Brevet FR2498498A1 — publié le 19820730

La présente invention se rapporte a un appareil pour la coulée directe en coquille de métaux. Plus particulièrement, l'invention vise un moule utilisé pour la coulée continue ou semi-continue de lingots d'aluminium ou de ses alliages dans un procédé de coulée à 'sommet chaud" et dont l'efficacité de lubrification et la durée de vie sont tres ameliorees, ainsi que la qualité des surfaces du lingot. L'invention vise également un dispositif capable de distribuer efficacement et uniformément une huile de lubrification du moule. Les lingots métalliques, tels que les lingots d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, ont été jusqu'a présent coulés par des procédés bien connus de coulée continue ou semi-continue. Depuis peu, un procédé de coulée a partie supérieure chaude ou "sommet chaud", dans lequel un réservoir de fusion pour la réception d'un metal fondu, construit en matiere réfractaire thermiquement isolante, est disposé au-dessus d'un moule de façon a retenir le bain ou metal fondu a une pression hydrostatique elevee au-dessus d'une couche solidifiée de metal,prend rapidement le pas sur les autres procédés. Dans un appareil représentatif utilisé dans ce type de procédé, on emploie généralement un moule de coulée directe en coquille de forme cylindrique et à extrémité ouverte, avec un réservoir de métal fondu construit en matière réfractaire et de type en surplomb pour être placé sur ce moule, une partie d'extrémité inférieure de la périphérie intérieure du réservoir de métal fondu se prolongeant vers l'intérieur au-delà de la surface de la paroi intérieure du moule. Pendant que le métal en fusion à couler est reçu et contenu d'une part dans le réservoir, le métal en fusion subit d'autre part un refroidissement primaire continu, tout en étant maintenu à l'état de colonne dans le moule, à proximité d'une surface de lubrification constituée par de l'huile distribuée sur la surface de la paroi intérieure du moule par l'intermédiaire d'un passage approprié. Ce refroidissement primaire est effectué par un fluide de refroidissement, en général de l'eau, qui circule dans le moule par une communication. Le métal fondu en cours de'solidification subit ensuite un refroidissement secondaire avant d'être extrait en continu par un orifice inférieur du moule sous forme d'un lingot cylindrique vertical. Ce refroidissement secondaire est effectué par un fluide de refroidissement pulvérisé, de manière à obtenir une solidification complète du lingot jusqu'à la partie la plus intérieure du lingot. On peut obtenir par ce procédé un lingot calibré. Ce type de procédé de coulée directe en coquille est très avantageux, en ce qu'il permet d'éviter le réglage strict du niveau de surface du métal fondu dans un moule de coulée, contrairement aux procédés usuels de coulée. Toutefois, ce procédé n'est pas totalement satisfaisant et présente encore certains défauts inhérents, tels que la formation de criques, rides, gouttes froides, etc... sur la surface de coulée du lingot obtenu, à cause du fort effet de refroidissement primaire produit par la surface de la paroi intérieure du moule, la zone accrue de ségrégation des composants au voisinage de la surface de coulée, etc.. On a proposé certaines solutions pour éviter de telles difficultés. Par exemple, le Brevet américain n'4 157 728 décrit un procédé d'injection d'air, d'azote ou gaz inerte, entre le réservoir de fusion en matière réfractaire et le moule de coulée directe en coquille, de manière à diminuer le contact du métal fondu avec ce moule. Le Brevet britannique nel 389 784 décrit un procédé d'insertion d'un manchon en graphite à un endroit du moule de coulée directe en coquille o le métal fondu vient en contact avec ce moule, de manière à atténuer les effets nuisibles du refroidissement primaire du lingot. Aucun de ces procédés ne peut toutefois être considéré comme parfait, d'un point de vue pratique, car ils ne permettent pas une amélioration suffisante de la surface de coulée et de l'état de la surface du lingot.