Brevet FR2462217A1 — publié le 19810213

_. -1_ - 2462217 L'invention concerne des perfectionnements aux installations et procédés pour fabriquer un fil à partir d'un jet de métal ou d'alliage métallique fondu. De telles installations comportent essentiellement un creuset contenant le métal ou l'alliage fondu, une filière disposée dans une paroi du creuset, une enceinte contenant un fluide pressu- risant le métal ou l'alliage métallique fondu dans le creuset, une seconde enceinte disposée à la suite de la filière et contenant un fluide destiné à refroidir le jet de métal ou d'alliage métallique fondu projeté dans la seconde enceinte a travers la filière, sous l'effet du fluide de pressurisationo Il est connu2 dans de telles installations, de déposer le jet sur une veine gazeuse qui sustente le jet (liquide) tout en le refroidissant jusqu'à ce que le jet soit devenu un fil (solide). Ceci permet d'augmenter le diamètre du fil, lorsque le poids du fi! romprait la continuité du jet qui lui a donné naissance. De telles installations nécessitent la mise en circulation de forts débits gazeux et, par suite, de ventilateurs de grande puissance. D'aut-re part, la stabilité de la trajectoire du fil reposant sur la veine gazeuse est précaire et il arrive que cette trajectoire s'carte notamment du plan vertical dans lequel il est souhaitable qu'elle soit contenue. Le but de l'invention est de proposer un procédé et des moyens pour le mettre en oeuvre pour aboutir simultanément au refroidissement, à la sustentation et à la stabilisation du jet et du fil sur une trajectoire à peu près rectiligne et fixe par rapport à l'installation de fabrication, trajectoire dite axe de stabilité du fil. En conséquence et conformément à l'invention,le procédé est caractérisé en ce que l'axe de la filière fait un angle avec la verticale orientée vers le bas, et est contenuainsi que lbze de stabilité dcu jet2dans un plan vertical, et en ce que, dans une section plane perpendiculaire à l'axe de stabilité du jet, la vite-se du fluide est distribuée d'une part symétriquement par rapport audit plan vertical, de façon à atteindre un minimum dans ce plan vertical et à avoir une composante parallèle à cette ôtesse minimale et dont la valeur s'accroît de part et d'autre de ce plan vertical, d'autre part de façon que la vitesse minimale au niveau *.. - 2 - de l'axe de stabilité du jet/une valeur suffisante pour sustenter le jet et lui conférer une trajectoire à peu près rectiligne selon son axe de stabilité, et en amont du dit axe de stabilité une valeur supérieure et en aval du dit axe de stabilité une valeur inférieure à ladite valeur au niveau de l'axe de stabilité du jet. Ainsi, l'écoulement du fluide refroidisseur, à l'état gazeux ou de mélange de gaz et de vapeur et/ou de brouillard, a d'une part une distribution transversale des vitesses d'écoulement, dans tout plan perpendiculaire au fil, symétrique par rapport au plan vertical contenant l'axe de la filière et l'axe de stabilité du jet, plan vertical dans lequel les vitesses sont minimales, d'autre part, dans ledit plan vertical, une distribution verticale telle que la vitesse au niveau du fil fournit sur celui-ci une poussée aéro- dynamique qui neutralise la composante normale au fil du poids.du fil, tout en étant plus élevée en amont du fil et plus faible en aval du fil. Grâce à la distribution transversale des vitesses conforme à l'invention dans ledit plan perpendiculaire au fil, le fil, lorsqu'il s'écarte transversalement du plan vertical dans lequel il doit se trouver, est renvoyé dans le plan vertical par suite de la différence des vitesses de l'écoulement refroidisseur -sur les faces du fil la plus éloignée et la plus rapprochée du plan vertical. Quant à la distribution verticale des vitesses dans ledit plan perpendiculaire au fil, celle-ci permet d'exercer une poussée aérodynamique plus élevée que la composante normale au fil du poids du fil lorsque celui-ci suit une trajectoire située au- dessous de l'axe de stabilité du fil. Inversement, si la trajectoire du fil passe au-dessus de l'axe de stabilité du fil à un niveau oh la vitesse est plus faible, la poussée est inférieure à la composante normale du poids du fil et celui-ci revient vers l'axe de stabilité du fil. Grâce à la double distribution des vitesses conforme à l'invention dans ledit plan perpendiculaire au fil, le jet se trouve par conséquent ramené à la fois transversalement et e.; hauteur, dans l'axe de stabilité du fil. Sur celui-ci, le fil est porté par la poussée de