Brevet FR2509207A1 — publié le 19830114

-1 - PROCEDE DE COULEE CONTINUE VERTICALE A GRANDE VITESSE DE L'ALUMIINIUI ET DE SES ALLIAGES La présente invention est relative à un procédé de coulée continue ver- ticale à grande vitesse de l'aluminium et de ses alliages, notamment sous forme de billettes et de plaques dont la plus petite dimension n'excède pas 150 mn. L'home de l'art connaît depuis longtemps le procédé de coulée verticale dans lequel un métal à l'état liquide est moulé en continu par passage de haut en bas dans une lingotière sans fond, refroidie, pour former des billettes ou des plaques de longueur plus ou moins grande. Au cours des décennies, cette technique a été perfectionnée en vue d'en améliorer les performances à la fois sous l'angle capacité de production et qualité. l Dans la recherche d'obtention de vitesses de coulée plus grandes, on s'est heurté à des problèmes de défauts de surface physiques: peau ir- régulière, et chimiques: ségrégations inverses qu'on a résolu d'abord de façon peu satisfaisante en soumettant les produits coulés à des opé- rations intermédiaires de scalpage Puis, différents aménagements con- cernant les matériaux des lingotières et leur lubrification, les dispo- sitifs de refroidissement, le programme de coulée, ont permis de réduire et même de supprimer, dans certains cas, ce scalpage. Plus récemment, et en vue, notamment, d'obtenir des produits directe- ment utilisables à la transformation, on a eu recours à des dispositifs particuliers de mise en forme tels que, par exemple, le HOTTOP dans le- quel la lingotière est surmontée d'une rehausse, sorte de réservoir de métal liquide de section voisine de celle du produit coulé et de hau- teur variable constituée par un matériau réfractaire et isolant. Un tel dispositif conduit à l'obtention de produits ayant un état de surface amélioré toutefois, suivant le type d'alliage coulé, on cons- tate qu'il y a une vitesse optimum à ne pas dépasser, sinon, il se pro- duit un arrachement de la peau Certes, en associant ces rehausses à des lingotières de faible hauteur, on parvient à limiter ce défaut, mais un tel couplage n'est pas applicable à des plaques d'épaisseur voisines de 150 mm car, en raison de leur déformation au moment du démarrage, elles peuvent endommager la rehausse notamment lorsque celle-ci a un diamètre inférieur à celui de la lingotière. Dans ces conditions, il apparaît que, si on veut couler des billettes de O 100 m, de bonne qualité, même avec une lingotière de 1,5 cm de hauteur, on peut au mieux atteindre avec l'alliage le plus convenable une vitesse de 300 mm/mn, ce que confirme d'ailleurs le brevet fran- çais n 2 249 728. Une autre façon de réduire l'apparition de défauts à la surface des produits coulés consiste à effectuer le moulage en dehors de tout con- tact avec une lingotière On y parvient en faisant passer le métal li- quide au centre d'un inducteur qui crée un champ électromagnétique et engendre ainsi des forces qui contribuent à donner au liquide une forme définie Cette forme est alors maintenue en solidifiant le métal par ar- rosage direct au moyen d'un fluide calouorteur. Un tel procédé a, sans conteste, permis d'améliorer notablement l'état de surface des produits coulés et de réduire fortement l'apparition des ségrégations inverses, toutefois, il présente certains inconvénients. C'est ainsi que son application nécessite le maintien d'une hauteur constante de métal liquide au-dessus de l'interface avec le métal so- lidifié Pour y parvenir, on met en oeuvre un ensemble busette-flotteur plus ou moins encombrant et dont la mise en place devient particulière- ment génante lorsqu'on a pour objectif de couler des pièces