Brevet FR2547517A1 — publié le 19841221

La présente invention est relative à la coulée continue verticale d un tube métallique, notamment en fonte. Bien qu'elle s'applique à la coulée de tubes de n importe quelle épaisseur, elle est particulièrement avantageuse pour la coulée de tubes minces. L'expression "tube mince" s'applique à un tube dont le rapport épaisseur/diamètre est faible, inférieur à 10-/., plutôt qu'à l'épaisseur considérée isolément en soi. L' épaisseur peut varier suivant le diamètre, de moins de 5 mm (diamètre 80mm) à 20 mm (diamètre 1000 mm) et davantage pour de plus gros diamètres. L'invention concerne plus précisément l'entrée chaude d'une filière tubulaire pour la coulée continue d'un tel tube soit dans le sens descendant, le métal liquide entrant par l'extrémité supérieure de la filière coopérant avec un noyau, soit dans le sens ascendant, le métal entrant par l'extrémité inférieure de la filière, sans utilisation de noyau. Dans le brevet FR-A-2 415 501 a déjà été posé le problème du risque d'obstruction par solidification partielle prématurée de la fonte dans l'espace étroit de coulée à l'entrée de la filière, entre la filière elle-même et le noyau, dans une coulée continue verticale descendante. Ce problème a été en grande partie résolu en munissant la filière d'une tête pénétrant à l'intérieur de l'orifice de coulée et en reportant ainsi l'entrée de l'espace tubulaire entre filière et noyau dans une zone plus chaude. Dans la demande de brevet en France 82 04 195 déposée le 12 Mars 1982, concernant également une coulée continue verticale descendante de fonte dans un espace annulaire réservé entre une filière et un noyau, a été posé le problème d'éviter la formation à intervalles plus ou moins réguliers, d'anneaux d'incrustation superficielle de fonte solidifiée, non amalgamés, non soudés avec le reste de la fonte coulée dans l'espace annulaire. De tels anneaux d'incrustation sont intolérables dans la production d'un tube en fonte mince de grande longueur. Ce problème a été résolu en interdisant un flux d'évasion de calories de la fonte liquide (partie haute de la filière) vers l'enveloppe d refroidissement située plus bas que l'entrée de la filière.L'interdiction d'un tel flux d évasion a été possiblegrace à un manchon réfractaire isolant entourant la tête ou l'entrée de filière amincie en une lèvre annulaire en graphite, Cependant, dans ces deux brevets antérieurs, l'entrée de la filière n'est chauffée que par la fonte liquide coulée de sorte qu'elle doit etre relativement mince pour etre plus chaude. Par ailleurs, on connait déjà l'utilisation d'un inducteur en coulée continue. Le plus souvent, l'inducteur enveloppant la filière est combiné avec le métal liquide jouant le rôle d'induit, afin de créer, au sein de celui-ci, une agitation, un brassage dit "électromagnétique" ou une rotation comme dans le brevet FR-A-2 352 612. Le champ électromagnétique produit par cette combinaison inducteur-induit, et créant ce brassage, cette agitation ou cette rotation, est de faible fréquence, de l'ordre de 15 HZ. L'utilisation d'un inducteur chauffant se rencontre également, en combinaison avec le métal liquide utilisé comme induit, comme dans le brevet FR-A-2 427 864, en vue de chauffer ou de réchauffer la veine de métal liquide parcourant un chenal de coulée. L'inducteur entoure le chenal. La fréquence utilisée pour donner de l'énergie à cet inducteur est bien plus élevée que celle utilisée pour produire une agitation. Elle est par exemple de l'ordre de 500 HZ. Dans le brevet FR-A-2 167 835 est utilisé un inducteur chauffant en amont de la filière et de son enveloppe d'eau de refroidissement par rapport au sens de circulation du métal coulé dans la filière. Cet inducteur est combiné à la fois avec un noyau tubulaire métallique solide et avec le métal liquide coulé, le noyau et le métal liquide servant d'induits. L'inducteur est destiné à chauffer le métal liquide et le noyau métallique en vue de faciliter