l'écoulement, égale à 1 CzPV 2 (O est le pe-rpendiîculaie 2 coefficient de pousséee par unité de longueur, essentiellement fonction du diamètre du fil; p/masse spécifique la du fluide refroidisseur; VM vitesse locale moyenne au niveau du fil). De préférence, on associe le procédé selon l'invention à un refroidissement par un écoulement du fluide refroidisseur ayant une composante de vitesse parallèle au fil. Avantageusement, la vitesse et la direction dudit écoulement sont sensiblement les mêmes que ceqx du fil sur son axe de stabilité. La traînée aérodynamique narallelement a l'axe de stabilité /du fil en est pratiquement annulée. On évite ainsi des défauts géométriques, tels qu'ondulations ou mise en zig-zag du fil. D'autre part, la traînée aérodynamique du fil peut être neutralisée en inclinant l'axe de stabilité (l'axe de la filière) de façon que la composante du poids du filpara-Ilèle à l'axe de stabilité soit en valeur absolue au plus égale à la tratnée aéro- dynamique du fil dans le milieu refroidisseur et de direction opposée à celle-ci. L'angle entre l'axe de stabilité et la verticae descendante est, par suite, inférieur à 900. Le dessin illustre le fonctionnement de l'invention ainsi que des exemples de moyens relativement simples pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention. Sur ce dessin - les figures 1 A à 1 C montrent un exemple de distribution des vitesses à différents niveaux de stabilité du fil, - la figure 2 représente en coupe schématique, perpendiculairement à l'axe de la filière, un dispositif pour produire un champ de vitesses conforme à l'invention à l'aide de deux cylindres, - la figure 3 montre en coupe selon le plan vertical contenant la filière, les éléments essentiels d'une installation telle que revendiquée, dans laquelle le champ des vitesses est produit par les cylindres selon la fig. 2, et - la figure 4 est un diagramme des efforts s'exerçant sur l'unité de longueur du fil sur l'axe de stabilité dans l'installation selon la fig. 3. Sur les fig. 1 A à 1 C on voit la trace ZZ' du plan vertbal contenant l'axe F de la filière et l'axe de stabilité/du fil. Le niieau horizontal correspondant à la position stable du fil est figuré par la droite transversale YY' (fig. 1 B) qui coupe la trace ZZ' sur l'axe de stabilité S du fil en formant un angle droit. -4- La distribution des vitesses du fluide refroidisseur aux niveaux Y1Y'1 (fig. 1 A) en amont du niveau de stabilité YY' du filY2Y'2 (fig. 1 C) en aval de ce niveau, ainsi qu'au niveau de stabilité YY' lui-même (fig. 1 B) est symbolisée par des flèches issues de l'une des trois droites parallèles Y1Y'1, YY' et Y2Y'2. Les flèches indiquent la direction de la vitesse, leur longueur la valeur de la vitesse par rapport au niveau considéré, au fur et à mesure que l'on s'écarte transversalement, le long des axes transversaux Y1Y'1, YY' et Y2Y'2,du plan vertical de trace ZZ' contenant l'axe de stabilité S du fil 1 et l'axe F de la filière. Selon l'invention, les vitesses sont distribuées symétriquement par rapport au plan de trace ZZ' et par rapport à la vitesse minimale située dans ce même plan perpendiculaire à l'axe de stabilitéddu fil 1. Ces vitesses minimales sont V1 en amont, V2 en aval et-V au niveau de stabilité YY' du fil. Selon l'invention, et dans le plan vertical de trace ZZ', la vitesse minimale V1 en amont est plus élevée que la vitesse minimale V0 au niveau de stabilité. V2, vitesse minimale en aval du niveau de stabilité YY', est à son tour plus faible que Vo0, vitesse minimale au niveau de stabilité YY'. Si P est le poids linéaire du fil 1 et e l'angle de l'axe de stabilité S du fil avec la verticale descendante, en utilisant les mêmes notations que plus haut, on a au niveau de stabilité YY' du fil 1: P x sin = + Cz Vo, Vom étant la vitesse moyenne agissant (efficace) sur le fil lorsque celui-ci est-confondu avec son axe de stabilité. On obtient (fig.2) un écoulement du fluide refroidisseur ayant une distribution symétriqde et dégressive, selon l'invention, à l'aide de deux cylindres 2 de même rayon R, à axes parallèles2', tournant l'un par rapport à l'autre en sens inverse tels que les parties des surfaces 2" des cylindres proches de l'axe de stabilité du fil aient des mouvements ascendants. Cette distribution est symétrique par rapport auplan ZZ'contenant l'axe de stabilité S particulier du fileWau niveau YY', le plan vertical de trace ZZ' étant en même temps un plan de symétrie pour les deux cylindres 2 et ceux-ci étant distants l'un de l'autre d'une longueur E comprise entre environ 0,3 et 3 % du rayon des cylindres. En raison de sa viscosité le fluide refroidisseur est entraîné par les parois des deux cylindres en rotation de façon que, au niveau aval Y2Y'2 par exemple, la vitesse du fluide sur la paroi des cylindres est VT2. 