dont l'une des dimensions ne dépasse pas 150 mn De plus, si l'on veut augmenter la vitesse de coulée au-delà de certaines valeurs, on provoque des tur- bulences au niveau de cet ensemble qui se traduisent par des déforma- tions du ménisque du métal et l'apparition d'ondulations à la surface du produit coulé En outre, ces déformations peuvent amener le niveau du métal en fusion sur la trajectoire du fluide caloporteur ou conduire à la formation d'une peau qui sera encore mince au moment o elle échappera à l'action du champ et, de ce fait, se déchirera sous l'effet de la pression métallostatique, ou encore provoquer la refusion de cette 2 509207 peau, autant de conséquences qui auront pour effet d'accroître les dé- fauts de surface sans parler des dangers encourus par le personnel à cause des risques d'explosion. Ces difficultés font que, dans le cas de billettes de diamètre 150 mm, on parvient difficilement à des vitesses de coulée supérieures à 300 mm/minute. La demanderesse, ayant pour but d'arriver à couler des billettes ou des plaques dont la plus petite dimension n'excède pas 150 mm à une vitesse supérieure à 500 mm/minute, a cherché et mis au point un procédé qui permet de surmonter les difficultés qui viennent d'être signalées. Ce procédé de coulée verticale en continu combine l'utilisation d'une rehausse pour l'alimentation en métal liquide, d'un inducteur électroma- gnétique et d'un dispositif de refroidissement direct pour la mise en forme du produit à fabriquer Il est caractérisé en ce que l'on règle la position de la rehausse par un mouvement vertical par rapport à l'induc- teur qui crée le champ de manière à maintenir au cours de la coulée une distance constante entre le plan de base de la rehausse et le plan pas- sant par le front de solidification à la périphérie du produit coulé. Ainsi, la demanderesse utilise une rehausse classique de section voisine de celle du produit coulé, ouverte à ses deux extrémités et dans laquel- le le métal liquide est amené jusqu'à une certaine hauteur au moyen d'un système d'alimentation approprié A l'extérieur de cette rehausse, et disposé à peu près à son niveau, se trouve un dispositif annulaire de refroidissement qui arrose le produit coulé sur toute sa périphérie à une distance du plan de base de la rehausse telle que la solidification s'amorce en-dessous de ce plan, et qu'il subsiste sur toute la section du produit coulé une zone de liquide non confinée. C'est sur cette zone que s'exerce l'action du champ créé par l'induc- teur et qui a pour effet de contrebalancer la pression métallostatique du liquide contenu dans la rehausse et d'imposer au liquide non confiné un profil déterminé. -4- En fonctionnement, la solidification s'amorce à la périphérie du produit suivant une lignne contenue dans un plan généralement perpendiculaire à l'axe de la coulée si le dispositif de refroidissement est convenable- ment placé et elle se propage de manière à peu près symétrique et pro- gressive vers l'intérieur et le bas du produit jusqu'à ce que le contact entre les phases liquide et solide se réduisent, à une distance plus cou moins grande de la rehausse, à un point ou à une portion de droite suivant la section du produit coulé La limite entre les phases est ap- pelée front de solidification. Un tel système ne permet pas d'atteindre les vitesses de coulée souhai- tées car le front de solidification n'est pas stable et se déplace d'au- tant plus vers le bas que la vitesse est grande Il en résulte un allon- gement de la zone de liquide non conifiné tel que l'action du champ s'avère insuffisante, ce qui conduit à la formation avant solidification d'un profil anormal ou même à des coulures de