Brevet FR2508828A1 — publié le 19830107

La présente invention est relative à la coulée conti- nue verticale de tubes en métaux ou alliages métalliques et s'applique plus particulièrement à la coulée continue de tubes en fonte de faible épaisseur, à l'aide d'une fi- lière comportant un moule et un mandrin, ou noyau cylin- drique, coaxial au moule, qui délimitent un espace annu- laire pour la coulée du tube. Plus précisément, l'invention concerne le centrage du noyau, ou mandrin, dans la filière. Le problème du centrage du noyau par rapport à la filière est particulièrement aigu lorsque l'on veut cou- ler des tubes minces, c'est-à-dire de faible rapport épaisseur/diamètre, dont l'épaisseur ne dépasse pas quel- ques millimètres et notamment, comme dans le cas de la présente invention, des tubes d'un rapport épaisseur/ diamètre extérieur inférieur à 8 % et d'une épaisseur in- férieure à 5 mm En effet, le moindre excentrement du noyau par rapport au moule provoque une irrégularité im- portante dans l'épaisseur du tube, sur tout le pourtour de la filière Pair exemple, pour une épaisseur désirée de 3 mm, un excentrement de 0,5 mm entraîne une irrégula- rité relative importante pouvant atteindre de 1 à 3 mm, c'est-à-dire 33 % Or un tel excentrement peut facilement provenir, par exemple, des tolérances d'usinage et/ou d'une dilatation légèrement hétérogène du noyau lors du chauffage. En effet, lorsque, selon une technique connue par le brevet FR 2 415 501 de la demanderesse, le centrage du noyau est réalisé par ajustement de ce dernier dans un orifice supérieur de la tête ou caisson de coulée, les tolérances de fabrication de cette tête de coulée, ou du caisson, et des orifices destinés à être traversés par le noyau sont trop larges pour des épaisseurs très faibles, et notamment inférieures à 5 mm, et le centrage du noyau est difficile à réaliser. Selon une autre technique connue par le brevet FR 1 485 055, c'est un assemblage à manchon ou fourreau et à palier de guidage emmanché à la presse dans le manchon, ou fourreau, qui assure un centrage précis du mandrin par rapport à la filière de coulée d'un tube Cependant une telle technique fait appel à un ajustage précis et diffi- cile à réaliser. On fait encore appel à un ajustage précis, difficile et coûteux, si on utilise, comme connu, un noyau à portée de centrage dans le moule ou la coquille. Dans une autre technique antérieure (brevet FR 2 077 405), utilisant une lingotière pour la fabrication de profilés tubulaires, le problème du centrage du man- drin par rapport à la lingotière est résolu au moyen d'une embase cylindrique appartenant au mandrin et insé- rée dans un évidement cylindrique correspondant de la lingotière avec, en outre, un filetage pour immobiliser axialement le mandrin dans la lingotière Outre que ce montage comporte un filetage difficile à usiner, il n'ap- porte pas une solution satisfaisante au problème de la coulée continue de tubes minces en fonte. La présente invention a donc pour but de permettre un centrage précis du noyau par rapport à la filière, à partir d'un matériel dont les tolérances de fabrication sont habituellement largement supérieures à celles que l'on exige pour ce centrage ou cet alignement, c'est-à- dire à partir d'assemblages à jeux importants. Cette invention a en effet pour objet un dispositif de support et de centrage d'un noyau cylindrique à l'in- térieur de la filière annulaire d'une installation de coulée continue verticale d'un tube mince, comportant une tête ou caisson de coulée, qui relie une poche de coulée à l'espace annulaire étroit de la filière annu- laire, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison, pour le support du noyau, une articulation à rotule entre l'extrémité supérieure du noyau et la partie supérieure de la tête de coulée, le noyau traversant avec un jeu important cette tête de coulée, et, pour le centrage du noyau dans