-De plus, ils sont trop compliqués en ce qui concerne les opérations de coulée et la structure du moule de coulée. Plus particulièrement, l'injection de gaz dans le premier procède, est delicate car il est difficile de régler la quantité de gaz introduit. Dans le dernier procédé, la formation de marques ou rides provoquées particulièrement par le graphite est un point faiblein inévitable. La présente invention a pour objet un appareil de coulee directe en coquille, dont la qualité de lubrification est très améliorée. L'appareil de coulée directe en coquille suivant la présente invention, permettant d'obtenir le but visé, comprend un réservoir de bain, en matière réfractaire, pour contenir un métal en fusion, et un moule de coulée directe en coquille disposé au-dessous de ce réservoir. Une partie d'extrémité inférieure de la périphérie intérieure du réservoir de métal fondu se prolonge vers l'intérieur, au-delà de la surface de la paroi intérieure du moule, en position surplombante. Ainsi, le métal fondu contenu dans le réservoir de bain se solidifie progressivement sous l'effet d'un traitement de refroidissement, tandis qu'il descend de façon continue à travers le moule sans perdre sa configuration de colonne. L'appareil suivant l'invention est caractérisé en ce qu'un placage de chrome est appliqué sur la surface de la paroi intérieure du moule, à l'endroit o le métal en fusion vient en contact avec elle. Cette application d'un placage de chrome sur la surface de la paroi intérieure du moule améliore beaucoup la qualité de lubrification de cette surface et diminue la quantité d'huile lubrifiante consommée. Ce dispositif présente également les avantages suivants: le collage ou le soudage du métal fondu à la surface de la paroi intérieure du moule peuvent être efficacement limités; la rectification de la surface intérieure du moule peut ainsi être réduite; la qualité de la surface du lingot est sensiblement améliorée, etc... Outre les dispositions qui précedent, l'invention comprend encore d'autres dispositions qui ressortiront de la description qui va suivre. L'invention sera mieux comprise à l'aide du complément de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est une coupe verticale d'une forme de réalisation d'un appareil suivant l'invention, pour la coulée directe de métaux en coquille - la Figure 2 est un schéma de principe d'un systeme de coulée à plusieurs lignes, dans lequel l'appareil suivant l'invention est incorporé; et - la Figure 3 est une coupe d'un dispositif de distribution d'huile lubrifiante utilisé dans le système de coulée multi-lignes représenté sur la Figure 2. Il doit être bien entendu toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Un moule 12 de coulée directe en coquille, cylindrique et à extrémités ouvertes, réalisé en cuivre pur, est disposé, comme représenté sur la Figure 1, sous une réservoir de bain 10, cylindrique et à extrémités ouvertes, fabriqué en matière réfractaire, qui peut recevoir ou contenir un métal en fusion 11. La partie d'extrémité inférieure du réservoir 10 de métal fondu se prolonge vers l'intérieur et fait saillie au-dela de la surface de la paroi intérieure du moule 12, de manière à former une partie en surplomb 14. Une chambre 16 d'eau de refroidissement est prévue dans le moule 12, de l'eau servant de fluide de refroidissement étant amenée par une conduite 18 d'alimentation de façon à refroidir le moule 12. L'eau de refroidissement est ensuite pulvérisée sur un lingot 22 de métal, à demi solidifié, de forme cylindrique verticale. L'eau pulvérisée est répartie par une fente 20, prévue circonférentiellement autour d'une ouverture inférieure du moule 12. A l'intérieur du moule 12 est prevu d'autre part un dispositif de lubrification qui comprend un réservoir 24 d'huile de lubrification, appelée lubrifiant dans la suite de la description, situé plutôt dans la partie supérieure du moule. Le dispositif comporte également une gorge de lubrifiant 26, pour guider le lubrifiant du réservoir 24 à la partie supérieure de la surface de la paroi intérieure du moule 12, et un conduit 28 d'alimentation en lubrifiant. Le lubrifiant, continuellement distribué par ce dispositif pendant une opération de coulée, engendre une surface de lubrification sur la paroi intérieure du moule 12. Une couche de placage 30 en chrome dur est formée sur