la soudure du métal liquide et du noyau métallique solide qui doit constituer la couche interne d'un tube bimétallique. Le problème posé est d'obtenir une entrée de filière non amincie, mais chaude en contrôlant directement et à volonté la température de L'entrée de la filière sans se contenter de la fonte liquide coulée comme moyen chauffant de l'entrée de la filière. L'installation visée par l'invention, destinée à la coulée continue verticale à entrée chaude d'un tube en fonte, comporte une filière en graphite à corps cylindrique et une enveloppe de fluide de refroidissement entourant la filière. Suivant l'invention, l'installation est caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens de chauffage par induction de l'extrémité de la filière formant induit, située en amont par rapport au sens de progression de la fonte liquide dans ladite- filière et par rapport à l enveloppe de refroidissement. Grâce à cet agencement, on obtient une combinaison entre l'inducteur chauffant et la filière constituant l'induit., permettant d'avoir une entrée de filière chaude de sorte que c'est la filière que l'inducteur chauffe par effet Joule créé par le courant induit, et non pas la fonte liquide. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la fréquence du générateur de courant électrique alimentant l'inducteur est réglée pour chauffer la filière sur une profondeur de pénétration au plus égale à l'épaisseur de ladite filière. Comme la profondeur de pénétration du courant induit à travers la paroi de la filière est inversement proportionnelle à la fréquence dudit courant induit, la fréquence du générateur de courant électrique alimentant l'inducteur est inversement proportionnelle à l'épaisseur de la filière en graphite. Pour des épaisseurs de filières pouvant aller de 15 mm à plusieurs centimètres, la fréquence utilisée peut être de l'ordre de 1000 à plusieurs milliers de Herz. A titre indicatif. pour la fonte liquide, la température de l'entrée de filière en graphite est établie à une valeur au moins égale à la température de fusion de la fonte liquide, notamment de la fonte à graphite spheroidal c'est-à-dire à une température supérieure à 1 150-C pour la fonte à grahite sphéroi- dal. Une telle température est obtenue avec un courant électrique d'alimentation de l'inducteur sous une haute fréquence appropriée et réglable. La présente invention est donc différente des techniques antérieures connues de brassage électromagnétique et de chauffage du métal liquide par le fait qu'elle s'applique au chauffage d'une entrée de filière servant d'induit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés qui en illustrent deux modes de réalisation non limitatifs. - la Figure 1 est une vue schématique en coupe partielle d' une installation de coulée continue verticale descendante d'un tube, suivant un premiemode de réalisation de l'invention, avec utilisation d'un noyau; - la Figure 2 est une vue schématique, à plus petite échelle, d'un inducteur incorporé à l'installation de la Figure 1; - la Figure 3 est une vue schématique en coupe partielle d'une installation de coulée continue verticale ascendante d'un tube, suivant un second mode de réalisation de l'invention, sans utilisation d'un noyau. Suivant l'exemple d'exécution des Figures 1 et 2, l'invention est appliquée à une installation de coulée continue verticale descendante d'un tube T à paroi mince d'axe X-X, en fonte, notamment en fonte à graphite sphéroidal, dont le rapport épaisseur/diame- tre est faible, c'est-B-dire inférieur à 106/,, l'épais- seur elle-même ne dépassant pas 5 mm et pouvant être de l'ordre de 3 ou 4 mm. Par exemple, le diamètre extérieur du tube T est de 170 mm et son épaisseur de 4 mm. Dans un but de simplification, on n'a représenté sur la Figure 1 qu'une partie du bassin de coulée 1 alimentant la filière de l'invention en fonte liquide F. Le bassin de coulée 1 est contenu dans une caisse ou enveloppe métallique 2 revêtue intérieurement d'un