Brevet FR2342112A1 — publié le 19770923

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la coulée continue de métaux a l'état fondu dans des moules et plus particulièrement de l'aluminium et de ses alliages, en vue de la fabrication de billettes et de bandes l'aide d'un dispositif de coulée qui comprend (vus dans le sens de l'écoulement du métal) : un récipient revêtu d'un matériau réfractaire, une goulotte fixée sur le fond de celui-ci, un échangeur de chaleur et un système de brassage ou d'agitation. On connait déjà un procédé et un dispositif de coulée continue, par exemple, du type mentionné, dans lesquels le métal liquide est d'abord agité dans une goulotte puis ensuite refroidi, a l'aide d'un échangeur de chaleur, dans un moule placé en ligne dans la direction de l'écoulement du métal (voir par exemple le brevet de Grande-Bretagne nO 705.762). On connait, d'autre part, les caractéristiques physiques des métaux qui ne sont que partiellement à l'état fondu et qui possèdent, entre autres, une plus grande viscosité que les métaux complètement à ltétat liquide. Les procédés et dispositifs connus à ce jour pour la coulée continue de métaux liquides dans des moules prévus à & cet effet, présentent plusieurs inconvénients. Ceux-ci ont trait aussi bien à la qualité des pièces obtenues dans une fabrication en série et aux nombreuses difficultés de coulée qu'à la vitesse d'abaissement relativement faible du métal fondu au cours de l'opération de coulée. Lors de- la fabrication de produits au moyen des procédés de coulée conventionnels, il faut, lors du passagede ltétat liquide à llétat solide, évacuer la chaleur supplémentaire de surchauffe (suivant les procédés, la chaleur correspondant à la surchauffe peut atteindre jusqu'à 1000C au-dessus de la température du liquidus), et la totalité de la chaleur latente de solidification, ce qui limite singulièrement la capacité de production maximale que l'on peut espérer. Du fait de la contraction de volume du produit moulé que l'on constate après l'opération de coulée, de nombreuses difficultés se présentent déjà en cours d'opération, par exemple celles relatives au comportement à l'alimentation. I1 se manifeste aussi une tendance marquiez lorsque le retrait dd à la solidification se fait seulement -dans le moule3 à la formation de fissures aussi bien dans le moule que dans la pièce coulée. Le but visé par l'invention consiste à trouver un procédé pour la coulée continue de métaux liquides et un dispositif pour sa mise en oeuvre, grace auxquels les inconvénients susmentionnés des procédés et dispositifs conventionnels sont évités, plus particulièrement lors de la fabrication de billettes et de bandes coulées. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé de coulée continue au cours duquel on soustrait d'abord au métal liquide s'écoulant au travers d'une goulotte, une partie de sa chaleur dans la zone de ladite goulotte soumise à l'action d'un système d'agitation et qu'ensuite seulement, le métal ainsi traité est introduit dans le moule. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé est caractérisé en ce qu'à l'intérieur de la goulotte en question, et plus particulièrement dans la zone de la goulotte soumise à l'action d'un agent de refroidissement, est placé un système-d'agitation et que sur la partie extérieure de ladite goulotte se trouve un système d'échangeur de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la-description qui va suivre de deux exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 représente un premier exemple d'exécution d'un dispositif de coulée continue, avec goulotte verticale; - la figure 2, un deuxieme exempie d'exécution, avec goulotte inclinée d'un angle quelconque par rapport à la verticale et qui peut servir entre autres pour la coulée horizontale; et - la figure 3, un schéma comportant un système de contrble et de régulation appliqué au dispositif de coulé, en vue de régler la température du métal fondu à un niveau donné; il comporte en outre un système de régulation de l'ouverture d'une fente-passage annulaire de la goulotte de coulée, en vue de l'adapter aux caractéristiques dlécou- lement du métal liquide utilisé. Selon les exemples des figures 1 et 2, le dispositif de coulée continue d'un métal liquide comporte, dans le sens de la coulée dudit métal, un chenal de coulée 1, revetu à l'intérieur d'un matériau réfractaire 2, une goulotte 4 fixée au fond 3 du chenal de coulée et dont la forme est conique avec rétrécissement vers le bas, un échangeur de chaleur 5 ainsi qu'un moule 6 immediatement à la suite de la goulotte 4, par exemple un moule à coquille. Fixé sur la paroi 7 du chenal de coulée 1, se trouve un dispositif de brassage 8, dont la position peut être réglée par les vis de réglage 9; ce dispositif comprend aussi un moteur 10 relié à un agitateur 12, au moyen de l'arbre de transmission 11. L'agitateur 12 a une forme conique, et est placé concentriquement à l'intérieur de la goulotte 4, également de forme conique. Entre la paroi 14 de la goulotte 4 et l'agitateur conique 12, se trouve une fente-passage 15 annulaire, dont la largeur est-modifiable en soulevant ou en abaissant