le moule à l'intérieur de l'espace annulaire de la filière annulaire, une série de saillies ou bossa- ges identiques, régulièrement espacés sur la périphérie du noyau et en contact avec la paroi interne du moule, à la partie supérieure ou entrée de la filière annulaire, à un niveau d'immersion dans le métal liquide lors de la coulée. Grace à la combinaison du support articulé à rotule, au-dessus du caisson, allant de pair avec un montage avec jeu de la partie supérieure du noyau, au travers du cais- son, et des saillies ou bossages de centrage disposés plus bas, à la partie inférieure du caisson, à l'entrée de la filière annulaire, le noyau est parfaitement centré par rapport au moule et, de ce fait, parfaitement aligné avec l'extracteur dès lors que le moule est lui-même ali- gné avec ce dernier. Selon un mode de réalisation-préféré, l'extrémité supérieure du noyau est solidaire d'une calotte de sup- port à surface inférieure sphérique, qui est en appui sur une assise annulaire à surface supérieure sphérique fixée au-dessus de la tête de coulée, ou coaxialement à la sor- tie de la tête. La simple introduction du noyau dans le moule et la venue des bossages en contact avec la paroi de ce moule, centrent automatiquement le noyau par rapport à la fi- lière elle-même et mettent la calotte en appui stable et st Ir sur l'assise annulaire, quel que soit l'excentrement de la filière par rapport à cette assise. Les bossages peuvent avoir des formes diverses assu- rant des contacts ponctuels, ou sur de très petites sur- faces, avec la paroi du moule Dans tous les cas ils oc- cupent un volume faible par rapport à celui de l'espace annulaire et sont suffisamment près de l'entrée de la fi- lière pour n'être entourés que par du métal liquide. La description ci-dessous d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés, fera d'ailleurs ressortir les avantages et caractéristiques de l'invention. Sur ces dessins: la fig 1 est une vue schématique en élévation, avec coupe partielle et à petite échelle, d'une instal- lation de coulée continue avec filière annulaire suivant l'invention, en cours de coulée d'un tube; la fig 2 est une vue schématique partielle en coupe, à beaucoup plus grande échelle, de l'installation de la figure 1, et plus particulièrement de la filière annulaire et de ses moyens de support,, les saillies de centrage étant représentées de manière très schématique; la fig 3 est une vue partielle à plus grande échelle encore, du noyau et de ses bossages de centrage par rapport au moule; la fig 4 est une vue partielle en coupe méri- dienne d'une variante de saillie de centrage du noyau; la fig 5 est une vue de face de la saillie de la figure 4; la fig 6 est une vue partielle analogue à la fi- gure 5, d'une autre variante de saillie de centrage. Une installation de coulée continue verticale d'un tube T, en fonte, de rapport épaisseur/diamètre extérieur faible, inférieur à 8 %, et d'épaisseur inférieure à 5 mm, est représentée sur la figure 1 Elle comporte, de maniè- re connue en soi, un bâti 1 qui supporte à sa partie su- périeure une poche de coulée 2 fermée hermétiquement par un couvercle 4, qui d'une part est percé d'un orifice de remplissage obturé par un bouchon 6, et d'autre part est traversé par un conduit 8 relié à une source de gaz sous pression, non représentée. La poche de coulée est prolongée par une buse de coulée 10, sur laquelle est fixée de manière étanche mais amovible une tête de coulée ou caisson 12, du type à chenal ou conduit en équerre, c'est-à-dire comportant un chenal 14 dans le prolongement de la buse de coulée 10 et un bassin de coulée 16, d'axe XX, perpendiculaire au chenal 14 Une filière 18 débouche dans le bassin 16 et doit être coaxial à la fois à ce bassin de coulée et à un dispositif extracteur 20, également d'axe XX, qui est fixé sous le châssis. La filière annulaire 18 comporte un moule 22 d'axe XX et un