Brevet FR2339457A1 — publié le 19770826

La présente invention concerne un procédé de coulée continue d'un tube métallique en un matériau ferreux, tel que notamment un acier de type quelconque, y compris am- acier spécial ., ou en un matériau non terreux quelconque, par exemple en aluminium. L'invention concerne également les appareils pour la mise en oeuvre de ce procédé. On rappellera tout d'abord, en prenant pour exemple le cas des tubes en acier, que les moyens de production de tels tubes dépendent de l'usage envisagé, en distinguant 1&commat;S tubes pour conduites, canalisations, et les tubes constituant des ébauches de pièces mécaniques. Dans cette seconde catégorie, dite du "tube mécanique ",le tube qui constitue l'ébauche de la pièce mécanique est en général à parois épaisses et en acier de construction au carbone, allié ou inoxydable; les caractéristiques mécaniques de tels tubes mécaniques sont souvent améliorées par un traitement thermique. La production de tubes mécaniques est habituellement réalisée par l'un ou l'autre des deux processus suivants - a) laminage avec des trains Assel ou ganesmann Le traitement débute par une opération de perçage à chaud sans enlevèment de métal; il en résulte une extension du diamètre extérieur nécessitant des efforts de traction par fois très importants; les aciers peu plastiques tels que les aciers inoxydables et les aciers pour outils se déchirent sous 11 effet de ces contraintes importantes. C'est la raison pour laquelle lgobtention de tubes en acier, dans le cas de certaines compositions d'acier ne peut être réalisxpe par le procédé d'extrusion ciaprès. - b) extrusion à la presse Ce processus est précédé d'une opération préalable de perçage, qui est parfois réalisée mécaniquement à froid. L'ébauche percée est introduite dans le conteneur de la presse, lequel conteneur comporte un mandrin interne , aiguille de filage ou analogue qui détermine le profil interne du tube tandis que la filière située au fond du conteneur détermine le profil extérieur dudit tube. Les débits de production sont, dans les meilleurs cas, de l'ordre d'une tonne dé tube par minute et par presse. Etant donné que les applications destubes métalliques sont très nombreuses et correspondent à un marché extrtmement important, le problème s'est posé d'obtenir des rendements de production en core plus élevés que dans le procédé par extrusion à la presse, en procédant, en continu, à la formation et à la solidification progressives d'un tube de métal liquide et à l'extraction progres sive du tube solidifié continu. La réalisation d1un tel procéda cause en fait de nombreux problèmes et il n'existe pas actuelle ment d'appareils satisfaisants à l'échelon industriel. I1 faut en effet, dans un tel procédé de coulée continue, réaliser une solidification rapide et régulière du métal et ex traire facilement, sans à-coups, le tube métallique du moule conti nu, ouvert à ses deux extrémités, dans lequel on a procédé à la solidification du métal, en réduisant à cet effet au maximum les forces de friction et/ou de collage du métal solide et/ou visqueux sur les parois du moule. Le procédé de la présente invention et les appareils pour sa mise en oeuvre permettent de résoudre parfaitement le problème précité. Le procédé de coulée continue d'un tube métallique selon l'in invention est caractérisé en ce qu'il consiste à amener le métal li quide dans la cuvette, de préférence annulaire, à axe vertical d'un dispositif répartiteur en rotation autour dudit axe, ladite cuvette comportant à sa partie inférieure au moins un orifice de sortie permettant la délivrance du métal fondu à partir de ladite cuvette, et à laisser entrer, par gravité, le jet de métal fondu issu dudit orifice, dans la cavité cylindrique annulaire, ouverte à ses deux extrémités, d'un moule à axe vertical refroidi par un quide de refroidissement. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention on utilise un moule comportant un élément externe et un éMment in terne, tous deux refroidis par le liquide de refroidissement pré cité, en effectuant en outre éventuellement un refroidissement du tube par aspersion, à sa sortie dudit moule, et on extrait ensuite le tube solidifié continu par des moyens d'extrac tion de type mécanique ou magnétique. Selon une caractéristique importante de la présente invention,on effectue en outre un refroidissement direct de la surface interne du tube solidifié continu, à sa sortie du moule, par aspersion d'un liquide de refroidissement; cette aspersion est avantageusement réalisée à l'aide du liquide de refroidissement utilisé pour refroidir l'élément interne du moule. Enfin selon encore une autre caractéristique de la présente invention 'élément externe du moule, ou bien l'élément