Brevet FR2521463A1 — publié le 19830819

L'invention concerne d'une manière générale la coulée à refroidissement direct de produits métalli- ques légers tels que de l'aluminium et des alliages d'aluminium dans un champ électromagnétique. Brièvement décrit, le procédé de coulée à refroidissement direct consiste à introduire du métal en fusion dans l'extrémité d'alimentation du canal à extré- mités ouvertes d'un moule de forme tubulaire, à solidifier ou partiellement solidifier le métal fondu à son passage dans le canal et à appliquer un fluide de refroidisse- ment sur la surface du métal solidifié ou partiellement solidifié, à sa sortie de l'extrémité de décharge du canal à extrémités ouvertes Au début de la coulée, un bloc de fond ou autre élément est disposé à l'extrémité de décharge du moule afin de fermer le canal et, lorsque le canal du moule est rempli de métal en fusion et que ce métal est suffisamment solidifié pour se porter lui- même, le bloc de fond est éloigné progressivement de l'extrémité de décharge Bien qu'un fluide de refroidisse- ment soit appliqué sur la face arrière du corps du moule pour en refroidir les surfaces de moulage et déclencher ainsi la solidification du métal fondu contenu dans l'alésage du moule, la plus grande partie de la solidifi- cation est assurée par l'application de fluide de refroi- dissement sur la surface du métal coulé lorsque ce dernier sort de l'extrémité de décharge du moule Ceci est dû au fait que, lorsque le métal fondu entre en contact avec les surfaces de refroidissement, refroidies par eau, de l'alésage du moule, il forme une coque initiale ou un germe et le courant de métal se contracte ensuite et s'écarte des surfaces du moule au fur et à mesure que la solidification progresse Une fois que le contact avec le courant de métal n'existe plus, la transmission de chaleur à travers les parois du moule est très faible. Dans une coulée classique à refroidissement direct, un rideau de fluide de refroidissement est appli- qué sur toute la périphérie du métal émergeant et généralement sous un angle compris entre environ 5 et 30 avec la surface du métal et dans le sens du mouvement du métal Le fluide de refroidissement est appliqué sous un petit angle afin de minimiser les projections de ce fluide de refroidissement à partir de la surface du métal, ce qui peut interrompre la transmsission de chaleur et avoir un effet défavorable sux la vitesse de solidification. La coulée électromagnétique est une variante du procédé classique de coulée à refroidissement direct, variante dans laquelle des forces électromagnétiques sont utilisées pour déterminer la forme du métal fondu pendant qu'il se solidifie, à la place de l'alésage du moule tubulaire classique de coulée à refroidissement direct Pour la plupart des points, la coulée électromagné- tique à refroidissement direct est essentiellement la même que la coulée classique à refroidissement direct, sauf que le procédé de coulée électromagnétique n'utilise pas de surfaces de refroidissement pour déclencher la solidification Le refroidissement réalisé pour la soli- dification s'effectue à peu près totalement par l*applica- tion de fluide de refroidissement sur la surface du métal à sa sortiede l'extrémité de décharge de l'ensemble de coulée électromagnétique Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 2 686 864, N 3 605 865, N O 3 646 988, N 0,3 985 179 et N O 4 004 631 décrivent plus en détail la coulée électromagnétique à refroidissement direct. La coulée à refroidissement direct classique et la coulée électromagnétique à refroidissement drect cladsqoe exigent diverses caractéristiques d'écoulement du fluide de refroidissement pour l'obtention d'une coulée efficace et utile, ces caractéristiques dépendant, entre autres, de la dimension et de la forme du lingot ou de la biftle de la composition de l'alliage et des caractéristiques de surface du lingot ou de la billette sortant du moule De plus,, les critères d'écoulement du fluide de refroidisse- ment demandés au début d'une coulée peuvent être trës différents de ceux demandés pendant la partie restamnte de la coulée Même en cours de coulée, les critèrnes demandés au fluide de refroidissement peuvent changer par suite de variations de la vitesse de coulée ou des caractéristiques de surface du lingot ou de la billette. Diverses techniques ont été utilisées au fil des ans pour commander l'application du fluide de refroi- dissement à la surface du lingot ou de la billette sortant de l'extrémité de décharge du moule de coulée à refroi- dissement direct Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 2 791 812 décrit l'utilisation de jets d'air qui sont dirigés dans le courant du fluide