mandrin, ou noyau cylindrique, 24 qui délimite avec ce moule un espace annulaire étroit, 26, de coulée du tube (fig 2), et doit par suite également être centré sur l'axe XX. Le moule 22 est constitué par un cylindre en gra- phite qui comporte, à sa partie supérieure, une tête ou un "bec" tronconique 23, immergé dans le bassin de cou- lée 16, et est entouré par une enveloppe 30 délimitant une chemise de métal liquide de refroidissement à bas point de fusion, reliée par des conduits 31 et 32 res- pectivement à une alimentation sous pression et à une vi- dange Autour de l'enveloppe 30 est disposée une envelop- pe d'eau de refroidissement en circulation 34 L'ensem- ble du moule 22 et des enveloppes de refroidissement est maintenu par deux brides 27 et 28, respectivement supé- rieure et inférieure, qui sont fixées sous la tête de coulée 12 au moyen de tirants 29. Le noyau 24 est de préférence constitué par un cy- lindre creux, à l'intérieur duquel est monté un serpen- tin de chauffage 36, qui occupe la quasi totalité de la cavité interne du noyau mais, de préférence, ne s'étend pas jusqu'à l'extrémité inférieure de ce dernier A son extrémité supérieure le noyau 24 comporte une tête éva- sée, tronconique, 38 Comme le montre clairement la fi- gure 2, la longueur du noyau 24 est nettement supérieure à la somme des longueurs du moule 22 et de la tête de coulée 12, et ce noyau traverse avec jeu un orifice 40 de la partie supérieure de cette tête de coulée, de sorte que la tête 38 fait saillie à l'extérieur de cette der- nière. La tête 38 est supportée au-dessus de la tête de coulée 12 par une calotte 42 enfilée sur le noyau 24, avec interposition d'un fourreau 44 ayant une partie cy- lindrique et une partie tronconique 45 qui s'adapte à la forme de la tête évasée 38 La surface supérieure 43 de la calotte 42 est plane, mais sa surface inférieure 46 est sphérique et repose sur la surface supérieure 48, de forme correspondante, d'une assise 50 fixée, par exemple par des vis 52, sur la tête de coulée 12 L'assise 50 est annulaire et est coaxiale à l'orifice 40 de passage du noyau 24. La calotte 42 est rigoureusement solidaire du noyau 24 et de la tête 38, car elle est fixée par l'intermé- diaire de boulons 56, ou analogues, sur une bride 58 qui entoure la tête 38 et est en appui sur l'extrémité du fourreau 44, et qui en outre est suspendue au moyen de boulons 62, ou autres organes analogues, à une bride su- périeure 60 étroitement appliquée contre la face supé- rieure de la tête 38 Le dispositif de support ou de sus- pension du noyau 24 est donc constitué essentiellement par la tête 38, le fourreau 44 et l'assise 50 fixée sur la tête de coulée 12 On considère comme une articula- tion à rotule la combinaison des surfaces sphériques 46 et 48. L'ensemble constitué par la tête 38 et le noyau 24, le fourreau 44 ainsi que la calotte 42 solidement mainte- nue par les brides 58 et 60, est immobilisé par rapport à la tête de coulée 12 grâce à des pattes de serrage 64 traversées par des goujons 66, fixés sur la tête de cou- lée 12, et serrées au moyen d'écrous 68 qui appliquent les pattes 64 sur la surface plane 43 de la calotte 42 et serrent ainsi cette calotte sur l'assise 50. Le noyau 24 comporte en outre, en un point intermé- diaire, une série de saillies ou bossages 70, régulière- ment répartis sur sa périphérie Les saillies ou pastil- les 70 sont en graphite Elles viennent de moulage avec le noyau 24 ou peuvent être rapportées sur le noyau 24. Ces saillies 70, destinées à venir en contact avec la surface interne du moule 22, se trouvent sur une partie du noyau 24 placée à la partie supérieure de la filière annulaire 18, à hauteur du bec tronconique 23, donc à l'entrée de la filière annulaire 18, pour être dans une zone o la fonte coulée dans l'espace annulaire 26 est encore liquide La hauteur ou saillie radiale de chacune des pastilles 70 par rapport à la paroi du