2462217 - - 5 - 2462217 Cette vitesse VT2 a une composante V'2 parallèle au plan vertical de trace ZZ' qui est plus grande que la vitesse minimale V2 sur la trace ZZ' en raison de l'éloignement de cette trace des surfaces 2" des cylindres. Au niveau de stabilité YY' du fil 1, on a une distribution des vitesses (non représentée) analogue à celle au niveau Y2Y'2. Dans lVensemble, les vitesses, et en particulier la vitesse de sustentation V0 du fil dans le plan de trace ZZ', sont plus élevées à ce niveau Tf' puisque les cylindres sont plus rapprochés l'un de l'autre. Au niveau Y1Y'1 en amont du fil 1 la vitesse V1 dans le plan vertical de trace ZZ' est plus élevéeque V0, car le niveau Y1Y'i passe par les axes 2' des cylindres 2 et la distance séparant les deux cylindres 2 atteint son minimum E à ce niveau. La vitesse circonférentielle des cylindres 2 est comprise entre environ 4 et 1 00 mso Sur la fig 3 on voit, partiellement et schématiquement représentés le creuset 30 contenant lenxtal en fusion 31, la filière 32 disposée dans la paroi du creuset 30, une enceinte de pressurisation 33 coiffant le creuset 30, une enceinte de refroidis. sement 34 faisant suite à la filière 32 Dans l'enceinte de refroidissement 34 sont installés les cylindres rotatifs 2 conformes à l'invention dont les axes sont repérés 2'o L'axe F de la filière est incliné d'un angle a% égal à 850 par rapport à la verticale descendante. Les cylindres sont entraînés par un moteur commun (non représenté) et tournent en sens inverse grâce à un système de transmission approprié (non représenté). Ils peuvent 8tre munis d'une circulation de fluide refroidisseur pour abaisser la température du fluide de refroidissement qui pénètre dans l'encene 34 par une tubulure 360 Le jet (fil) 37 sortant de la.filière 52 suit une trajectoire légèrement concave vers le hau%,/il suit l'axe de stabilité sensiblement rectiligne et arrive sur une bobine 38 qui l'enroule. L'axe de stabilité S du fil est légère- ment incliné vers le bas afin de neutraliser la traînée aéro- dynamique T du fil (fig. 4). Mais le procédé conforme à l'invention envisage aussi de neutraliser la traînée T soit partiellement, soit en totalité, à l'aide d'un écoulement (non représenté) parallèle à l'axe de stabilité du fil et de même vitesse (en sens et en valeur absolue) que celle du fil. Dans le cas de neutralisation par l' inclinaison de l'axe de stabilité S à un angle S inférieur à 900, -6- l'inclinaison de l'axe de la filière 32 se situe à un angle c inférieur à l'angle 3. Par exemple pour y = 85 , on a 0 = 870. Le poids P du fil fait un angle p avec l'axe de stabilité S (le fil) et la composante P cos du poids linéaire P du fil selon l'axe de stabilité est égale, mais de sens opposé, à la traînée T. La force sustentatrice du fil par l'écoulement refroidisseur selon l'inven- tion est égale à Czf Vo2. Comme le montrent les exemples qui suivent, le niveau de stabilité YY' du fil se situe à une distance H du niveau Y1Y' passant par les axes des cylindres. Cette distance H dépend essentiellement de la masse spécifique et du diamètre du fil, de la masse spécifique et de la viscosité du milieu refroidisseur, et du rayon R, de l'écartement E et de la vitesse de rotation N des cylindres. 1er exemule: Fil d'acier de 0,23 mm de diamètre R = 0,08 m. Fluide de refroidissement: 64 % mol de propane pulvérisé dans 36 Io mol d'hydrogène. E (mm) N 0,5 0,5 - 1,0 1,0 2e exemple: Fil R = Fluide de refroidissement 36 % mol d'hydrogène. (t.mn 1) d'acier de 0,08 m. : 64% mol E (mm) N (t.mn1) 0,5 2 400 0,5 3 200 1,5 2 400 1,5 3 200 3e exemple: Fil d'acier de R = 0,10 m. Fluide de refroidissement-: 50 % mol % mol d'hydrogène. E (mm) X (t.mn 1) 1,0 3'600 1,0 5 900 2,0 5 200 2,0 6 700 H (mm) 1,0 mm de diamètre de propane pulvérisé dans H (mm) 2,5 mm de diamètre de propane pulvéi.sé dans H (mm) 7 - 2462217 4e exemole: Fil d'acier de 5,0 mm de diamètre R = 0,15 mo Fluide de refroidissement: 60 % mol de propane pulvérisé dans % mol d'hydrogène. Em N t.mn-m 1,0 3 700 28 1,0 6 000 31 2,0 5 300 25 2,0 6 800 28 5e exemle conditions identiques à celles du 2e exemple. La vitesse du fil étant de 10 ms-1, les axes de rotation des cylindres font un anglede87O avec la verticale descendante OZ. On constate une diminution