métal. La demanderesse a résolu ce problème en réglant la position de la rehaus- se par un mouvement vertical par rapport à l'inducteur de manière à nain- tenir une distance constante entre-le plan de base de la rehausse et le plan passant par le front de solidification à la périphérie du produit coulé Un tel réglage permet, en effet, lorsque le front a tendance à s'éloigner de la rehausse, de maintenir la zone de liquide non confiné à une hauteur compatible avec une géométrie régulière du produit Cette hauteur est maintenue inférieure à 15 rm et, de préférence, à 10 m sans être jamais nulle, auquel cas la solidification s'effectuerait alors à l'intérieur de la rehausse et conduirait à l'apparition d'un mauvais état de surface. La rosition de la rehausse étant ainsi liée à celle du front, il faut d'abord repérer cette dernière On peut faire ce repérage avec tout moyen connu de l'homme de l'art comme, par exemple, des sondes, ou en se ser- vant de relations mathématiques qui donnent la position du front par rap- port au point d'impact de l'eau en fonction de la vitesse de coulée. Puis,on rèale la position de la rehausse en la déplaçant verticalement à l'aide d'un système quelconque qui-peut être asservi au moyen de repéra- ge de la position du front. -5- La demanderesse a également trouvé que le déplacement de la rehausse pouvait être combiné avec un mouvement du disnositif de refroidissement. Il faut d'abord savoir que la zone d'impact du fluide caloporteur, parti- culièrement quand ce dernier est de l'eau, doit être située en dehors de la zone de liquide non confiné, sinon il y a réaction chimique avec l'aluminium et risque d'explosion Aussi, le jet de fluide est-il diri- gé vers la partie solide du produit. En régime équilibré, le front de solidification s'établit à une distance constante au-dessus de la zone d'impact; on peut donc régler la posi- tion du front en jouant sur le déplacement du dispositif de refroidisse- ment. Lorsqu'on augmente la vitesse de coulée, on a vu que le front descendait; si l'accélération est faible, on reste proche des conditions d'équilibre et le front de solidification peut être maintenu en laissant le disposi- tif de refroidissement immobile; par contre, si l'accélération est - grande, on déséquilibre le système et on est obligé de déplacer vers le bas le dispositif de refroidissement pour éviter d'arroser la zone li- quide De préférence, la limite supérieure de la zone arrosée par le fluide du dispositif est située à une distance du front comprise entre 1 et 6 mm. Le régime de croisière étant atteint, on peut remonter progressivement le dispositif pour faire remonter le front à une position voisine du mi- lieu de l'inducteur qui est la plus favorable à la coulée La rehausse ayant été descendue, comme on l'a vu plus haut, pour maintenir la zone de liquide non confiné à une hauteur constante, on peut maintenant la remonter en suivant le déplacement du front vers le haut On retrouve ainsi progressivement les positions initiales de la rehausse et du dis- positif de refroidissement et on peut à nouveau procéder à une nouvelle accélération. Ainsi, la combinaison des deux mouvements permet une augmentation plus grande de la vitesse. Le mouvement du dispositif peut ici aussi être obtenu par tout moyen convenable. Les réglages de distance indiqués plus haut sont assez précis et néces- sitent donc d'avoir des zones d'impact bien délimitées Ceci est réali- sé au moyen de dispositif délivrant des lames d'eau périphériques, d'épaisseur inférieure au millimètre, faisant un angle faible avec la verticale et compris entre 10 et 30 Il faut aussi propulser le fluide à une grande vitesse de manière à éviter les