épais garnissage réfractaire 3 par exemple de type silico-alumineux. le bassin comporte à sa partie inférieure, représentée à la Figure 1, un orifice vertical de coulée 4. de forme cylindrique et d'axe XX à l'intérieur duquel est montée l'extrémité supérieure ou tête de la filière 6 ainsi qu'un noyau 8. Ce dernier délimite avec la filière un espace annulaire de coulée 60, étroit, dont la largeur correspond à l'épaisseur de la paroi du tube T à couler. a filière tubulaire 6, d'axe XX, est en graphite. Sa hauteur est par exemple de 25 cm et son épaisseur de 15 mm. Le noyau 8 d'axe XX est en graphite. Il traverse de part en part le bassin de coulée 1 et est suspendu à sa partie supérieure, en prenant appui sur la caisse 2 par des moyens connus non représentés, par exemple ceux décrits au brevet FR-A-2 415 501. De préférence, le noyau 8 est creux et comporte intérieurement un dispositif de chauffage, par exemple une résistance chauffante 12 ayant la forme d'un enroulement en hélice. La filière 6 est soutenue à son extrémité inférieure par une bride 9 suspendue à la caisse 2 du bassin de coulée 1 par des tirants 14. La bride 9 supporte également une enveloppe d'eau de refroidissement 15 coaxiale à la filière 6 et au noyau 8. L'enveloppe 15 est en contact étroit avec la paroi extérieure de cette filière 6, entre la caisse 2 du bassin de coulée, c'est-à-dire la sortie de l'orifice de coulée 4, et la bride 9. Cette enveloppe 15 d'eau de refroidissement est représentée schématiquement sous la forme d'un manchon à circulation d'eau avec des conduits 13 et 16 d'entrée et de sortie de l'eau. Eventuellement, et conformément au brevet FR-A-2 415 501, l'enveloppe de refroidissement 15 peut être complétée par une chemise de métal liquide de refroidissement à bas point de fusion, en contact direct avec la filière 6, afin d'assurer un contact thermique meilleur avec celle-ci et par conséquent une meilleure évacuation des calories. L'installation comporte en outre, comme connu en soi, un dispositif d'extraction du tube T coulé consistant, dans l'exemple décrit, en deux paires de galets 18 et 20 d'axes horizontaux appliqués à la paroi extérieure du tube T coulé suivant une direction verticale descendante indiquée par la flèche f 1. Les deux paires de galets 18 et 20 sont disposés symétriquement par rapport à l'axe XX. Deux de ces galets situés d'un même côté de l'axe XX sont reliés par une chaine de tramission 19 et entrainés en rotation pas à pas, ' c'est-à-dire avec des temps d'arrêt par un groupe motoréducteur 21. Ce système connu assure l'extraction pas à pas du tube solidifié T hors de l'espace ' annulaire 10 entre filière 6 et noyau 8. L'extrémité supérieure de la filière 6 ou entrée 7 de la filière qui s'étend à l'intérieur de l'orifice de coulée 4 au--dessus, donc en amont de l'enveloppe de refroidissement 15 par rapport au sens de la flèche f1, a la même épaisseur que le corps de filière 6. La filière 6 est donc d'épaisseur constante sur toute sa longueur ou hauteur. Autour de cette entrée de filière 7, au proche voisinage de celle-ci et de l'orifice 4, est noyé dans le garnissage réfractaire 3 d-e la caisse 2 un inducteur chauffant 23. L'inducteur chauffant 23 (Figure 2), qui enveloppe l'entrée 7 de la filière conformément à l'invention, est par exemple, comme connu en soi, en forme de spirale à deux spires circulaires dans un plan. Il pourrait n'avoir qu'une ou d'enceinte de réception de la fonte Liquide F. Ce vase ou cette enceinte communique avec la cheminée 26 par la partie horizontale 28, et est formée par a paroi interne de la filière 29 et par La portée ou embase 30.En raison du principe des vases communi- cants, le niveau de la fonte liquide F est Le même la partie supérieure de la filière 29 es Sans l' tonnoir 27 d'alimentation en fonte liquide Organes de chauffage et de refroidissement de la filière 2g On distingue de bas an haut et successivement ment d'abord un organe chauffant puis un organo- refroidissant. L'organe