le dispositif de brassage ou l'agitateur, au moyen des vis de réglage 9. En correspondance de la zone d'faction de l'agitateur 12, se trouve placé un échangeur de chaleur 5, qui consiste essentiellement dans le cas présent d'une chemise (enveloppe) 16 entourant, å une certaine distance, la goulotte 4; il se forme ainsi une chambre annulaire 17 entre la paroi extérieure 14 de la goulotte 4 et ladite chemise 16, destinée à contenir un fluide de refroidissement, par exemple de l'eau. Cette chambre 17 est pourvue d'un conduit d'entrée 18 et d'un conduit de sortie 19, grâce auxquels l'agent réfrigérant est amené et évacué respectivement å l'aide d'une pompe réglable, non représentée sur le dessin. Dans la partie inférieure du moule de coulée 6 sont placées des buses d'arrosage (gicleurs) 21, reliées 9 un réseau de distribution d'eau (non represente), à l'aide desquelles le flux de métal partiellement solidifié 20, sortant de la goulot te 4, est refroidi par des jets d'eau. - Le dispositif de contrôle et régulation illustré sur la figure 3 pour régler la température du métal sortant de la goulotte 4, comporte une sonde thermique 23, placée dans une zone très proche de la sortie 22 de la goulotte, qui agit, au moyen d'un organe de contrôle 24, d'un régulateur 25 et d'une soupape de reduction 26 å commande électronique, disposée sur le conduit 18 d'amenée de l'échangeur thermique 5. Sur le conduit 18 d'amenée peut se trouver, en outre, un mesureur de débit 35, si cela est désiré. Le dispositif 27 de réglage, sur la figure 3, de la largeur de passage de la fente annulaire 15, pratiquée dans la goulotte de coulée 4, entre l'agitateur 12 et la paroi interne de la goulotte 4, représente une variante possible des dispositifs réglant la hauteur de l'agitateur 12, sur les figures 1 et 2. Ce dispositif 27 comporte un arbre à vis 29, manoeuvrable à l'aide d'une roue à main, qui est couplé à un engrenage dont est pourvu l'organe de brassage 8 et gracie auquel un bras 30, mobile verticalement le long d'une colonne 31, amène l'agitateur à la hauteur voulue pour créer la largeur de fente annulaire 15 requise par les propriétés de fluidité du courant de métal ayant la composition désirée. Sur ledit bras 30 est fixé un indicateur-repère 32 qui permet de lire la position par rapport à une échelle 33. L'indicateur 34 est prévu pour la lecture de la largeur de passage de la fente annulaire 15. L'espace intérieur de la goulotte 4 et l'agitateur 12 peuvent à la rigueur aussi avoir une forme cylindrique, lorsqu'il s'agit de couler un métal fondu bien détermine, qui rend de ce fait superflue une variation de la largeur de passage de 1'espace annulaire 15. Selon le procédé de l'invention, on soustrait en continu au métal fondu 20, avant son entrée dans le moule de coulée, une partie de sa chialeur, au moyen de l'échangeur 5, de façon que ledit métal fondu entre dans le moule de coulée continue 6 avec un contenu thermique et à une vitesse bien déterminés. Le métal à l'état fondu, par exemple un alliage Aloi5, est amené par le chenal de coulée 1 dans la goulotte 4, de forme conique, dans laquelle tourne aussi un agitateur 12, à une vitesse de 100 à 5.000 tr/mn. Le métal liquide coule, à l'état agité, au travers de l'espace annulaire 15, dont la largeur variable de passage permet de contrôler la vitesse d'écoulement. Pendant son passage le long de la fente 15, le métal liquide perd une partie de son contenu athermique, au travers de la paroi 13, par l'échangeur 5. Le métal liquide qui sort à la partie inférieure de la goulotte 4 a maintenant une température et un contenu thermique plus faibles qu'auparavant, dans le chenal 1 de coulée. La température du métal fondu dans la zone annulaire, nécessaire pour l'opération de coulé, est automatiquement tenue sous contrôle par le système de commande et de régulation forme par les éléments 23, 24, 25 et 26. L'action refroidissante de l'changeur thermique 5, ainsi que la vitesse d'écoulement réglable en faisant varier la largeur de passage annulaire, peuvent être coordonnées l'une par rapport à l'autre, de telle sorte que le métal liquide, possédant un certain contenu ther mique, à son entrée dans le moule 6 avec une vitesse prddtablie, forme une pièce coulée parfaitement solidifiée par refroidissement subséquent, Il est également possible de placer des bobines d'induction, de manière en soi connue mais non représentée sur le dessin, tout autour de la goulotte 4 et dans un meme plan que l'échangeur de chaleur afin d'agiter le métal fondu par le champ magnétique ainsi créé. En ce qui concerne la relation existante mentionnée plus haut entre la vitesse d'écoulement du métal liquide et son contenu athermique, il faut tenir compte tout particulièrement des propriétés physiques du métal fondu qui résultent de l'abaissement du contenu thermique. Cet abaissement du contenu thermique provoque, comme cela est connu, d'une part, une contraction due à la solidification et, d'autre part, une viscosité progressive du métal liquide, en partie solidiEté; cela permet donc d'augmenter considérablement la vitesse de formation de la pièce (déplacement du mannequin), ce qui est avantageux. Il faut