phénomènes de caléfaction; on applique, en général, une pression suffisante pour avoir au moins 1 m/sec. Nénamoins, on ne peut débiter en cet endroit une quantité de fluide suf- fisante pour atteindre une solidification complète C'est pourquoi, on complète le refroidissement au moyen d'un étage supplémentaire. Cet étage peut comprendre tout dispositif distributeur de lames et de gouttelettes Toutefois, les exigences sur la précision de l'irwact sont moins grandes On peut, par exemple, utiliser des lames de 2 mm d'épais- seur dirigées vers le bas suivant un angle supérieur à 45 et se propa- geant à une vitesse supérieure à 3 m/sec. Au cours de la coulée, le niveau de liquide dans la rehausse peut va- rier de façon à avoir au-dessus du front de solidification, à la péri- phérie du produit, une hauteur comprise entre 20 et 80 rn. L'invention sera mieux comprise à l'aide du dessin accompagnant la pré- sente demande et qui représente un ensemble de coulée pour mise en oeu- vre du procédé selon l'invention. On y voit la rehausse ( 1) mobile, présentant une partie supérieure élargie de manière à faciliter le montage du système d'alimentation busette- flotteur ( 2) et une partie inférieure de section voisine de celle du produit coulé, l'inducteur ( 3), générateur du chamo électromagnétique qui agit sur la zone du métal liquide ( 4) située en-dessous de la rehausse, -7- le dispositif de refroidissement ( 5) mobile placé autour de la re- hausse qui envoie une lame d'eau ( 6) périphérique au-dessous du front de solidification ( 7), un étage complémentaire de refroidissement ( 8) placé en-dessous de l'inducteur et qui délivre un jet de fluide ( 9). En fonctionnement, le système busette-flotteur maintient le niveau de métal liquide ( 10) à une hauteur convenable tandis que l'on commande le déplacement de la rehausse et du dispositif de refroidissement, de manière à arroser le produit coulé immédiatement en-dessous du front, et à faire remonter ce dernier quelle que soit la vitesse de coulée au niveau du milieu de l'inducteur et à maintenir une distance cons- tante entre le plan de base de la rehausse et ledit front. L'invention est illustrée à l'aide des exemples suivants: EXEMPLE 1 Au moyen d'une installation comprenant une rehausse de diamètre inté- rieur de 120 mnm, de hauteur 80 nmm, un dispositif de refroidissement débitant 3 m 3/heure d'eau sous forme d'une lame d'épaisseur de 0,8 mm inclinée à 30 degrés par rapport à la verticale, circulant à une vi- tesse de 2,5 m/sec, un inducteur alimenté sous une tension de 10 V avec une intensité de 42 (X) A ayant une fréquence de 2 000 Hz, un dispositif de refroidissement complémentaire débitant 6 m 3/heure d'eau sous for- me d'une lame d'épaisseur de 1 mm inclinée à 45 degrés par rapport à la verticale, circulant à une vitesse de 3,5 m/sec, on a coulé une bil- lette de 120 mm diamètre d'un alliage d'aluminium 5754 à la vitesse de 900 mm/minute en maintenant,entre le plan de base de la rehausse et le plan passant par le front de solidification,une distance de 13 mm et entre la -limite supérieure de la zone arrosée et le front de solidifi- cation, une distance de 1 min - La hauteur du métal liquide au-dessus du front de solidification repéré à la périphérie du produit a varié entre 30 et 50 min. EXE PLE 2 Au moyen d'une installation comprenant une rehausse de section inté- alfied cc -JUDS op zuattia-ille-il unmr:lu-e:iissazgu au a D-egans aun lua:luasajd wb -ze um (SL s-ed ap Q:)xau uo-isuem all:tad sn Id -el zuop s Grib-eld op no saljal -Ilq op aïaucj snos "a:lnului/um OOS e saineii,- dns Sa SSGZIA SOP Q Sa',o'vlljt ses ze miuim uj nulzum ue 291 no D op z GUU Gd UO-I:IUG AU-r G:JUGS Gid vl -Uw v