de refroidissement pour atomiser le liquide de refroidissement avant son entrée en contact avec la surface du métal afin d'empêcher ainsi le liquide de refroidissement de couler sur la surface du lingot ou de la billette Le brevet des Etats'i Unis d'Amérique N O 3 713 479 décrit une diminution du débit d'écoulement du fluide de refroidissement à l'extrémité de décharge du moule afin de ralentir la vitesse de soli- dification, et l'application, ensuite,d'un second courant de fluide de refroidissement à une certaine distance de l'extrémité de décharge du moule pour achever la solidification. Comme montré sur la figure 3 du brevet NI 3 713 479 précité, on réduit le débit d'écoulement du fluide de refroidissement vers la surface du lingot ou de la billette en dirigeant le courant de fluide de refroidissement parallèlement à la surface du lingot ou de la billette puis en appliquant périodiquement une pulsation d'un fluide tel que de l'eau ou de l'air, sur le rideau de fluide de refroidissement afin d'en modifier la direction pour l'appliquer sur la surface du lingot ou de la billette. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 623 536, il est décrit qu'un liquide de refroidissement, appliqué sur la surface du métal, provoque une aspiration d'air et le mélange de ce dernier avec le liquide de refroidisse- ment pour en diminuer les propriétés de refroidissement. Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 765 493, le fluide de refroidissement appliqué à la surface du métal au début de la coulée est soumis à des pulsations qui ralentissent les effets du refroidissement produits par le liquide afin de prévenir la fissuration caracté- ristique de certains alliages d'aluminium Le brevet allemand N O 932 085 décrit un moule de coulée à refroi- dissement direct dans lequel le fluide de refroidissement s'écoulant sur la face arrière du moule, parallèlement à l'écoulement du métal, est mélangé au fluide de refroi- dissement provenant d'un second courant de fluide de refroidissement afin que les courants mélangés puissent ensuite être appliqués sur la surface du métal coulé. L G Berezin et collaborateurs, dans l'ouvrage Tsvetnye Metally, 1974, N O 4, pages 56-7, décrivent l'utilisation de trois zones séparées d'application de fluide de refroi- dissement en coulée électromagnétique à refroidissement direct pour la coulée de lingots épais Bien qu'un grand nombre de ces idées soient intéressantes, elles n'ont pas été largement appliquées à des procédés industriels de coulée à refroidissement direct. La mise en route d'une coulée électromagnétique à refroidissement direct est caractérisée par des pro- blêmes particuliers posés par la formation d'appendices en forme de chandelles sur le bout du lingot ou de la billette par suite de l'incapacité des forces magnétiques et du bloc de fond à contenir complètement le métal fondu pendant la période initiale de mise en route De petits filets de métal en fusion s'écoulent sur le bout et se solidifient, formant ainsi les appendices analogues à des chandelles Ces formations en chandelles exigent de couper une quantité excessive du bout avant qu'il soit possible d'effectuer tout autre traitement sur le lingot ou la billette, ce qui augmente considérablement le coût de la coulée électromagnétique à refroidissement direct et en limite également notablement l'utilité. L'invention a été conçue pour éliminer cet inconvénient. L'invention concerne d'une manière générale la coulée électromagnétique à refroidissement direct de produits métalliques légers tels que des produits d'alu- minium et d'alliages d'aluminium, et elle a trait plus * 2521463 particulièrement à un procédé perfectionné d'applica Eion d'un fluide de refroidissement sur la surface du produit obtenu par coulée électromagnétique, à refroidissement direct, à sa sortie de l'extrémité de décharge de l'in- ducteur. Selon l'invention, un premier courant de fluide de refroidissement est dirigé vers la surface du métal solidifié ou partiellement solidifié sortant de l'extré- mité de décharge de l'inducteur et un second courant de fluide, de préférence un fluide de refroidissement, est dirigé sur la surface du métal afin que les deux courants convergent en un point peu éloigné de la surface du métal émergeant Le premier courant de fluide de refroidissement s'écoule sensiblement dans la direction is du mouvement du métal et il forme un angle compris entre environ 5 et 40 avec la surface du métal Le second courant de fluide est dirigé vers la surface du métal afin que l'angle de convergence entre les premier et second courants de fluide de refroidissement soit compris entre environ 30 et 80 . En faisant varier le volume et/ou la vitesse