce, elles ne permettent chacune que la production d'un profil bien déterminé, ce qui requiert la présence d'un stock important de lingotiêres différentes, pour un programme de fabrication varié. En outre, il faut contrôler la solidification dans un espace déterminé assez restreint et éviter que l'extraction ne soit entravée par une solidification prématurée du métal dans l'étranglement de la lingotiêre, ce qui pose le problême d'ion refroidissement a-déquat de la lingotiêre. Finalement le coefficient de réduction de la section de la lingotiêre doit rester assez limité sous peine de supprimer les avantages de la solidification ralentie et dirigée par une vitesse de coulée trop importante, de sorte que la capacité de production de profils de faible section reste, somme toute, elle aussi encore limitée, elle n'est en tous cas nullement en rapport avec les capacités de refusion maximales actuellement réalisables. La présente invention a en conséquence pour objet un procédé qui permet de pratiquer l'extraction continue de métaux refondus sous forme de 71 12883 2 2086106 profils quelconques avec solidification ralentie et dirigée, ainsi qu'un équipement adéquat permettant la fabrication en continu de ces profils, en quantités notablement accrues. Selon 11 invention, on effectue les opérations de refusion et de 5 décantation d'un métal, ainsi que de solidification et d'extraction de façon consécutive et indépendante l'une de l'autre dans une installation subdivisée en autant d'enceintes intercommunicantes mais fonctionnellement indépendantes et interchangeables, et on évacue le métal refondu en fonction de la vitesse d'extraction vers au moins une enceinte de solidification en maintenant à la 10 surface libre du métal ou de la scorie liquides, dans cette dernière enceinte, une pression de gaz sensiblement égale à la pression exercée par la colonne de métal et de scorie au-dessus du niveau présélectionné dans l'enceinte de solidification. En séparant ainsi les opérations et les enceintes de refusion proprement dite et de solidification , il devient possible de multiplier les 15 enceintes de solidification rattachées à un creuset de refusion et d'utiliser ainsi pleinement les capacités maximales de refusion pour la production de profils de faible section sans se départir des avantages obtenus en refusion conventionnelle. L'invention s'applique essentiellement à la refusion de métaux sous 20 laitier électroconducteur au moyen d'électrodes consommables ou non consommables» Une installation appropriée comprend un creuset de refusion ne contenant que le bain de laitier électroconducteur et qu'une couche de métal, maintenue à l'état liquide, d'une profondeur telle à permettre la décantation des inclusions. Ce creuset de refusion est, par l'intermédiaire d'un ou de 25 plusieurs tubes d'évacuation de large section en communication avec un nombre correspondant de lingotiêres refroidies de solidification interchangeables, a-daptées au profil et aux dimensions des produits à obtenir. Par l'intermédiaire d'une pression de gaz exercée en tête des lingotiêres on peut régler automatiquement l'admission de métal liquide dans la lingotiêre en fonction de la vi-30 tesse d'extraction adoptée et maintenir ou régler le ménisque de métal ou de scorie liquide dans la lingotiêre à un niveau présélectionné relativement invariable. Une forme de réalisation de l'invention est décrite ci-dessous à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé qui représente une 35 vue en coupe à travers une installation représentée de façon schématique. La figure unique montre un creuset de refusion 1 qui contient un bain de métal fondu de faible profondeur 3, sous-jacent à une couche de laitier électroconducteur 2, le métal étant liquide dans son intégralité. Le creuset peut 71 12383 3 2086106 être chauffé, par exemple au moyen de résistances incorporées au garnissage effectué avec une matière réfractaire capable de résister au métal et à la scorie liquides. Trois électrodes de refusion k sont montrées, plongeant dans le bain de laitier électroconducteur 