considérable des ondulations et mises en zig-zag du fil. Plusieurs paires de cylindres peuvent être disposées les unes à la suite des autres, selon les besoins. Le procédé conforme à l'invention permet des gains d'espace et d'énergie considérables. Dans le cas de l'exemple 3, le volume intérieur de l'enceinte de refroidissement est de 1 m3 environ, alors que le procédé usuel requiert un volume de 140 m3. La puissance nécessaire pour mettre en rotation les cylindres et assurer en outre une ventilation de 10 m.s-1 parallèlement au fil de même vitesse n'est que de 28 kW au lieu de 300 kW pour une ventilation selon le procédé usuel. Le procédé selon l'invention est applicable, comme le montrent les exemples, à des fils dont le diamètre peut se situer dans une plage très large. Enfin,le procédé selon l'invention est pratiquement indépendant de la vitesse de projection du jet de métal liquide, c'est-à-dire de la vitesse à laquelle défile le fil entre les deux cylindres en rotation. L'expérience montre que le but de l'invention est atteint lorsqu'on réalise au niveau de l'axe de stabilité YY' un écoulement ayant un gradi nt de vitesse transversale (selon l'axe YY') moyen C exprimé en s-1 compris entre g vm et 4 X d e avec: masse spécifique du fil en kg.m-3, : masse spécifique du milieu refroidisseur, en kg.m 3, d: diamètre du fil en m, 2 g: accélération due à la pesanteur, en m.s - 8 - REVE-DICATIOES 1. Procédé pour fabriquer un fil de métal ou d'alliage métallique en projetant un jet de métal ou d'alliage métallique en fusion à travers une filière dans une enceinte contenant un fluide de refroidissement dans lequel le jet se solidifie, ce fluide étant animé, au moins jusqu'à la solidification du jet, d'un mouvement dirigé perpendiculairement vers le jet, caractérisé en ce que, comme connu en soi, l'axe de la filière fait un angle avec la verticale orientée vers le bas, et est contenu,ainsi que l'axe de stabilité du jetdans un plan vertical, et en ce que, dans une section plane perpendiculaire à l'axe de stabilité du jet, la vitesse du fluide est distribuée d'une part symétriquement par rapport audit plan vertical, de façon à atteindre un minimum dans ce plan vertical et à avoir une composante parallèle à cette vitesse minimale et dont la valeur s'accroit de part et d'autre de ce plan vertical, d'autre part de façon que la vitesse minimale au niveau de l'axe de stabilité du jet ait une valeur suffisante pour sustenter le jet et lui conférer une trajectoire à peu près rectiligne selon son axe de stabilité, et en amont du dit axe de stabilité une valeur supérieure et en aval du dit axe de stabilité une valeur inférieure à ladite valeur au niveau de l'axe de stabilité du jet. 2. Installation pour fabriquer un fil de métal ou d'alliage métallique selon le procédé de la revendication 1, caractérisée en ce que dans l'enceinte de refroidissement est disposée au moins une paire de cylindres de même rayon, les axes des cylindres étant parallèles entre eux, parallèles au plan vertical passant par l'axe de la filière et7l'axe de stabilité du jet (fil) et disposés symétriquement par rapport audit plan vertical, les deux cylindres étant dépourvus de contact l'un avec l'autre et tournant en sens opposés l'un par rapport à l'autre et de bas en haut par rapport à la verticale descendante à une vitesse tangentielle telle que le fil se trouve sustenté en équilibre stable dans ledit plan de symétrie vertical des cylindres au-dessus du niveau défini par le plan perpendiculaire audit plan de symétrie et passant par les axes de rotation des deux cylindres, l'espacement entre les deux cylindres étant compris entre environ 0C3 et 3 % de leur rayon commun et leur vitesse périphérique entre environ 4 et 120 ms1. - 9 - 2462217 3. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que l'on utilise en outre un écoulement du fluide refroidisseur parallèle à l'axe de stabilité du fil, de même sens que la vitesse du fil et de vitesse voisine de celle du fil sur son axe de stabilité. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de stabilité du fil forme avec la verticale descendante un angle f inférieur à 900, de façon que la composante du poids du fil tangente à l'axe de stabilité soit au plus égale en valeur absolue et de direction opposée à la traînée aérodynamique du fil dans le milieu refroidisseur. , Procédé selon l'une des revendications 1, 3 et 4, caractérisé en ce qu'au niveau de l'axe de stabilité la vitesse du fluide a un gradient de vitesse transversal moyen VO compris entre et y 9 et 4 X