interne du moule, ou bien simultanément ces deux éléments, sont animés d'un mouvement d'oscillation le long de leur axe longitudinal afin de favoriser le décollement du métal par rapport au moule et diminuer ainsi les effor%/d'e traction;on peut avantageusement choisir des fréquences et des amplitudes égales pour les deux mouvements d'oscillation précités, à condition bien entendu de prévoir un déphasage entre lesdits mouvements d'oscillation , de préférence un déphasage d'une demi-période; en procédant de la sorte, on atténue au maximum les modulations de la force de traction nécessaire à l'extraction du tube solidifié étant donné que les efforts exercés simultanément sur le tube métallique, respec tivementparltélément externe du moule et par l'élément interne du moule,sont toujours de sens contraire. On conçoit également que la rotation du dispositif répartiteur permet une alimentation homogène du moule, dans toutes les directions radiales, en métal liquide et que la chaleur sensible du métal liquide soit répartie régulièrement dans toutes lesdites directions radiales, en permettant ainsi une solidification régulière du métal; il en résulte une symétrie radiale du front de solidification, ce qui permet une extraction régulière et sans à coups et par conséquent sans risque de rupture du tube continu en amont des moyens d'extraction, en mettant en oeuvre une force de traction dont la valeur est juste celle qui est suffisante pour assurer l'extraction à la vitesse choisie, dans des conditions constantes. Les vitesses de circulation du liquide de refroidissetent, en principe de liteau, dans les deux éléments du moule sont calculées pour évacuer la chaleur sensible de l'acier liquide ainsi que la chaleur de transformation liquide-solide et pour éviter les phé nomènes de caléfaction; de plus, dans le cas de produits fragiles dans certains intervalles de température, le refroidissement du métal ne doit pas aller au-delà de la température d'apparition de la fragilité, ce qui permet d'éviter des défauts du tube tels que tapures etc... la mise en oeuvre de moyens d'extraction magnétique est parti culièrement avm tageuse dans le cas d'un tube en matériau magnétique à la température existant au niveau de la section d' extrac- tion, étant donné qu' en utilisant alors un ou plusieurs électroaimants (le tube métallique en constituant le noyau plongeur ou en fermant le circuit magnétique), on évite tout serrage mécanique du tube métallique et toute possibilité de déformation de son profil. Dtautres caractéristiques de la présente invention apparattront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif du procédé de l'invention et de l'appareil pour sa mise en oeuvre, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 présente une vue schématique d'ensemble d'un appareil conforme à la présente invention; - la figure 2 représente une vue en coupe longitudinale axiale de la partie supérieure dudit appareil; - la figure 7 est une vue en plan du dispositif répartiteur de cet appareil; - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale axiale de la partie inférieure des éléments interne et externe du moule; et - la figure 5 est une vue en section transversalecde l'élément interne dudit moule, selon V-V de la figure 4. L'appareil de coulée continnereprésenté sur la figure 1 comprend un dispositif d'alimentation 1 en métal liquide, et, disposé en-dessous dudit dispositif d'alimentation, substantiellement le long d'un axe vertical commun, dans l'ordre indiqué, en allant du haut vers le bas, un dispositif répartiteur rotatif 2, un moule 3, des galets de soutien et de guidage 4 et un dispositif d'extraction 5 du tube métallique solidifié continu 6, ledit dispositif d'estraction étant ici de type mécanique et constitué par deux rouleaux 5a et 5b, à axes parallèles entraînés chacun par des moyens moteurs, non représentés, dans le sens des flèches F, l'écartement desdits rouleaux étant tel qu'ils pressent légèrement la surface externe du tube 6 en deux zones diamétralement opposées de celui-ci ; l'appareil peut comporter plusieurs paires de rouleaux telles que la paire de rouleaux Sa- nib, disposées au meme niveau ou à des niveaux différents, selon des directions parallèles ou croisées avec les directions des axes des rouleaux 5a et 5b. Ces moyens d'extraction mécanique peuvent Qtre remplacés, selon un autre mode de réalisation, par des moyens d'extraction magnétique ; dans le cas où, au niveau de la zone d'extraction, le tube métallique eN en un matériau dans ltétat magnétique, ledit moyen d'extraction magnétique ne comporte de préférence aucun é- lément mécanique en contact avec le tube 6; en d'autre termes, lesdits moyens comprennent par exemple un ou plusieurs électroaimants vis à vis desquels