op a Dtmzslp aun luoizmijipil - os op -4 uoi:F el:la apsexar auoz -el op a-ine-piedns a,;zut-l el az Lue:ta m tq op a 3 ue:lsip aun Iluo-r:l-e D Ig Ip Ilos op zuoij el jrd Zuessucl urld ul Zo assn-eqai -el op es-eq op ueld al ua aznulm sud tiu cg/ op OS Sa JIA Ul j OS(L b MI Uluinlu,,p efuillu unp wu m i x oo L op ei-ould Gan çz glno:) -c uo, Ilzas/tii ( 11 Z op Gssa:IIA aun -Q queln Di-L-n Q:Iiod -d-ci xed saj ap st, k sapull:)ul um L aness-reciap sei-el aiz-enb op atiuog snos ainaq/úiu (S zuuzlqpp oi-ru:iueiugldwo D un "Z-q 000 Z OP O Du Gnb P-'J oun Zuleé-le V 006 S OR 91 TSW)-lui Gun -3 o Au A 6 L op Uo Tsua:l aun snos 9:lue-uql-e ina:l:)npul un g Des/ui t IZ op asse:11 A oun oz Q zue In Dii 3 &alu Dizae A ul -Q:1-iodd-ea xed saiú'> op SL e -gullnu-r um Leo mass 7 r-edg p auxl aurip auuog snos n-eap a-in; Dil/útu LL 4 ueziq 9 p:iuawas -si:plo iga i op jlz-fsods 7 ip un Irdui (S ina:lnuq op luid Wú L x Oo L op aina-ii -pzul uoli Das op assnuqai aun zutuaiduio 3 uoizulltzsul aunp ua Xow n V CL wu ú U 2: op a:Due:lsip aun Iluo-r-z-e Dj-Tipl-ros op :Iuo ig: 01:la Gasola-e Guoz v T op ainai: iac Lns a-4 WU -el alzua la WU S' op ameis Tp aun 'uoi:i-e 3 i: -Eplios op zuoag el sied zuess-ed u-eld el:la assnuq -ai rl op asuq op ueld el ax:iual:lu-aua:lu-rim ue eznului/wu og 6 op asse-41 A OL ul i os(L mniuimir p e 2 viliv un p ma ooz x oo L op enbuld aun alnoz -e uo 'Des/ta ZIú op assaz-FA aun -Q -zu-eln-3-i-r D 11 alm-riae A el j, Ziodd-ci iud S-9-12 ap st, e SOGOE Izut im L artassreda p souoel x-nap op ettuog snos nua p a-inailftià St zue:llqgp a-i-út,:iuaugldwo:) -zuewass-lploigei op gl:llsodsi:p un 'ZH 000 Z op a Dueiibgig: aurt -zu-e X-e V ( O ú 9 OP D- isua ZU-1 Zim-:)GA-e A S 8 L op uo-isua:l aun snos i:luaur le inaaznpul un & Des/ut S'Z op asseql & ourt Q:iuuln:) i-r:) -el 12 xed sai 2 ap St j eau-Il Dui um LI'( -inass-r-edo p aum I aurtp ouuol snos meap ainatl/úui t zu-ejiqqp:juarit -assiploigoi op am Qzs Xs un 4 um 08 - inazneq op Il uj oe Z c oe L op eanaia -8- ZOZ 605 Z -9- REVENDICATIONS 1 / Procédé de coulée verticale en continu de l'aluminium et de ses alliages sous forme de billettes et de plaques dont la plus petite di- S mension n'excède pas 150 mm, à une vitesse supérieure à 500 mm/minute, en combinant l'utilisation d'une rehausse pour l'alimentation en métal liquide, d'un inducteur électromagnétique et d'un dispositif de re- froidissement direct pour la mise en forme du produit à fabriquer, ca- ractérisé en ce que l'on règle la position de la rehausse par un mouve- ment vertical par rapport à la position de l'inducteur qui crée le champ de manière à maintenir au cours de la coulée une distance cons- tante entre le plan de base de la rehausse et le plan passant par le front de solidification à la périphérie du produit coulé. 2 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient une distance constante inférieure à 15 mm. 3 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on rè- gle la position du dispositif de refroidissement par un mouvement-Irerti- cal par rapport à la position de l'inducteur. 4 / Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la limi- te supérieure de la zone arrosée par le fluide du dispositif de re- froidissement est située à une distance du front comprise entre 1 et 6 mm. / Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dis- positif de refroidissement émet une lame d'eau périphérique, d'épais- seur inférieure à 1 millimètre, faisant un angle inférieur à 30 degrés par rapport à la verticale et se propageant à une vitesse supérieure à 1 m/sec. 6 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on place un étage complémentaire de refroidissement en-dessous de l'inducteur.