noyau 24 cor- respond à la largeur de l'espace annulaire 26 qui déli- mite la filière Toutefois, comme le montrent plus par- ticulièrement les figures 3 et 4, le sommet des pastilles 70 destiné à être en contact avec la paroi interne du moule 22 n'est pas plan, mais est de préférence bombé, chaque pastille comportant de préférence une dépouille latérale 71 tout autour de son sommet La pastille 70 peut avoir une base carrée, comme représenté sur les fi- gures 3 et 5, ou une base circulaire comme représenté en 72 sur la figure 6. Selon la variante de la figure 5, le noyau 24 com- porte des pastilles 74 qui ont une base carrée, délimitée par quatre pans obliques 75, de sorte que le sommet 76 qui entre en contact avec la surface interne du moule 22 a une surface extrêmement réduite et presque ponctuelle. Quels que soient la forme et le mode de réalisation des saillies ou pastilles de centrage 70, 72, 74 portées par le noyau 24, celles-ci sont placées de manière à se trouver le plus près possible de l'entrée du moule 22, c'est-à-dire de l'entrée de la filière annulaire 18, à hauteur du bec tronconique 23 qui est immergé dans le bassin de coulée 16, de façon à ne se trouver en contact qu'avec du métal liquide. Les dimensions des pastilles 70, 72, 74, de même que la distance qui les sépare sur la périphérie du noyau 24, sont choisies de manière que le volume total des pastilles soit faible par rapport à celui de l'espace annulaire 26, donc de manière à n'opposer qu'un obstacle négligeable à l'écoulement de la fonte liquide Par suite, l'écoulement du liquide n'est pratiquement pas modifié par leur présence et la coulée s'effectue exactement de la même manière qu'en l'absence de ces pastilles. Le centrage du noyau par rapport au moule, et par suite la régularité et la qualité du tube produit, sont considérablement améliorés. En effet, lors du montage de l'installation, lorsque le moule 22 a été monté sur la tête de coulée 12 et par- faitement aligné avec l'axe XX du dispositif extracteur 20, ce moule 22 peut présenter des jeux importants par rapport à la tête de coulée, en raison des tolérances de fabrication d'une part, et du travail de la tôle exté- rieure 13 de cette tête sous l'action de la chaleur, d'autre part Il est donc nécessaire de centrer le noyau 24 par rapport au moule 22 et, par suite, à l'extracteur , et non par rapport à la tête de coulée 12. Dans ce but on fixe d'abord le fourreau 44 et la ca- lotte 42 sur le noyau 24 et sa tête 38, au moyen des bri- des 58 et 60 Puis on introduit le noyau 24 dans l'ori- fice 40 de la tête de coulée et on le fait descendre et pénétrer dans le moule 22, jusqu'à ce que les pastilles de centrage rencontrent la paroi interne de ce moule et règlent la position du noyau La calotte 42 vient alors appuyer sur la surface supérieure 48 de l'assise 50 et, quelle que soit la position du noyau 24 par rapport à l'orifice 40 et à la tête de coulée, ces deux surfaces s'emboîtent étroitement l'une dans l'autre L'immobili- sation du noyau 24 est alors assurée par les pattes 64 maintenues par les goujons 66 et les écrous 68. Bien entendu, au cours de ce montage il est encore possible,au voisinage de la position définitive de sus- pension du noyau 24, de vérifier la parfaite coaxialité de ce noyau et du moule 22, en introduisant dans l'espace annulaire 26, à sa partie inférieure, des gabarits de contrôle dont la dimension est égale à la hauteur des pastilles 70, 72 ou 74 Au cas o l'on constaterait une déviation légère du noyau, on pourrait déplacer légère- ment dans le sens voulu la surface sphérique de la calot- te 42 par rapport à l'assise 50 pour remettre parfaite- ment le noyau dans l'axe XX. Au cours de la coulée, le métal liquide contenu dans la tête de coulée, et tout particulièrement dans le che- nal 14 et dans le bassin 16, pénètre dans l'espace annu- laire 26 et s'écoule dans la direction des flèches re- présentées