toute la surface intérieure du moule 12 avec laquelle le métal en fusion 11 vient en contact. Ce placage 30 de chrome dur reçoit sur sa surface une quantité prédéterminée de lubrifiant,fourni par le réservoir de lubrifiant 24 par l'intermédiaire de la gorge 26. Dans un appareil pour la coulée directe en coquille de métaux, suivant l'invention, une colonne de métal fondu est formée, lorsqu'on l'alimente en métal fondu 11, sur une plaque de base 32, la colonne étant tenue par le réservoir et la paroi intérieure du moule 12. La colonne de métal fondu 11 subit un refroidissement primaire par l'eau de refroidissement qui circule dans la chambre 26 d'eau de refroidissement, ce refroidissement s'effectuant à travers la couche 30 de placage de chrome formée sur la surface de la paroi intérieure du moule 12. La colonne de métal subit ensuite un refroidissement secondaire par l'eau de refroidissement pulvérisée a travers la fente 20 prévue dans la partie inférieure du moule 12. Un lingot 22 complètement solidifié dans sa partie la plus intérieure, peut être obtenu en continu sous forme d'une colonne verticale, en réponse au mouvement descendant de la plaque de base 32. La surface de la paroi intérieure du moule 12, qui porte la couche 30 de placage en chrome dur de façon à présenter une surface lisse, agit comme une surface de lubrification efficace grace au lubrifiant répandu uniformément sur toute cette surface. Cela non seulement améliore l'efficacité de la lubrification, mais prolonge également beaucoup la duree de vie du moule 12 lui-même. La formation de cette couche 30 de placage de chrome sur la surface de la paroi intérieure du moule 12 permet de réduire notablement la quantité de lubrifiant consommée. Les essais effectués montrent qu'une diminution du lubrifiant, par exemple huile de colza ou huile de ricin, de 50 % environ, n'affecte par son étalement uniforme ou son rôle de limitation de la formation de defauts de coulée de la surface, par exemple déterioration de la qualité de la surface du lingot et apparition de criques, rides, etc... Comme autre avantage de la présente invention, on peut citer une diminution du collage entre le moule 12 et le métal fondu 11 ou le lingot 22. Cette diminution empêche efficacement l'accrochage de scories, provoqué par le collage sur la surface même du moule 12, et maintient donc cette surface plate et lisse pendant une longue période. Cela supprime par conséquent l'opération de rectification de la surface qui a été jusqu'a présent nécessaire, et entraïne une réduction du travail demandé par cette opération. La durée de vie du moule 12 s'en trouve beaucoup augmentée. Les effets de l'invention, cités ci-dessus, sont clairement démontrés par les essais suivants Présente Comparaison invention Diamètre du lingot(mm) 65 65 Vitesse de coulée (mm/mn) 450 450 Quantité d'eau de refroidissement (1/mn) 35 35 Placage de chrome (épaisseur en microns) 10 sans Lubrifiant (huile de ricin cm3/mn) 1,5-2 2-4 Ces essais avaient pour but d'effectuer une comparaison de la quantité de lubrifiant consommée, en fonction de la présence ou non de la couche de placage de chrome sur la surface de la paroi intérieure du moule. En l'absence de placage de chrome, il est nécessaire de distribuer le lubrifiant, c'est-a-dire l'huile de ricin, à un débit de 2 à 4 cm3/mn, pour empêcher la formation de collage ou de criques, rides, etc... sur le lingot. Dans le cas du placage de chrome avec une épaisseur de 10 microns, suivant l'invention, il ne se produit sensiblement aucun collage, même lorsque la quantité de lubrifiant est réduite de moitié par rapport aux procédés usuels, c'est-à-dire à 1,5-2 cm3/mn, et il se forme beaucoup moins de défauts de coulée à la surface. En outre, le moule comportant le placage de chrome peut conserver sa surface plate et lisse même après 300 opérations de coulée semi-continue, sans nécessiter aucune rectification de cette surface. Au contraire, des opérations semblables de coulée semi-continue,répétées 30 à 50 fois, provoquent déjà un collage et d'autres défauts de surface nécessitant une rectification de la surface, avec les dispositifs connus. Il est difficile de déterminer exactement l'épaisseur du placage de