chauffant est un inducteur 23 en spirale, par exemple à deux spires noyées dans une bague 32 en matériau réfractaire (par exemple on matière silico-alumineuse). La-bague 32 repose sur Sa partie horizontale 28 du conduit d'alimentation en fonte et enveloppe l'entrée ou pied 32 de a filière 29, de telle sorte que l'inducteur cha Sent 22 soit au voisinage dudit pied 31. Comme dans l'exemple précédent, l'inducteur 23 présente deu' extrémités 24 et 25 sortant de la bague réfractaire 32 pour être reliées -a un générateur (non représenté) d-e courant' électrique à haute fréquence. L'organe de refroidissement es représenté par une enveloppe d'eau 15 surmontant a bague 32 reposant sur celle-ci, et enveloppant me corps 29a de filière en contact étroit avec celui-ci. l'enveloppe de refroidissement 15 est parcourue pa- un courant d'eau froide entrant par exemple par un conduit 13 et sortant par un conduit 13. Le plan de joint horizontal ou plan de support de l'enveloppe de refroidissement 15 sur la filière 6 énergiquement chauffée se situe a la hauteur de l'enveloppe métallique 2 qui sépare l'enveloppe de refroidissement 15 du garnissage réfractaire 3 du bassin de coulée 1. il en resulte que, lors de la coulée de fonte F dans l'espace annulaire 10, la fonte reste liquide jusqu'à hauteur de la limite L-L, et qu'à partie de cette limite L-L, et au-dessous de celle-ci, la fonte se solidifie progressivement au contact de l'enveloppe 15 de refroidissement, en commençant par la paroi en contact avec l'enveloppe 15. Corrélativement, la section transversale de fonte restant liquide dans l'espace annulaire 10 au contact du noyau 8 diminue progressivement au-dessous de la limite L-L. A la sortie de la filière 6, à hauteur de la bride de support 9, la totalité de la section-transversale de l'espace annulaire 10 est solidifiée en un tube T qui, pas à pas, est extrait par le système d'extraction à galets 18-20. Ainsi, glace à la combinaison entre l'inducteur chauffant 23 et la tête 7 de filière en graphite. est écarté le risque d'une solidification au moins. partielle et prématurée dans l'espace 10 situé à l'intérieur de l'entrée 7 de la filière, donc tout risque d'obstruction de la partie supérieure de l'espace annulaire 10. Le front de solidification, qui est la limite tronconique théorique entre la fonte solidifiée (en hachures) et la fonte encore liquide dans l'espace 10, est régulier et continu. Gr ce a la constance d'épaisseur de la filière 6 en graphite, celle-ci est d'une fabrication facile et ne présente aucune zone d'affaiblissement. La filière 6 offre ainsi à la veine annulaire de fonte liquide puis solide une paroi interne continue favorable à l'écoulement descendant de la fonte. à l'extraction de la fonte T et à l'obtention d'un bel état de surface extérieur sur ce tube T.. Pour terminer la coulée continue descendante, après l'arrêt de l'alimentation du bassin 1 en fonte liquide F et la descente du niveau de fonte au- des sous de la frontiere LL entre le chauffage extérieur et le refroidissement extérieur de la filière 6, on arrête l'alimentation de l'inducteur 23 en courant électrique. A titre d'exemple, pour la coulée d'un tube T en fonte de diamètre extérieur 170 mm, d'épaisseur 4 mm, à l'aide d'une filière 6 en graphite d'épaisseur 15 mm, la profondeur de pénétration du courant induit à travers la filière 6 ne doit pas dépasser 14 mm, de sorte que la fréquence de courant inducteur choisie en fonction de cette profondeur de pénétration est de l'ordre de 12 500 HZ. Suivant un autre exemple d'exécution illustré à la Figure 3, l'inducteur chauffant visé par l'invention est appliqué à une installation de coulée continue verticale ascendante d'un tube en fonte notamment en fonte à graphite sphéroïdal, de type connu par le brevet DE-PS 804 840. (Toutefois, ce brevet concerne la coulée d'un tube métallique de petit diamètre et de forte épaisseur, qui n'est probablement pas en fonte). Dans une telle installation de coulée ascendante du tube suivant la flèche f2, il n'y a pas de noyau ni d'espace annulaire de coulée. L'installation comporte - une alimentation en fonte liquide, - une filière de moulage de la paroi extérieure du tube T 1, REVENDICATIONS 1 - Installation de coulée continue verticale à entrée chaude, destinée à la coulée d'un tube métallique (T, T1) comportant une filière (6. 