de l'un ou des deux courants de fluide de refroidissement, il est possible d'agir sur le point d'impact du fluide de refroidissement sur la surface du métal sortant du moule et par conséquent, de faire varier la vitesse de refroidissement et donc le niveau de solidification Par exemple, en agissant sur le point d'impact du fluide de refroidissement sur la surface du métal afin de le rapprocher de l'extrémité de décharge de l'ensemble du moule, on peut élever la vitesse de refroidissement, alors qu'en éloignant davantage de l'extrémité de décharge du moule le point d'impact du fluide de refroidissement sur la surface du métal, il est possible de diminuer la vitesse de refroidissement La turbulence engendrée par la confluence des deux courants de fluide de refroi- dissement absorbe une grande partie de l'énergie de ces deux courants de sorte que le courant mélangé de fluides de refroidissement adhère à la surface du lingot ou de la billette, quand bien même l'angle de rencontre des courants mélangés est très supérieur à l'angle maximal qu'il est possible d'utiliser avec un seul courant de fluide de refroidissement Bien qu'un fluide de refroi- dissement (habituellement de l'eau) soit préféré pour le second courant, des gaz tels que de l'air et d'autres liquides peuvent être utilisés. Ce procédé d'application du fluide de refroi- dissement offre de nouvelles possibilités pour la maîtrise du procédé de coulée électromagnétique à refroidissement direct, car il permet de maîtriser les opérations de manière à empêcher la formation d'appendices en chandelles sur le bout du lingot ou de la billette obtenus par coulée électromagnétique à refroidissement direct Par exemple, la vitesse et/ou le volume du second courant de fluide peuvent être augmentés au début de la coulée afin que le point d'impact des courants mélangés sur la surface du métal soit aussi proche que possible de l'extrémité de décharge de l'inducteur électromagnétique Le refroi- dissement accru qui en résulte, immédiatement au-dessous, de l'inducteur, au début de la coulée, empêche le métal fondu de couler sur le bout du lingot ou de la billette en cours de solidification et de former les appendices analogues à des chandelles, mentionnés précédemment De plus, étant donné qu'une grande partie de l'énergie est absorbée par la turbulence des deux courants, les courants mélangés n'ont pas tendance à déformer la sur- face du métal au début de la coulée Lorsque le bloc de fond est éloigné de l'extrémité de décharge de l'in- ducteur et que le risque de formation d'appendices en chandelles est réduit, on peut réduire alors la vitesse et/ou le volume du second courant afin que le courant de fluides mélangés atteigne le lingot ou la billette à une plus grande distance de l'extrémité de décharge de l'inducteur En variante, si cela est souhaité, il est possible d'accroître la vitesse et/ou le volume du premier courant de fluide de refroidissement afin que le point d'impact de ce fluide soit plus éloigné de l'extrémité e de décharge de l'inducteur Si les critères demandés au fluide de refroidissement varient pendant la coulée, le volume et/ou la vitesse de l'un ou des deux courants peuvent être réglés pour que l'on obtienne le front de solidification souhaité. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale sché- matique d'un ensemble à moule de coulée électromagnétique à refroidissement direct; la figure 2 est un schéma montrant les angles formés par les courants de fluide de refroidissement et la surface du métal coulé; et les figures 3 et 4 sont des coupes longitudi- nales partielles de l'ensemble de coulée électromagnétique à refroidissement direct montré sur la figure 1, ces vues montrant l'application du fluide de refroidissement en différents points sur le métal obtenu par coulée électromagnétique à refroidissement direct. La figure 1 représente un ensemble de coulée électromagnétique qui comprend un inducteur électro- magnétique 50 entouré d'une chemise d'eau 51 Des éléments 52 et 53 de la chemise 51 forment avec l'inducteur 50 une chambre 54 à fluide de refroidissement Une chicane est disposée à l'intérieur de la chambre 54 pour diriger le fluide de refroidissement le long de la surface arrière 56 de l'inducteur 50 et pour le faire sortir par des conduits 57 ménagés dans la partie inférieure de l'inducteur 50 Ce premier courant 58 de fluide de refroidissement est dirigé vers la surface 59 du lingot ou de la billette 60 solidifié, ou partiellement solidifié sortant de l'extrémité de décharge de l'ensemble Un second courant 61 de fluide de refroidissement est dirigé d'une source (non représentée), en passant dans un conduit 62 ménagé dans l'élément 53, vers la surface 