2. En principe, le creuset 1 sera 5 dimensionné de telle façon à permettre une capacité de refusion élevée avec le nombre d'électrodes voulues, c'est-à-dire qu'il sera de section assez large. Par contre il sera de faible hauteur, étant donné qu'il n'abrite que la zone de refusion sous laitier, l'interface de réaction laitier-métal et la zone de métal liquide d'une profondeur limitée à celle nécessaire pour la décan-10 tation des inclusions vers la surface, à l'exclusion de la zone de solidification. Le récipient de refusion 1 comprend Tin ou plusieurs orifices d'écoulement dans son fond qui présente une déclivité vers le ou les orifices. Dans la forme de réalisation présentée, le récipient de refusion ne comprend qu'un 15 seul orifice. Cet orifice est prolongé par un tube d'évacuation 7 susceptible d'être obturé, par exemple comme illustré, par un obturateur coulissant 5* Cet obturateur comporte des éléments de manoeuvre à commande manuelle ou automatique 6 et sert à l'ouverture et à la fermeture du tube d'évacuation 7» au démarrage et à l'arrêt de la coulée. L'obturateur n'intervient toutefois pas, comme 20 tel est par exemple le cas en coulée continue classique, pour la régulation du débit de métal. Les lingotiêres de solidification 8 sont des lingotiêres de type connu avec refroidissement par circulation d'eau identiquesou similaires à celles mises en oeuvre pour la coulée continue de produits de section ronde, 25 carrée ou méplate. Les tubes d'évacuation 7 employés ont une longueur telle qu'en position de coulée, après accouplement hermétique des lingotiêres de solidification 8 au récipient de refusion 1, ils pénètrent à l'intérieur des lingotiêres 8. Leur orifice peut être faiblement émergé ou bien immergé de quelques mil-30 limètres dans le milieu liquide. Dans le premier cas, on choisit le niveau dans la lingotiêre de telle sorte que la veine continue de métal liquide s'écoule de façon tranquille sans formation d'éclaboussures et de turbulences. Le ménisque du métal dans la lingotiêre 8 est réglé et maintenu à un niveau présélectionné invariable de la façon décrite plus loin. La zone supérieure 35 du métal dans la lingotiêre recouverte ou non d'une couche de laitier doit rester en permanence à l'état liquide. Par suite de la vitesse d'écoulement relativement faible, le métal ou la scorie surnageante peuvent se refroidir prématurément au contact du tube d'évacuation 7 et la paroi refroidie de la lingo- 71 12883 k 2086106 tière 8 et conduire à la formation d'une croûte solidifiée. Pour limiter la perte de chaleur dans la partie supérieure de la lingotiêre 8, voisine du ménisque de métal, cette partie 9 est avantageusement constituée d'une matière isolante. On peut également adapter sur la lingotiêre refroidie une partie 9 5 en matière réfractaire contenant des éléments de chauffage, surtout si on désire maintenir en surface de la zone de métal liquide encore une couche de laitier liquide. Pour compléter les moyens de régulation de la température du métal et le cas échéant de la scorie liquide à l'entrée de la lingotiêre, des résistances de chauffage peuvent également être incorporées au tube d'évacua-10 tion 7- La section de passage du tube d'évacuation 7, rattaché au creuset de refusion 1, peut être choisie très large, indépendamment de la vitesse d'extraction, étant donné que ce tube sert uniquement à établir 1'intercommunication entre le récipient de refusion 1 et la lingotiêre de solidification 8 15 indépendante et n'intervient pas pour la régulation du volume de métal devant s'écouler dans la lingotiêre. L'admission du métal dans la ou les lingotiêres de solidification 8 se règle automatiquement sur la vitesse d'extraction qui de son côté est choisie en fonction de la capacité de refusion et de la vitesse de solidification la plus favorable. La vitesse de refusion pouvant être assez 20 aisément contrôlée, on maintient la vitesse d'extraction présélectionnée constante et on surveille la vitesse de refusion. Comme illustré par la figure 1, la lingotiêre de solidification 8 constitue une entité indépendante du creuset de refusion 1, mais reliée de façon hermétique a ce dernier. De cette façon on peut, selon le profil à 25 couler, interchanger aisément les lingotiêres d'un creuset de refusion. On peut môme rattacher à un même creuset 1 des lingotiêres de section différente 8. Dans ce dernier cas^ on veillera toutefois à ce que les débits à travers les différentes lingotiêres ne soient pas trop dissemblables pour éviter des tourbillons préjudiciables à la décantation dans le creuset. 