sur la figure 3, entre les pastilles 70 et autour de celles-ci Ces pastilles sont par exemple au nombre de six, mais laissent une large section de passa- ge entre elles En conséquence aucun risque de solidifi- cation, ou plutôt de dépôt suivi de solidification, n'est à craindre dans cette zone de centrage. Il est à noter que le front de solidification de la fonte, ou frontière théorique entre la fonte liquide et la fonte solidifiée en un tube T, est situé beaucoup plus bas, vers la sortie de la filière annulaire 18. De même aucun risque de déplacement du noyau par rap- port au moule, c'est-à-dire de décentrage du noyau, n'est à craindre au cours de la coulée L'espace annulaire dé- terminant l'épaisseur de la paroi du tube coulé reste donc rigoureusement constant à tout moment et quelles que soient les tolérances de fabrication des différents orga- nes de l'installation. REVENDICATIONS - 1 Dispositif de support et de centrage d'un noyau cylindrique à l'intérieur de la filière annulaire d'une installation de coulée continue verticale d'un tube mince, comportant une tête ou caisson de coulée qui relie une poche de coulée à l'espace annulaire étroit de la filière annulaire, caractérisé en ce qu'il comporte en combinai- son, pour le support du noyau ( 24), une articulation à rotule ( 42, 44, 46, 48, 50) entre l'extrémité supérieure ( 38) du noyau ( 24) et la partie supérieure de la tête de coulée ( 12), le noyau ( 24) traversant avec un jeu impor- tant cette tête de coulée, et, pour le centrage du noyau ( 24) dans le moule ( 22), à l'intérieur de l'espace annu- laire ( 26) de la filière ( 18), une série de saillies ou bossages identiques ( 70, 72, 74), régulièrement espacés sur la périphérie du noyau et en contact avec la paroi interne du moule ( 22), à la partie supérieure ou entrée de la filière annulaire ( 18), à un niveau d'immersion dans le métal liquide lors de la coulée. 2 Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que l'extrémité supérieure ( 38) du noyau ( 24) est solidaire d'une calotte de support ( 42) à surface inférieure sphérique ( 46), qui est en appui sur une as- sise annulaire ( 50) à surface supérieure ( 48) sphérique fixée au-dessus de la tête de coulée ( 12) coaxialement à la filière annulaire ( 18). 3 Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure du noyau ( 24) est une tête évasée ( 38), et en ce que la calotte de support ( 42) est serrée sous cette tête ( 38). 4 Dispositif suivant la revendication 1, caracté- risé en ce que les bossages ou saillies ( 70, 72, 74) de centrage du noyau ( 24) par rapport au moule ( 22) se trou- vent sur la périphérie du noyau, en appui sur la paroi interne du moule ( 22), à la partie supérieure de celui-ci au droit d'un bec tronconique ( 23) qui est immergé dans le bassin de coulée ( 16) de la tête de coulée ( 12). Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 4, caractérisé en ce que les saillies ou bossages sont constitués par des pastilles de centrage ( 70,72,74) à sommet ( 76) ayant une surface de contact presque ponc- tuelle avec la paroi interne. 6 Dispositif suivant la revendication 5, caracté- risé en ce que le sommet ( 76) des saillies ( 70, 72, 74) est bombé. 7 Dispositif suivant l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que les saillies de centrage ( 70, 72, 74) comportent une dépouille de raccordement ( 71, 75) avec la surface périphérique du noyau ( 24). 8 Dispositif suivant l'une des revendications 5 et 7, caractérisé en ce que les saillies ou bossages ( 74) ont une surface de contact avec la surface interne du moule ( 22) qui est limitée par quatre pans obliques ( 75). 9 Dispositif suivant l'une des revendications 1, 4, 5, 7 et 8, caractérisé en ce que les saillies ou bossages ( 70, 74) ont une base carrée. Dispositif suivant l'une des revendications 1, 4, et 7, caractérisé en ce que les saillies ou bossages ( 72) ont une base circulaire.