59 afin qu'il croise le courant 58 de fluide de refroidisse- ment avant d'entrer en contact avec la surface 59 du lingot ou de la billette 60 Comme indiqué sur la figure, il n'y a pas de contact entre la masse de métal fondu 63 et l'inducteur 50, car le métal fondu est façonné à l'aide de forces électromagnétiques Il est préférable d'utiliser des sources de fluide de refroidisse- ment séparées pour produire les premier et second courants de fluide de refroidissement afin que ces deux courants puissent être commandés indépendamment l'un de l'autre. Dans le fonctionnement de l'inducteur, le métal fondu est introduit en continu dans l'inducteur 50 o il est solidifié ou partiellement solidifié, comme montré schématiquement sur la figure Le frontde solidification est représenté de façon idéalisée en 64 ' Un courant de fréquence relativement élevée, (par exemple 500-15 000 Hz) utilisé dans l'inducteur, échauffe tout élément métallique se trouvant à proximité imm Wdiate de l'inducteur et il peut donc en résulter d'importantes pertes d'énergie. Il est donc préférable que les éléments 52 et 53 soient réalisés en matière non métallique. La figure 2 montre les directions relatives des premier et second courants de fluide de refroidisse- ment par rapport à la surface de la billette ou du lingot et l'un par rapport à l'autre Selon l'invention, l'angle A formé entre le premier courant 80 et la surface 81 du lingot ou de la billette est compris entre environ et 400, et de préférence entre environ 5 et 300 L'angle B de croisement ou de convergence du premier courant 80 et du second courant 82 de fluide de refroidissement est compris entre environ 20 et 950, de préférence entre environ 30 et 60 Il est préférable que le second courant 82 de fluide de refroidissement soit maintenu orienté à peu près perpendiculairement à la surface 81 afin que l'on dispose d'une plus grande souplesse pour régler le point d'impact 83 des courants joints sur la surface du lingot ou de la billette 84 Lorsque la somme des angles A et B dépasse 125 , les éclaboussures du fluide de refroidissement sur la surface du métal sont en général excessives et peuvent nuire au procédé. Les figures 3 et 4 sont des coupes partielles de l'ensemble de coulée électromagnétique à refroidisse- ment direct représenté sur la figure 1, et les mêmes références numériques que celles de la figure 1 sont utilisées sur ces figures La figure 3 montre la mise en route de la coulée et, comme représenté, un bloc 70 de fond est placé à l'intérieur de l'inducteur 50, à son extrémité de décharge La configuration et les dimensions du métal fondu introduit dans l'ensemble du moule sont déterminées par le bloc de fond 70 et les forces électro- magnétiques produites par l'inducteur 50 La solidification est assurée par l'association des courants 58 et 62 de fluide de refroidissement, qui forment un courant 65 de fluide de refroidissement dirigé vers un point aussi proche que possible de l'extrémité inférieure 64 de l'in- *ducteur 50 Cette action effectuée sur le métal fondu est efficace pour empêcher la formation d'appendices du type en chandelles, caractéristiques de la coulée électromagnétique à refroidissement direct, lors de la mise en route La figure 4 montre le déroulement normal de la coulée qui demande des critères de refroidissement différents de ceux demandés lors de la mise en route de la coulée En régime normal, le volume et/ou la vitesse du second courant 58 de fluide de refroidissement sont réduits afin que le courant combiné 65 de fluide de re- froidissement atteigne la surface 59 du lingot ou de la billette en un point plus éloigné de l'extrémité infé- rieure 64-de l'inducteur 50 que le point montré sur la figure 3. Bien que les figures représentent les conduits de déchargé du fluide de refroidissement sur le lingot ou la billette sous la forme d'une série de trous ou d'ouvertures, il convient de noter qu'une seule fente annulaire ou plusieurs fentes peuvent être utilisées pour la même fonction De plus, une surface déflectrice peut être utilisée pour modifier la direction du courant de fluide de refroidissement afin de donner à ce dernier l'inclinaison souhaitée. En pratique, il est souvent très difficile de mesurer avec précision l'angle formé entre le premier rideau de pulvérisation du liquide de refroidissement et la surface du métal, ou entre les deux rideaux de pulvé- -5 risation du fluide de refroidissement, car une fois qu'un courant de fluide de refroidissement quitte le conduit ou la surface déterminant sa direction, il tend à s'expanser, ce qui rend la mesure difficile Il est. recommandé d'effectuer la mesure de l'angle sur le conduit ou la surface déterminant la direction