30 Comme la lingotiêre 8 est ouverte à ses deux extrémités et que le tube d'évacuation 7 de large section plonge librement dans la lingotiêre sans y être rattaché, on maintient dans l'espace 10 hermétiquement fermé vers l'extérieur et délimité par la partie supérieure de la paroi intérieure de la lingotiêre 8, la surface libre du métal ou de la scorie dans la lingotiêre 8, et 35 éventuellement la face extérieure de la partie émergée du tube d'évacuation 7 > une pression égale à la pression de la colonne de métal et de scorie liquides au-dessus du niveau présélectionné du ménisque dans la lingotiêre 8. De ce fait l'admission de métal dans la lingotiêre est réglée automatiquement en 71 12883 5 2086106 fonction de la vitesse d'extraction, l'admission se faisant sans turbulence notable même lorsque le tube d'évacuation reste émergé de plusieurs millimètres. Un conduit 11 pour l'admission d'un gaz sous pression réglable, débouche dans l'enceinte fermée 10. Le gaz envoyé dans l'espace est un gaz 5 inerte ou réducteur. L'espace 10 peut être fermé vers l'extérieur comme illustré en reliant la lingotiêre 8 de façon hermétique, par exemple à l'aide de joints d'étanchéité, au récipient de refusion 1. Alternativement on peut fermer la lingotiêre 8 avec ion couvercle étanche qui s'emboite hermétiquement autour du tube d'évacuation 7. Ces mesures essentielles, à savoir la fermeture 10 hermétique de la lingotiêre et le maintien d'une pression de gaz dans l'enceinte 10 permettent en même temps et sans autre mesure spéciale d'éviter tout contact entre 'le métal coulé et l'air atmosphérique avec tous les inconvénients bien connus qui en résultent. Aussi longtemps que la pression du gaz et la pression exercée par 15 le métal et la scorie au-dessus du niveau présélèctionné sont égales, le niveau du ménisque dans la lingotiêre 8 reste invariable et la quantité de métal admis sans intervention aucune dans la lingotiêre correspond exactement à celle nécessitée par suite de la progression du lingot à travers la lingotiêre, progression qui est assurée par gravité et par action d'un système d'extraction. 20 La vitesse d'extraction étant maintenue constante par souci d'une solidification régulière du métal et la vitesse de refusion pouvant être contrôlée aisément, le maintien d'un niveau constant dans le récipient de refusion ne pose aucun problème majeur, de sorte que la pression exercée au-dessus du niveau présélectionné dans la lingotiêre de solidification 8 reste également 25 pratiquement invariable. En principe il suffit donc de maintenir la pression de gaz dans l'enceinte 10 strictement constante et de contrôler le volume de laitier et la vitesse de refusion. Il est toutefois également possible de compenser toute alimentation ou tout abaissement sensibles du niveau dans le creuset de refusion 1 et qui 30 conduiraient à une montée ou à une chute du niveau dans la lingotiêre, par une variation correspondante de la pression de gaz dans la partie 10 supérieure de la lingotiêre 8. De même, il est possible d'ajuster ou de corriger le niveau du ménisque en faisant régner temporairement une sur- ou souspression dans l'espace 10. 