chrome 30 à former sur la surface de la paroi intérieure du moule 12, car elle dépend beaucoup des conditions de coulée, des types de métaux en fusion, etc..En général, cette épaisseur est de l'ordre de 5 à 30 microns. Si elle est trop faible, le placage 30 devient lui-mëme sans effet et il ne permet pas d'atteindre le but visé par l'invention. Si l'épaisseur est trop forte, cela gêne le refroidissement primaire et, en outre, cela n'est pas avantageux du point de vue de la technologie et du prix. D'une manière générale, le placage de chrome du type ci-dessus peut être obtenu par un procédé connu d'électroplacage ou de placage chimique et il est généralement appliqué sur toute la surface de la paroi intérieure du moule 12. Toutefois, il peut être appliqué seulement sur la partie supérieure de la surface à l'endroit o elle est en contact avec le métal en fusion d'un lingot, la partie inférieure de la surface de la paroi intérieure ne recevant pas de placage car aucun contact n'est prévu à cet endroit. Un appareil suivant la présente invention peut avantageusement être utilisé pour la production de tiges minces en aluminium ou alliage d'alumiunium, d'un diamètre de l'ordre de 40 à 100 mm, mais il peut bien entendu être utilisé efficacement pour la production de lingots en forme de tige de plus grand diamètre. L'invention peut être appliquée avec efficacité à un système de coulée a plusieurs lignes dans lequel l'opération de coulée est effectuée simultanément dans une pluralité de moules groupés dans un système de coulée, en combinaison avec un dispositif de distribution de lubrifiant décrit ci-dessous. Ce dispositif de distribution de lubrifiant, appliqué à un système de coulée multi-lignes comportant une pluralité de moules de coulée dans chacun desquels on introduit une quantité prédéterminée de métal en fusion qui est refroidi et solidifié de manière à obtenir simultanément une pluralité de lingots respectifs, est caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'éléments de pompes disposés en parallèle et qui refoulent une quantité constante, un arbre d'entraînement des éléments de pompes et un moteur à vitesse variable. Ce dispositif distribue le lubrifiant en réponse à l'entraînement de l'arbre commun, en quantité prédéterminée, de chacun des éléments de pompes à chacun des moules de coulée, par l'intermédiaire d'un conduit respectif de distribution de lubrifiant aboutissant à chacun des moule. L'utilisation d'un tel dispositif de distribution de lubrifiant pour envoyer du lubrifiant à chacun des moules permet d'obtenir l'effet maximal de la couche de placage de chrome suivant l'invention, prévue dans chacun des moules. En bref, le système de coulée multi-lignes comprend une pluralité de moules de coulée, munis de la couche de placage de chrome, afin de produire simultanément des lingots dans tous les moules. Dans l'exemple de réalisation représenté à la Figure 2, huit moules 41,semblables au moule 12 décrit plus haut, sont disposés en deux rangées, à raison de quatre dans chaque rangée. Chacun des moules comporte un conduit respectif 42 d'amenée de lubrifiant, par lequel le lubrifiant, par exemple huile de ricin ou huile de colza, peut etre dirigé jusqu'au conduit 28 de distribution de lubrifiant dans le moule. Un autre aspect de la présente invention réside dans l'utilisation d'un nouveau dispositif de distribution de lubrifiant pour chacun des conduits 42 d'amenée de lubrifiant. Ce dispositif comprend une pluralité d'éléments de pompes 43,43, placés en parallèle et de débit de refoulement constant, un arbre d'entraînement 44 pour la commande des éléments de pompes 43,43 respectivement, et un moteur 45 à vitesse de rotation variable accouplé à l'arbre d'entraînement 44. Dans le dispositif 46 de distribution de lubrifiant, la rotation de l'arbre d'entraînement 44, actionné par le moteur 45, provoque le fonctionnement de chacun des éléments de pompes 43 pour envoyer respectivement le lubrifiant en quantité prédéterminee a chacun des conduits 42 d'amenée de lubrifiant. Plus particulièrement, le dispositif 46 de distribution de lubrifiant, représenté sur la figure 3, comprend des éléments de pompes 43 constitués chacun d'une pompe du