Brevet FR2422460A1 — publié le 19791109

La présente invention concerne un procédé et une installation pour la fabrication d'ébauches creuses, en particulier pour la fabrication de tubes en acier. L'ide qui est a la base de la présente invention consiste a mettre à profit la technique de coulée continue ou semi-continue de métal en fusion qui repose sur l'extraction de métal liquide vers le haut et à opérer a solidification au cours de lrextraction. La coulée continue ou semi-continue accompagnée d'une extraction vers le haut, peut en principe être envisagée de deux manières. Selon une premiere technique, on peut utiliser soit un four, de préference électrique, soit une poche metallurgique qui comprend du métal liquide et qui se trouve de leur côté a l'intérieur d'une enceinte qui se laisse fermer de façon hermétique. L'enceinte comprend les accessoires nécessaires à l'introduction d'un gaz, servant a augmenter la pression à l'intérieur de l'enceinte, ainsi qu'un conduit ascendant a travers lequel le métal est évacué grâce à la pression crée, pour être solidifié dans une lingotiere et extrait en continu après solidification. Selon une deuxième technique, le métal liquide est amené en continu par un conduit a l'intérieur d'une poche métallurgique qui se trouve dans une enceinte hermétiquement close et qui comprend un second conduit à travers lequel le métal est evacué grâce a la pression ferrostatique créée, pour être solidifié dans une lingotière et extrait en continu. Après solidification suffisante dans la lingotière, on procède à l'ex- traction du produit, ce qui, dans les deux cas, se fait par le haut. Or, pour profiter pleinement des avantages offerts par la combinaison des techniques de la coulée continue ou semi-continue et de l'extraction vers le haut des produits coules, il faut maîtriser les problèmes qui se posent lors de la solidification du métal à l'intérieur de la lingotière. Ces problèmes sont encore plus prononces lorsqu'il s'agit de produire par ce principe des ébauches creuses à l'épaisseur de parois uniforme. La Demanderesse a constaté que l'extraction vers le haut de produits creux peut apporter une amélioration de la qualité au point de vue de la diminution des teneurs en impuretés dans les parois de ces produits. Néanmoins, cette amélioration n'est pas suffisamment prononcée et reproductible surtout lorsqu'il s'agit de fabriquer des tubes en aciers alliés ou inox, ou l'absence d'impuretés est un critère plus astreignant qu'en cas de tubes en aciers non alliés. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé permettant la fabrication continue ou semi-continue de tubes en acier, par extraction ascensionnelle, tout en assurant d'un côté une absence poussée des impu retés inclues dans le métal solidifié et de l'autre côte une flexibilité poussée du procédé, ainsi que l'installation nécessaire à sa mise en oeuvre. Suivant l'invention, ce but est atteint par un procédé qui prévoit d'amener en continu ou en discontinu du métal liquide dans un recipient étanche, de créer à l'intérieur de ce récipient une pression suffisante pour refouler le étal vers une lingotière de coulée continue où le métal est solidifié progressivement et d'extraire de manière ascensionnelle une ébauche creuse, le procedé étant caractérisé en ce qu'on imprime à la veine pleine de métal liquide ascendant par voie électromagnétique un mouvement de rotation autour de l'axe de la lingotière. La rotation sera de préférence la plus intense à l'endroit de la lingotière ou s'amorce le processus de solidification du métal. Cette mise en rotation du métal liquide en voie de solidification produit deux effets distincts, à savoir, un effet dynamique qui provoque une concentration des particules d'impuretés au centre de la masse métallique en rotation, suivant le principe de la centrifugation, et un effet géométrique qui consiste en une surélévation des bords de la surface du métal liquide. L'effet dynamique, grâce auquel on arrive à concentrer les impuretés légères du metal à solidifier aux environs immédiats de l'axe de rotation, et à éviter leur entraînement, est responsable des excellents résultats du point de vue des teneurs en inclusions des tubes fabriqués selon le procédé suivant l'invention. L'effet géométrique, qui se manifeste par une surélévation des bords de la surface du métal en rotation, se traduit par une solidification accélérée et contrôlable du métal prenant la forme du tube à extraire de la lingotière. Lorsqu'on procède par la voie classique à une extraction en continu et vers le haut d'une ébauche pleine hors d'une lingotière sans mettre en rotation le métal liquide, une masse importante de métal liquide en forme d'un cylindre plein doit se solidifier