35 Pour faciliter la régulation et le contrôle du niveau dans la lingo tiêre, le creuset 1 peut être équipé de dispositifs de détection et de mesure de la hauteur de remplissage. Par l'intermédiaire d'un équipement approprié, 71 12883 6 2086106 la pression de gaz dans l'enceinte 10 peut être réglée continuellement et automatiquement en fonction des variations de niveau enregistrées. Des détecteurs incorporés à la lingotiêre 8 peuvent en plus être intégrés au circuit de régulation pour assurer toutes les corrections du niveau dans la lingotiêre 5 éventuellement nécessaires. Un détecteur de niveau peut également être prévu dans la lingotiêre 8 pour servir à la télécommande de l'obturateur 5 destinée à obstruer automatiquement le tube d'évacuation 7 et à arrêter l'écoulement de métal dans le cas où, pour une raison quelconque, la pression de gaz venait à baisser et que le 10 niveau du métal dépasserait une certaine limite de sécurité dans l'enceinte 10. On peut également opérer la régulation de la pression de gaz dans l'enceinte 10 en faisant bifurquer une branche 12 de la conduite de gaz 11 vers le creuset 1 et en prenant des mesures adéquates pour que la résistance à l'écoulement du gaz à travers la conduite 12 soit à tout moment égale à la 15 pression devant régner dans l'enceinte 10 pour maintenir le ménisque du métal invariable. A cet effet on peut faire déboucher la branche 12 dans le fond ou dans la paroi latérale du creuset de refusion, ou le faire plonger à l'intérieur du bain, et on prendra des mesures appropriées pour éviter la rentrée de métal liquide dans la conduite de gaz et pour compenser la différence de 20 pression entre les deux embouchures de la conduite de gaz. Suivant la figure 1 on a prévu un bouchon poreux 13 qui entraîne une perte de charge équivalente à la différence de pression résultant de la différence du niveau des deux embouchures . En maintenant en permanence une légère surpression du gaz, ce qui a 25 pour suite de provoquer l'échappement d'un faible débit de gaz à travers l'orifice de la branche 12 de la conduite de gaz, on peut neutraliser facilement toute tendance à la montée du niveau du ménisque résultant d'une montée du niveau dans le récipient de refusion 1 et pouvant déclencher l'obturateur automatique du tube 7 si un niveau critique prédéterminé est atteint dans la lingo-30 tière 8. Toute diminution de la pression exercée par le métal et la scorie conduit à un débit plus important à travers l'orifice de la conduite 12. Ainsi la pression dans l'enceinte 10 est tenue automatiquement et en permanence sensiblement équivalente à la pression exercée par le métal et la scorie, de sorte que les variations du niveau du ménisque du métal dans la lingotiêre restent 35 pratiquement insignifiantes et peuvent, le cas échéant, facilement être neutralisées. L'invention a été décrite en relation avec le procédé ESR de refusion d'électrodes consommables sous laitier électroconducteur. Mais il est à rele 71 12883 7 2086106 ver qu'elle peut tout aussi avantageusement être appliquée au procédé ESM de refusion de poudre ou d'éponge de fer sous laitier électro-conducteur. De même, elle peut être adaptée facilement à tout autre procédé de refusion travaillant de façon continue ou discontinue soit avec ou sans flux fondu, soit 5 avec électrode consommable ou électrode non consommable. Le principal avantage à porter au crédit de l'invention réside dans la possibilité d'utiliser pleinement la capacité de refusion maximum des procédés ESR, ESM et autres pour la production d'une grande variété de produits essentiellement de faible section, indifféremment carrée, rectangulaire ou 10 circulaire, tout en permettant une solidification ralentie, progressive, dirigée dans des lingotiêres refroidies indépendantes du récipient de refusion. 71 12883 8 2086106 REVENDICATIONS 1.- Procédé d'extraction continue pour métaux refondus sous laitier électroconducteur, caractérisé en ce que les opérations de refusion et de décantation, ainsi que de solidification et d'extraction sont exécutées de 5 façon consécutive et indépendante l'une de l'autre dans des enceintes intercommunicantes mais fonctionnellement indépendantes et interchangeables en effectuant la refusion dans un creuset séparé, en évacuant le métal refondu en fonction de la vitesse d'extraction vers au moins une lingotiêre refroidie de solidification indépendante qui est tenue en communication directe avec le 10 creuset de refusion par l'intermédiaire d'au moins