le tube 6 constitue un noyau-plongeur situé à l'intérieur du ou des solénoldes constituant ledit ou lesdits électro-aimants (cas de un ou plusieurs solénoïdes concentriques) ; lesdits moyens peuvent aussi comporter-des électso-aimants mobiles répartis autour du tube meiallique; dans Le cas où le métal n'est pas magnétique, l'extraction magnétique nécessite la mise en oeuvre d'éléments mécaniques d'entratnement du tube 6, lesdits éléments mécaniques étant par exemple constitués soit par des galets de friction actionnés par les noyaux-plongeurs d'électro-aimants, soit par des sabots de serrage actiannés par de tels noyauxpîongeurs. En se référant à la figure- 2, on voit que le dispositif répartiteur 2, dans la forme générale est de révolution, comprend une cuvette annulaire 7 dont l'axe géométrique constitue l'axe de rotation dudit dispositif répartiteur ; les moyens de rotation dudit dispositif répartiteur 2 n'ont pas été représentés, pour la claS*é de la figure, mais ils peuvent être de tout type en soit connu et de - préférence constitués par un moteur à air comprimé; la paroi inférieure 2a du répartiteur 2 comporte un orifice 8 pour la délivrance du jet 9 du métal liquide; la cuvette annulaire 7 est ouverte à sa partie supérieure et elle est alimentée en létal liquide par un conduit, gouttière, goulotte, buse ou analogue 10 relié au dispositif d'alimentation 1 (non représenté sur la figure 2, mais visible sur la figure 1), ce dispositif d'alimentation étant essentiellement constitué d'un réservoir, cornue, poche ou analogue, de position fixe et immobile, rempli de métal liquide- et alimenté en continu en ledit métal liquide. Le dispositif répartiteur 2 comporte un évidement axial 1 la déterminé par la paroi interne 11, formant manchon, dudit répartiteur. Cet évidement axial Il a est traversé par le- prolongement 12a de ltélément interne 12, de forme générale tubulaire, du moule 3. La vitesse de rotation du répartiteur annulaire est par exemple de l'ordre de 5 à 10 tours par minute; ce répartiteur annulaire peut être éventuellement muni de moyens (non représentés) de réchauf- fage du métal y contenu qui, en général, seront surtout utilisés en début d'opération, lors de la mise en température de l'appareillage et en fin d'opération, pour le nettoyage de la cavité annulaire 7.. En se référant aux figures 2 et 4 on voit que le moule 7 comporte l'élément interne 12 précédemment mentionné et un élément externe 13. L'élément interne 12 est mébERiqueet comporte un corps extérieur 14 dont la surface externe 14a présente une légère conicité (non visible sur les figures), la grande base de la surface conique 14a étant située vers B haut, pour faciliter le décollement du tube solidifié à la sortie du moule, et un corps intérieur 15, de forme substantiellement cylindrique annulaire, ledit corps intérieur étant relié au corps extérieur 14 par des protubérances radiales 15a (dont certaines sont soudes audit corps , 14) qui définissent entre lesdits corps intérieur et extérieur un espace annulaire 16 qui commmunique (mais non l'espace intérieur 17 de liélément intérieur 15) avec l'espace intérieur 18 du prolongement 12a.- Le corps intérieur 15 se termine à sa partie inférieure par un tronçon 15a de forme conique, évasée vers l'extérieur, tandis que la surface interne du corps ex extérieur 14 présente la même conicité que le tronçon 15a, dans la zone 1 4b,- située à la partie inférieure dudit corps extérieur 14; l'espace intérieur 17 communique avec l'atmosphère étant donné que le tronçon de forme conique 15a est aiveet à sa pale infi9xwe ; par ailleurs, comme il est visible plus particulièrement sur la figure 2, l'espace intérieur 18 du prolongement 12a est relié à une conduite 19 dtalimentation en eau de refroidissement. L'élément externe 13 du moule 3 est métallique et comporte un corps extérieur 13a et une chemise intérieure 13b qui déterminent entre eux un espace cylindrique annulaire de circulatimi d'eau 2O et une chambre annulaire 20a communiquant avec cet espace et reliée, par le conduit 21, à la canalisation 22 d'amenée doleau de refroidissement ; on notera que des joints annulaires d'étanchéité 23 sont prévus dans les deux parties extrêmes du moule, entre le corps extérieur 13a et la chemise intérieure 1 3b; la sortie de l'eau de refroidissement de l'élément externe 13 du moule 3 s'effectue par le conduit de sortie 24. L'appareil comprend en outre des moyens, non représentés, d'aspersion d'eau sur la surface externe du tube 6 dès sa sortie du moule 3, c'est-à-dire dans la zone des galets de soutien et de guidage 4; un dispositif de découpage du tube, de touttype en soi connu ( non représenté) est en outre situé en aval du dispositif d'extraction 5. La surface interne 25 de la