progressivement en partant des parois de la lingotière sur une certaine distance vers le centre. Ceci entraîne la nécessité d'un refroidissement intense, ainsi que d'un contrôle exact des températures du métal liquide et du réfrigérant. Par contre, la situation est toute différente lorsqu'on pratique, suivant l'invention, une mise en rotation du métal liquide. En effet, il ne s'agit alors plus de refroidir une masse de métal liquide en forme d'un cylindre plein, mais une collerette de métal, d'une masse réduite, qui, en étant surélevée contre les parois refroidies de la iingotjère, se solidifie rapidement, de manière uniforme et facilement contrôlable. Le procédé suivant l'invention permet de regler la vitesse d'extraction de l'ébauche creuse tout en variant la vitesse de rotation qu'on imprime au métal liquide. En effet, une variation de la vitesse de rotation du métal se répercute immediatement sur la forme de la collerette de métal liquide qui remonte contre les parois de la lingotière. Ainsi, on conçoit qu'un accroissement de la vitesse de rotation résulte en une collerette de forme plus mince et plus en pointe et conduit, gracie à une solidification accélérée, à la possibilité d'augmenter la vitesse d'extraction. En plus, suivant l'invention, il est possible de régler et de contrôler ltepaisseur de paroi de l'ébauche creuse en modifiant suivant les besoins et la vitesse de rotation qu'on imprime au métal liquide et la vitesse d'extraction. De cette façon, il est aisé de contrôler l'épaisseur de-ltebauche creuse, étant donné qu'il suffit, par exemple, d'augmenter la vitesse de rotation pour amincir la collerette et, par là, la paroi de l'ébauche creuse, pour une vitesse d'extraction donnée. L'installation pour l'exécution du procédé est constituée d'une façon générale d'une enceinte ébauche -pressurisable contenant un réservoir de métal liquide ainsi qu'une conduite ascendante d'évacuation du metal liquide surmontée d'une lingotière suivie des moyens d'extraction appropriés et est caractérisée notamment par le fait qu'au moins un inducteur est dispose autour de la veine de métal liquide ascendant à proximité de l'endroit ou s'amorce la solidification en vue de la création par voie électromécanique d'une rotation autour de l'axe de la lingotière dans le sens de la veine de métal liquide à solidifier. Suivant une forme d'exécution préférée l'inducteur est placé dans le circuit de refroidissement à liteau de la lingotière et est alimenté en courant d'une fréquence inférieure à 15 Hz. I1 est bien entendu egalement possible, si la construction de l'installation le permet, de-prévoir l'inducteur au niveau du conduit réfractaire auquel est raccordée la lingotière ou autour du corps de la lingotière. De même, on peut adapter l'intensité et la fréquence du courant d'alimentation de l'inducteur à la vitesse de rotation voulue, ou régler cette dernière par variation des paramètres précités. La lingotière est de préférence en cuivre, en alliage de cuivre, en fonte alliée amagnétique ou en graphite. Les avantages réalisables grace a l'invention ressortent de la description donnée et sont repris avec référence aux Figures I a 4 qui représentent de façon schématique respectivement les profils d'une masse de métal liquide à l'intérieur d'une lingotière (Figures 1 à 3) ainsi qu'une installation équipée pour la rotation de la veine de métal liquide ascendant (Figure 4). En Figure 1, on voit la surface sensiblement plane d'une masse de métal liquide au repos, c'est-à-dire sans rotation. On conçoit que, lorsqu'on varie la vitesse d'extraction de l'ébauche creuse, soit pour varier la vitesse de production, soit pour ajuster l'épaisseur des parois de l'ébauche, il s'en suivra une variation difficilement contrôlable des conditions thermiques dans la zone de refroidissement. En effet, une augmentation de la vitesse d'extraction devra être accompagnée d'une augmentation de l'intensité de refroidissement, pour accroître la vitesse de solidification du métal liquide. Or, étant donné que la masse de métal à refroidir est relativement élevee, la réponse du système sera lente, si bien que les variations de vitesse d'extraction devront être opérées avec lenteur.Cette perspective est particulièrement défavorable lorsqu'il s'agit d'ajuster rapidement l'épaisseur des parois de l'ébauche par variation de la vitesse d'extraction. En Figure 2, par contre, on voit l'allure du profil du métal liquide soumis à un mouvement de rotation. On comprend qu'il suffira d'une intensité de refroidissement relativement plus faible que précédemnent pour assurer la solidification du métal. En effet, la mise en rotation du métal résulte en la formation de la collerette C de masse réduite dont