en cas de problème concernant ce point. L'exemple suivant illustre davantage l'invention, à titre nullement limitatif Un lingot d'aluminium (alliage 5182) de 48,3 x 114,3 cm est coulé à l'aide d'un ensemble de coulée électromagnétique à refroidissement direct, analogue à celui montré schématiquement sur la figure 2. L'aluminium en fusion est introduit dans l'ensemble de coulée électromagnétique à refroidissement direct, à une température d'environ 7160 C Au début de la coulée, lorsque le bloc de fond se trouve à l'intérieur de la partie inférieure de l'inducteur, le premier courant de fluide de refroidissement est dirigé vers la surface du lingot sogs un angle de 250, le débit d'écoulement du fluide de refroidissement étant de 284 litres/min, et le second courant de fluide de refroidissement est dirigé vers la surface du lingot sous un angle de conver- gence d'environ 65 , le débit d'écoulement de ce fluide étant également de 284 1/min Lorsque le bloc de fond a dépassé la zone d'impact du second courant de fluide de refroidissement combiné et que le risque de formation d'appendices en chandelles est faible, on réduit progressi- vement jusqu'à environ 190 1/min le débit d'écoulement du fluide de refroidissement du seccnd courant pour passer à un régime normal de coulée et on maintient le débit à cette valeur jusqu'à la fin de la coulée Au début de la coulée, le point d'impact du fluide de refroi- dissement se trouve à environ 0,64 cm au-dessous de l'in- ducteur et après que le débit d'écoulement du second 2521463 ' 1 1 463 courant de fluide de refroidissement a été réduit à 1/min, le point d'impact du fluide de refroidissement se trouve à environ 2,5 cm au-dessous de l'inducteur. La vitesse de chute (vitesse de coulée) est d'environ 6,3 cm/min Les surfaces du lingot sont excellentes et pratiquement aucun appendice en chandelles ne se forme sur le bout du lingot. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté -sans sortir du cadre de l'invention Par exemple, l'inven- tion a été décrite principalement sous la forme d'une surface ou de moyens de moulage permettant de couler des produits de section circulaire, alors qu'il est évident que les moyens de moulage peuvent être conçus pour donner des produits ayant sensiblement toute forme souhaitée, par exemple carrée, rectangulaire, ovale ou autre. REVENDICATIONS 1 Procédé de coulée continue ou semi-continue de produits métalliques légers, dans lequel du métal en fusion ( 63) est introduit dans l'extrémité d'alimentation d'un inducteur électromagnétique annulaire ( 50), la forme du métal fondu étant déterminée pendant que ce métal se solidifie totalement ou en partie dans l'inducteur à l'aide de forces engendrées par un champ électromagnétique, un fluide de refroidissement étant appliqué sur la surface du métal solidifié ou partiellement solidifié, à sa sortie de l'extrémité de décharge ( 64) de l'inducteur électro- maghétique, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à diriger un premier courant ( 58) de liquide de refroidissement autour de la périphérie du métal sortant is de l'inducteur, sous un angle compris entre environ 5 et 40 avec l'axe de l'inducteur et dans une direction s'éloignant de l'extrémité ( 64) de décharge de l'inducteur électromagnétique, à diriger un second courant ( 61) de fluide autour de la périphérie du métal sortant de l'in- ducteur, sous un angle compris entre environ 20 et 950 avec le premier courant afin que les premier et - second courants convergent pour former un courant confluent ( 65) en un point peu éloigné de la surface du métal sortant de l'inducteur, le courant confluent entrant en- suite en contact avec la surface du métal en un point souhaité qui dépend du volume et de la vitesse des deux courants, la somme de l'angle formé entre le premier courant et l'axe de l'inducteur et de l'angle formé entre les premier et second courants ne dépassant pas 1250, le procédé consistant en outre à régler le volume ou la vitesse ou à la fois le volume et la vitesse du second courant de fluide à des niveaux élevés au début de la coulée, afin de diriger le courant confluent de fluide de refroidissement vers une zone d'impact sur le métal sortant de l'inducteur, cette zone étant aussi proche que possible de l'extrémité de décharge de l'inducteur électromagnétique et, -lorsque le bout du lingot ou de la billette ( 60) dépasse la zone d'impact du fluide de refroidissement, à diminuer le volume ou la vitesse ou à la fois le volume et la vitesse du second courant de fluide afin que la zone d'impact du fluide de refroi- dissement sur le lingot ou la billette soit davantage éloignée de l'extrémité de décharge de l'inducteur qu'au début de la coulée.