en outre souligner tout particulièrement que l'abaissement du contenu thermique avant l'écoulement du métal fondu par la goulotte 4 a comme effet bénéfique celui d'une formation réduite de criques de retrait à chaud dans la pièce ainsi coulée. Les dessins montrent seulement deux exemples d'exécution du dispositif de coulée suivant l'invention. Mais on peut toutefois imaginer d'autres formes d'exécution de la goulotte, de ltagitateur et de I'échangeur, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Les avantages du procédé de l'invention et du dispositif de sa mise en oeuvre, sont considerables, comparés aux procédés et dispositifs conventionnels, en ce qui concerne la vitesse de coulée qui peut titre augmentée de 100 Z et les propriétés de la pièce coulée. La diminution du retrait a comme conséquence, une série de qualités favorables au point de vue de la coulée parmi lesquelles une meilleure aptitude au remplissage des moules ainsi qu'une diminution de la tendance aux cassures à chaud. Ceci peut avoir des conséquences favorables non seulement pour la solution de problèmes propres à la coulée continue mais, en gendral, pour l'obtention de pièces de fonderie. Lors de la coulée continue, on peut s'attendre, par exemple, à des amélio- rations du côté des ségrégations majeures et mineures et de l'homogénéité de a structure, etc. La formation de cristaux flottants peut etre évitée en faisant en sorte que leur nombre soit tellement élevés lors de la coulée à l'état partiellement solidifié, qu'il en résulte à nouveau une structure homogène pour l'ensemble de la section. D'autre part, il se produit par ces particules, issues de cette solidification partielle préalable, suivant leur nombre et leur finesse, un affinage correspondant des pièces coulées, sans avoir recours pour cela à des traitements particuliers du métal fondu ou à la présence d'éléments d'alliage spéciaux. R E V-E N D I C A T I O N S 1. Procédé de coulée continue de métaux à l'état fondu dans des moules, en particulier de l'aluminium et de ses alliages pour la fabrication de billettes ou de bandes, caractérisé en ce que, d'abord une partie du contenu thermique dudit métal fondu s'écoulant au travers d'une goulotte est soustrait dans la zone de ladite goulotte soumise 9 l'action d'un système d'agitation et qu'ensuite seulement le métal ainsi traité est introduit dans le moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le débit de métal fondu au travers de la goulotte est régulé au moyen d'un système d'agitation, pouvant être déplacé suivant l'axe longitudinal de la goulotte. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température-du métal liquide est contrôlée et régulée automatiquement de façon que la partie de métal liquide se trouvant dans l'espace annulaire est partiellement solidifiée. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, en vue de la coulée continue d'un métal liquide, comportant dans l'ordre, et dans le sens de l'écoulement du métal, un récipient revetu de matériau réfractaire, une goulotte fixée au fond du chenal de coulée, un échangeur de chaleur ainsi qutun système d'agitation, caractérisé en ce qu'à l'intérieur de ladite goulottte, et plus particulièrement dans la zone de la goulotte soumise à l'action d'un agent de refroidissement, agit un système d'agitation et que, sur la partie extérieure de ladite goulotte, est dispose un système d'échangeur thermique. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le récipient revêtu de matériau réfractaire a la forme d'un chenal de coulée. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la partie intérieure de la goulotte a la forme d'un cône avec rétrécissement dirigé vers la sortie. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lragitateur a une forme conique. 8. Dispositif selon les revendications 4, 6 et 7, prises ensemble, caractérisé en ce que l'agitateur est disposé concentriquement à l'axe de symétrie de l'intérieur de la goulotte, à une certaine hauteur de façon à former une fente-passage annulaire entre la paroi de ladite goulotte et dudit agitateur. 9. Dispositif selon les revendications 4, 6 et 7, prises ensemble, caractérisé en ce que l'agitateur est disposé sur l'appareil de coulée de façon que sa position en hauteur puisse etre variée puis fixée au niveau choisi. 10. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'intérieur de la goulotte et l'agitateur ont une forme cylindrique. 11. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'appareil comprend un dispositif de contrôle et de régulation en vue de maintenir la température dans la zone de la fente-passage annula-ire à un niveau prédéterminé. 12. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'à la sortie du moule de coulée continue sont disposées des buses de giclage. 13. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la goulotte et l'agitateur sont disposés, ensemble, dans une posi- tion inclinée par rapport à la verticale. 14. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que sur le pourtour de la goulotte, et dans la meme zone d'action de l'échangeur thermique, est disposée une bobine d'induction en fonction d'agitateur magnétique.