le refroidissement est mieux contrôlable. La Figure 3 illustre le résultat obtenu par une augmentation supplémentaire de la vitesse de rotation, vis-à-vis de la Figure 2. Ce résultat consiste en un amincissement encore plus prononcé de la collerette C, et en une amélioration correspondante des possibilités de régulation. En effet, on comprend facilement que toute variation désirée de la vitesse de production ou de l'épaisseur de paroi de l'ébauche creuse est facilement et rapidement réalisable, lorsque les interventions nécessaires a cet effet sont soutenues par l'ajustage de la vitesse de rotation du métal liquide. Le cas échéant, on peut aller jusqu'à renoncer à un systeme onéreux de refroidissement variable de la lingotière sans pour autant exclure un refroidissement constant du point de vue intensité. Cette particularité se repercute favorablement sur les frais de l'installation entière. L'exemple d'execution d'installation suivant l'invention illustrée par la Figure 4 comprend essentiellement une enceinte 1 étanche qui est équipée d'un conduit 7 par lequel un gaz, de préférence neutre, peut être amené dans son intérieur à l'aide de la pompe 8, ainsi qu' une jauge de mesure de pression 10. Une poche métallurgique 2 est reposée à l'intérieur de lten- ceinte 1. Cette poche 2 reçoit du métal liquide par un conduit d'alimentation 3 muni d'une vanne 9 et il en ressort un conduit d'evacuation 4 qui débouche dans une lingotière de coulée continue 5 refroidie à l'eau. La lingotière 5, qui peut être une lingotière oscillante est munie d'un inducteur électromagnétique extérieur 6. Elle est suivie d'ailleurs d'un système moteur 11 servant à l'extraction des ébauches creuses.Des organes de contrôle de l'inducteur 6, de la pompe 8 et de la jauge 10 reliés à un microprocesseur 13 peuvent être prévus. L'installation peut comprendre également un système de mesure 12, qui sert à la détermination continue de l'épaisseur de paroi 14 de l'ébauche creuse et qui est relié de son côté au microprocesseur 13. Grâce à un programme établi suivant des données empiriques, recueillies au cours d'essais, le microprocesseur 13 reçoit de la parti du système de mesure 12 de l'épaisseur de paroi 14 des signaux qu'il utilise pour régler, soit le débit de la pompe 8, soit la vitesse de rotation de l'inducteur 6, soit la vitesse de l'entraînement du systeme d'extraction 11. Bien entendu, la presente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la fabrication d'ébauches creuses, en particulier de tubes en acier, selon lequel on amène en continu ou en discontinu du métal liquide dans un récipient étanche, ou on crée à l'intérieur de ce récipient une pression suffisante pour refouler le métal vers une lingotiere de coulée continue où il est solidifié progressivement et on extrait une ébauche creuse de manière ascensionnelle, caractérisé en ce qu'on imprime à la veine pleine de métal liquide ascendant un mouvement de rotation autour de l'axe de la lingotière électromagnétique. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on règle la vitesse d'extraction de l'ébauche creuse et qu'on varie en même temps la vitesse de rotation qu'on imprime au métal liquide, 3.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on règle l'épaisseur de paroi de l'ébauche creuse par variation de la vitesse d'extraction et de la vitesse de rotation qu'on imprime au métal liquide. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on choisit la vitesse de rotation la plus élevée au niveau où S s'amorce la solidification. 5.- Installation pour l'exécution du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, constituée d'une façon générale d'une enceinte étanche pressurisable contenant un réservoir de métal liquide ainsi qu'une conduite ascendante d'évacuation du métal liquide surmontée d'une lingotière suivie de moyens d'extraction, caractérisée par au moins un inducteur disposé autour de la veine de métal liquide à proximité du niveau ou s'amorce la solidification. 6.- Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'inducteur est logé à l'intérieur du circuit d'eau de refroidissement de la lin gotière. 7.- Installation suivant la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que l'inducteur est alimenté en courant d'une fréquence inférieure à 15 Hz. 8.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que des organes de contrôle de llinducteur, de la pompe et de la jauge de niveau du métal en poche sont reliés à un microprocesseur. 9.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8,-caractérisée en ce qu'elle comprend un système de mesure, servant à la détermination continue de l'épaisseur de paroi de l1ébauche creuse, ce système de mesure étant relié au microprocesseur.