type à piston plongeur et disposés dans la direction axiale de l'arbre d'entraînement 44. Le mouvement alternatif d'un piston 47, actionné par la rotation de l'arbre d'entraînement 44 qui est immergé dans un réservoir d'huile 48, cette rotation étant transmise par une came 49 et un levier 50, provoque l'aspiration d'une quantité prédéterminée du lubrifiant, stocké dans le réservoir d'huile 48, vers une tête de pompe 52, par l'intermédiaire d'un tube 51. Le lubrifiant aspiré dans la tête de pompe 52 du dispositif 46 de distribution de lubrifiant est refoulé dans le conduit 42 de distribution de lubrifiant, pour chacun des éléments des pompes 43. Un dispositif de chauffage approprie 53 est placé dans le réservoir d'huile 48 pour réchauffer le lubrifiant jusqu'a une température prédéterminée, afin de réduire sa viscosité.Le lubrifiant est maintenu à une viscosité prédéterminée, de façon à ne pas gêner l'opération de pompage des éléments de pompes 43. L'angle d'oscillation du levier 50, qui pivote autour d'un axe 54 sous l'effet du contact avec la came 49, est réglé par un organe de réglage 55, ce qui permet de regler la valeur du mouvement alternatif du piston 47. En plus du réglage de la quantité de lubrifiant refoulée par l'élément de pompe 43, la quantité de lubrifiant envoyée dans le conduit 42 d'amenée de lubrifiant, qui est en général régulée,est ajustée respectivement de façon à concorder exactement aux besoins dans chacun des conduits 42. Dans une opération de coulée utilisant un dispositif 46 de distribution de lubrifiant du type ci-dessus, tous les éléments de pompes 43 sont entraînés simultanément par la rotation de l'arbre d'entraînement unique 44 commandé par le moteur unique 45. Aucun des éléments de pompes 43 n'est jamais défaillant pour refouler une quantité constante de lubrifiant vers chacun des conduits 42 d'amenée de lubrifiant, en raison du peu d'influence d'une éventuelle différence de résistance à l'écoulement dans chacun des conduits 42, ce qui assure qu'une quantité identique de lubrifiant, refoulée par chaque élément de pompe 43, est envoyée à chacun des moules 41 et plus précisément au réservoir 24 de lubrifiant du moule 12 de la figure 1, par l'intermédiaire de chaque conduit respectif 42 d'amenée de lubrifiant. On est donc certain que chacun ds moules 41 peut fonctionner pour la coulée avec la même quantité désirée de lubrifiant. Par conséquent, il n'y a pas de risque de variation de la qualité de surface du lingot, ce qui permet la production de lingots de qualité constante. La quantité de lubrifiant refoulée par chacun des éléments de pompes peut être modifiée facilement et 1l instantanément. Cette modification peut ëtre effectuée similairement pour tous les éléments, par simple variation de la vitesse de rotation du moteur 45, ce qui permet donc de modifier très facilement la quantité de lubrifiant envoyée à chacun des moules 41. Cela est très avantageux pour augmenter temporairement la quantité distribuée dans la phase initiale de l'opération de coulée, puis pour la diminuer progressivement, particulièrement parce que la manoeuvre de réglage est simple et facile. Le dispositif 46 de distribution de lubrifiant, suivant l'invention, est également très intéressant par sa structure compacte, puisque tous les éléments de pompe 43 peuvent être entraînés par un moteur unique 45 et un arbre d'entraînement unique 44. De plus, tous les moules se partagent un seul dispositif 46 de distribution de lubrifiant et ne possèdent pas de dispositif propre à chacun d'eux. Cela procure divers avantages, tels que la suppression des difficultés d'installation du dispositif sur une table étroite de moule de coulée, la suppression des difficultés de fonctionnement relatives à la manoeuvre de l'appareil de coulée, la diminution sensible du coût grâce à l'installation d'un dispositif unique de distribution de lubrifiant, etc... Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Par exemple, bien que le moule 12 utilisé dans les formes de réalisation ci-dessus soit en cuivre pur, il peut être remplacé par un moule en matière thermiquement conductrice choisie dans le groupe comprenant l'aluminium, un alliage d'aluminium, un alliage de cuivre, etc... Dans le cas de coulée d'une plaque, on utilise un moule en forme de prisme régulier, au lieu d'un moule cylindrique. En ce qui concerne le refroidissement secondaire qui est exécuté après le refroidissement primaire par la surface de la paroi intérieure du moule, il est également possible, a la place du procède usuel par pulvérisation de l'eau de refroidissement circulant dans le moule à l'orifice prévu dans la partie inférieure du moule, de refroidir le métal en fusion par pulvérisation d'un agent de refroidissement au moyen d'un ou plusieurs tubes de pulvérisation de cet agent, disposés autour de l'ouverture inférieure du moule. La présente invention est, de cette façon, caractérisée par la formation d'une couche de placage de chrome sur la surface de la paroi intérieure du moule dans un appareil pour la coulée directe en coquille de métaux, de sorte que le lubrifiant peut etre étalé ou diffusé continuellement et uniformément sur la surface intérieure du moule, ce qui engendre la formation d'une surface de lubrification efficace sur la surface intérieure du moule. Cette caractéristique de l'invention presente un grand intérêt industriel en ce que l'effet de lubrification peut ëtre obtenu au degre maximal, la consommation de lubrifiant peut être grandement réduite et le collage du métal en fusion à la surface intérieure du moule peut etre efficacement évité, avec un effet secondaire de suppression de la rectification de la surface intérieure du moule, puisque celle-ci est toujours maintenue propre et lisse. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, -de la - présente invention. REVENDICATONS 1. Appareil pour la coulée directe en coquille de métaux, comprenant un moule (12) de coulée directe en coquille et un réservoir de bain (10) construit en matière réfractaire et placé au-dessus du moule pour contenir un métal en fusion (11) à couler, la partie d'extrémité inférieure du réservoir se prolongeant vers l'intérieur au-delà de la surface de la paroi intérieure du moule pour former une partie (14) en surplomb, le métal fondu étant refroidi en continu et solidifié dans le moule, tandis qu'il est maintenu en position de colonne verticale, caractérisé en ce qu'une surface de la paroi intérieure du moule, à l'endroit o celui-ci est en contact avec le métal en fusion, reçoit un placage (30) de chrome pour former une couche de chrome sur cette surface de paroi 2. Appareil suivant la Revendication 1, caractérisé en ce que la couche de placage de chrome a une épaisseur de à 30 microns. 3. Appareil suivant la Revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le métal en fusion est de l'aluminium ou un alliage d'aluminium. 4. Appareil suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de lubrification (24,26,28) qui distribue un lubrifiant sur la surface de la paroi intérieure du moule pour former une surface lubrifiante. 5. Appareil suivant l'une quelconque des Revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moule comporte une chambre de refroidissement (16), dans laquelle circule un fluide réfrigérant, et une ouverture (20), formée à la partie inférieure de cette chambre, pour pulvériser le fluide réfrigérant circulant dans la chambre de refroidissement sur un lingot de métal (22) qui est extrait continuellement du moule. 6. Equipement de coulée du type à coulée multi-lignes, pour couler de façon continue ou semi-continue 1 4 une pluralité de lingots par alimentation en métal fondu prédéterminé de chacun d'une pluralité de moules suivant la Revendication 1, avant de solidifier ce métal par refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (46) de distribution de lubrifiant comprenant une pluralité d'éléments de pompes (43) en parallèle et de capacité de refoulement constante; un arbre d'entraînement (44) pour la commande de ces éléments de pompes; et un moteur (45) accouplé à l'arbre d'entraînement et de vitesse de rotation variable, de façon à ce qu'une quantité prédéterminée de lubrifiant, refoulée par chacun des éléments de pompes commandés par l'arbre d'entraînement commun, soit dirigée respectivement vers chacun des moules par l'intermédiaire d'un conduit respectif (42) de distribution de lubrifiant.