chemise 13b est de préférence, de façon connue en soi, légèrement conique (grande base dirigée vers le haut) pour favoriser le refroidissement du tube métaPi- que 6. Comme indiqué précédemmei, les éléments interne 12 et externe 13 du moule 3 sont associés à des moyens d'oscillation le long de l'axe longitudinal de l'appareil, les mouvements d'oscillatinn desdits deux éléments étant, de préférence, de mimes fréquences et amplitudes mais déphasés entre-eux d'une demi-période. Les différentes parties consécutives du moule 3 sont en métaL ou bien seulement les parties en contact avec le métal fondu sont en métal. Le métal utilisé pour constituer la chemise intérieure 13b et le corps extérieur 14 peut être notamment du cuivre pur ou du cuivre allié dtaluminium, d'argent ou d'un autre métal et il peut titre durci, sur la surface de ces chemise intérieure 13b et corps extérieur 14, qui est au contact du métal liquide, par un revêtement protecteur, par exemple un revttement de chrome. L'appareil des figures 1 à 5 fonctionne de la manière suivante: - le métal liquide contenu dans le dispositif d'alimentation 1 se déverse, par la buse 10,dans la cuvette annulaire 7 du répartiteur 2 qui est entraîné en rotation et à raison par exemple de 5 à 10 tours par minute; le jet de métal liquide 9 passant à travers 1' ouverture 8 du répartiteur 2 est réparti régulièrement sur toute la section transversale de la cavité cylindrique annulaire 26 du moule 3 dont les deux éléments, respectivement interne 12 et externe 13, sont refroidis par envoi d'eau froide dans les canalisations 19 et 22, respectivement. - la masse d'acier liquide 27 se refroidit progressivement au cours de sa descente dans le moule 3 et se solidifie au moins etc rieurement avant de sortir dudit moule, le tube solidifié continu étant extrait sous les actions conjointes des forces de gravité et de la force de traction du dispositif d'extraction.A sa sortie du moule 3, le tube de métal solidifié 6 subit un refroidissement come plémentaire grace aux moyens d'aspersion, non représentés, de Ça surface externe et grâce à l'aspersion réalisée contre sa surface sterne par l'eau de refroidissement circulant dans l'espace annu- laire 16 (figure 4) et ensuite éjectée entre le tronçon conique 15a du corps intérieur 15 et la surface conique 14b du corps exté- rieur 14 de l'élément intérieur 12 du moule; cette eau d'aspersion de la surface interne du tube s'échappe par l'extrémité libre du tube métallique 6, en aval du dispositif d'ettraction 5. Les débits de production de métal peuvent titre extrOmenent importants et ils correspondent à une vitesse d'extraction pouvant aller jusqu'à 8 m/mn et mEme,éventuellement, au delà de cette valeur, dans le cas d'un acier au carbone,et le tube métallique ainsi obtenu possède de très bonnes saractéristiques physiques (absence de défauts de surface et de défauts internes) et géométriques (pas de déformation du profil du tube); de plus la conduite de l'opération de coulée continue est aisée pour les raisons indiquées pré cédemment (homogénéité du refroidissement et du front de solidification liquide-solide, décoSlement aisé et sans à-coups du métal etc...)0 Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée au mode d'exécution décrit et représenté qui n'a donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équiLents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs com binaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E VE fl I C A T ION S 1. Procédé de coulée continue d'un tube métallique, caractérisé en ce qu'il consiste à amener le métaXliquide dans la cuvette, de préférence annulaire, à axe vertical, d'un dispositif répartiteur en rotation autour dudit axe, ladite cuvette comportant à sa partie inférieure au moins un orifice de sortie permettant la dé livrance d'un jet de métal fondu à partir de ladite cuvette, et à laisser entrer, par gravité, ledit jet de métal fondu dans la cavité cylindrique annulaire, ouverte à ses deux extrémités, d'un moule à axe vertical refroidi par un liquide de refroidissement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce Qu'on utilise un moule comportant un élément externe et un élément inter ne, tous deux refroidis par le liquide de refroidissemQt précité, en effectuant en outre éventuellement un refroidissement du tube métallique, pas aspersion sur sa surface externe, à sa sortie dudit moule, et en ce qu'on extrait ensuite le tube solidifié continu par des moyens d'extraction de type mécanique ou magnétique. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,caractérisé en ce qu'on effectue en outre un refroidissement direct de la snrface interne du tube solidifié continu, par aspersion d'un liquide de refroidissement, sur ladite surface interne, à la sortie dudit moule, de préférence à l'aide du liquide utilisé pour le refiadissement de l'élément interne du moule. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que 11 élément externe du moule est animé d'un mouvement d'oscilla- tion le long de son ase longitudinal. . Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'élément interne du moule est animé d'un mouvement d'os oscillation le long de son axe longitudinal 6. Procédé selon l'ensemble des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les deux mouvements d'oscillation précités sont soit de fréquences différentes, soit de préférence, de mêmes fréquences et amplitudes mais déphasés l'un par rapport à l'autre d'une demi-période 7.Appareil de coulée continue d'un tube métallique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif répartiteur de métal liquide, monté rotatif autour de son axe géométrique verti cal et possédant une cuvette, de préférence annulaire, ayant ledit axe comme axe géométrique, ladite cuvette étant ouverte à sa partie supérieure et comportant, à sa partie inférieure, une paxidefad munie d'au moins un orifice de délivrance de métal liquide, et un moule à axe vertical confondu avec celui dudit dispositif répartiteur, situé en-dessous de ce dernier, ledit moule comportant une cavité- cylin- drique annulaire, ouverte à ses deux extrémités , dans laquelle se projette verticalement ledit orifice de délivrance et, délimitant cette cavité cylindrique annulaire, un élément externe de moule et un élément interne de moule. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens dbextraction mécanique du tube solidifié continu, en aval de la sortie dudit moule. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'extraction magnétique du tube solidifié continu, en aval de la sortie dudit moule. 10. Appareil selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'alimentation fixe, par exemple une cornue, poche de coulée ou- analogue, relié à un conduit, gouttière, goulotte, buse ou analogue débouchant au-dessus de , ou à la partie supérieure de la cuvette du dispositif répartiteur précité. 11. Appareil selon l'une des revendications 7 à 10 , caractérisé en ce que l'élément externe du moule comprend des moyens de refroidissement par un liquide de refroidissement, notamment un espace cylindrique annulaire de circulation d'eau entre un corpsyextérieur et une chemise intérieure au contact de laquelle se trouve le métal, en cours de solidification, contenu dans le moule. 12. Appareil selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'élément interne du moule comprend des moyens de refroidissement par un liquide, cet élément étant notamment creux de manière à former un espace intérieur de circulation d'eau. 13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit élément creux se prolonge vers le haut au-delà de la partie supérieure de l'élément externe et à travers un évidement axial du dispositif répartiteur précité, par un tronçon formant prolongement, lequel prolongement est relié à sa partie supérieure à des moyens de circulation d'eau. 14. Appareil selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que ledit élément interne du moule est formé d'un corps extérieur et d'un corps intérieur se terminant à sa partie inférieu- re par un tronçon de forme conique ou évasée, faisant de préférence légèrement saillie sur la partie inférieure dudit corps extérieur, lesdits corps extérieur et intérieur délimitant entre eux un espace de circulation du liquide de refroidissement et ledit tronçon conique coopérant avec la surface interne évasée de la partie infé- rieure dudit corps extérieur pour former des moyens d'aspersion, par le liquide de refroidissement, de la surface interne du tube solidifié continu. 15. Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de ch.rhge dudSgpsMif répartiteur. 16. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'extraction mécanique précités sont constitués par au moins une paire de rouleaux, à axes horiontaux parallèles, qui sont appliqués sur les cotés opposés du tube solidifié continu et qui sont entralanés en rotation. 17. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'extraction magnétique précités comprennent au moins un électro-aimant dont le noyau est formé par le tube métallique précité ou dont le noyau-est susceptible d'entraSner ledit tube. 18. Appareil selon l'une des revendications 7 à 17 caractérisé en ce que les éléments intérieur et extérieur du moule sont animés de mouvements oscillatoires dissemblablessqui diffbrent par l'une au moins des caractéristiques ci-après : fréquence, amplitude et phase, de préférence des mouvements oscillatoires de mêmes fréquences et amplitudes, mais présentant une différence de phase d'une demi-période.