un tube d'évacuation prévu dans le fond du creuset, prolongé jusqu'à l'intérieur de la lingotiêre et émergé ou immergé par rapport au niveau liquide dans la lingotiêre et en maintenant à la surface libre dans la lingotiêre de solidification une pression de gaz sensiblement égale à la pression exercée par la colonne de métal et de 15 scorie ininterrompue, se trouvant au-dessus d'un niveau présélectionné, en vue de tenir le niveau du ménisque de liquide dans la lingotiêre invariable et de réaliser une régulation automatique de l'admission de métal liquide dans la lingotiêre en fonction de la vitesse d'extraction adoptée. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on 20 prévoit des moyens pour faire varier automatiquement la pression de gaz en fonction des variations de la pression exercée par le métal et la scorie au-dessus du niveau présélectionné du ménisque dans la lingotiêre. 3.- Installation pour l'exécution du procédé suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est subdivisée en un creuset de refusion, de ca- 25 pacité de refusion élevée, prévu pour contenir un bain de laitier électroconducteur et une couche de métal refondu intégralement liquide et d'une profondeur telle à permettre la décantation des inclusions et comprenant au moins un orifice d'écoulement dans son fond qui présente une déclivité vers le ou les orifices et en au moins une lingotiêre indépendante de solidification refroidie, 30 ouverte à ses deux extrémités et rattachée de façon interchangeable au creuset de refusion, en ce que la lingotiêre est en communication directe avec le creuset par l'intermédiaire d'un tube d'évacuation rattaché à un orifice du creuset, prolongé jusqu'à 1'intérieur de la lingotiêre et émergé ou immergé par rapport au niveau de liquide dans la lingotiêre et en ce qu'en tête de chaque lingotiêre 35 est prévu un espace hermétiquement fermé vers l'extérieur, non occupé par du métal et délimité par la partie supérieure de la paroi intérieure de la lingotiêre, la surface libre de métal ou de laitier et éventuellement la partie de la face émergée du tube d'évacuation, une conduite pour l'admission d'un gaz non 71 12883 9 2086106 oxydant sous une pression sensiblement égale à la pression exercée par le métal et la scorie au-dessus du niveau présélectionné du ménisque dans la lingotiêre débouchant dans cette enceinte fermée. h.- Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que 5 la partie supérieure de la lingotiêre voisine du ménisque de métal ou de scorie liquides est constituée d'une matière isolante ou d'une matière réfractaire contenant des éléments de chauffage et en ce que le tube d'évacuation est muni de moyens de chauffage. 5.- Installation suivant la revendication 3» caractérisée en ce que 10 le creuset de refusion est équipé de dispositifs de détection et de mesure de la hauteur de remplissage pour la régulation continuelle et automatique de la pression de gaz dans l'enceinte en fonction des variations de niveau enregistrées et en ce que des détecteurs de niveau peuvent également être prévus dans la lingotiêre et intégrés dans le circuit de régulation pour assurer 15 toutes les corrections du niveau dans la lingotiêre éventuellement requises. 6.- Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce qu'un détecteur de niveau est incorporé à la lingotiêre pour la télécommande de l'obturateur servant à interrompre automatiquement l'écoulement du métal dans le cas où le niveau du métal dépasserait une certaine limite de sécurité dans 20 l'enceinte fermée. T.- Installation suivant la revendication 3, caractérisée en ce que la conduite de gaz débouchant dans l'enceinte fermée comprend une branche bifur-quée vers le creuset de refusion et rattachée à un élément approprié, comme par exemple un bouchon poreux dimensionnê et constitué de telle sorte à opposer 25 à tout moment à l'écoulement du gaz, à travers le métal dans le creuset, une résistance égale à la pression devant régner dans l'enceinte pour maintenir le ménisque du métal ou de la scorie liquide dans la lingotiêre invariable.