29) à corps cylindrique an graphite et une enveloppe (15) de fluide de refroidissement entourant la filière (6, 29X, caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens (23) de chauffage par induction de l'extrémité (7, 31) de la filière (6, 39) formant induit, située en amont par rapport au sens de progression du métal liquide (F) dans ladite filière (6, 29) et par rapport à l'enveloppe (15 > de refroidissement. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les Peu moyens de chauffage sont constitués par un inducteur (23) annulaire coaxial à l'extrémité correspondante (7, 31) de la filière (6, 29) et noyé dans une bague réfractaire (3, 32) enveloppant ladite extrémité (7, 31) de la filière (6; 29). 3 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'inducteur chauffant (23) est alimenté par un générateur de courant électrique dont la fréquence est réglée pour chauffer la filière (6, 29) sur une profondeur au plus égale à l'épaisseur de l'extrémité (7, S1) de la filière (6, 29 > . 4 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'inducteur (28) comporte au moins une spire circulaire dans un plan. 5 - Installation selon la revendication 2 pour la coulée continue descendante d'un tube (T) en fonte, caractérisée en ce que l'inducteur (23) entoure l'extrémité supérieure (7) de la filière (6). 6 - Installation selon la revendication 2 pour la coulée continue ascendante d'un tube (tri) en ou d'enceinte de reception de la fonte liquide F. Ce vase ou cette enceinte communique avec la cheminée 26 par la partie horizontale 28. et est formée par la paroi interne de la filière 29 et par la portée ou embase 30. En raison du principe des vases communicants, le niveau de la fonte liquide F est le même à la partie supérieure de la filière 29 et dans l'entonnoir 27 d'alimentation en fonte liquide. Organes de chauffage et de refroidissement de la filière 29 On distingue de bas en haut et successivement d'abord un organe chauffant puis un organe refroidissant. L'organe chauffant est un inducteur 23 en spirale, par exemple à deux spires noyées dans une bague 32 en materiau réfractaire (par exemple en matière silico-alumineuse). La bague 32 repose sur la partie horizontale 28 du conduit d'alimentation en fonte et enveloppe l'entrée ou pied 31 de la filière 29, de telle sorte que l'inducteur chauffant 23 soit au voisinage dudit pied 31. Comme dans l'exemple précédent, l'inducteur 23 présente deux extrémités 24 et 25 sortant de la bague réfractaire 32.pour etre reliées à un générateur (non représenté)de -de courant électrique å haute fréquence L'organe de refroidissement est représenté par une enveloppe d'eau 15 surmontant la bague 32 reposant sur celle-ci, et enveloppant le corps 29a de filière en contact étroit avec celui-ci.L'enveloppe de refroidissement 15 est parcourue par un courant d'eau froide entrant par exemple par un conduit 16 et sortant- par un conduit 13. Le plan de joint horizontal ou plan de support de 1 enveloppe de refroidissement 15 sur la bague 32 concrétise une limite torique L-L entre l'entrée de filière 31 chauffée et le corps de filière 29a refroidi. Fonctionnement Lors de la coulée de fonte liquide par la poche P, on alimente l'inducteur 23 en courant élec- trique à haute fréquence. Au cours de cette alimentation en fonte liquide, celle-ci monte dans le vase que constituent la filière 29 et l'embase 30 jusqu'à ce qu'elle atteigne la partie supérieure de la filière 29, à un niveau qui est celui qu'elle atteint dans l'entonnoir 27, niveau qui ne doit pas être dépassé. Etant donné que le générateur d'alimentation de l'inducteur chauffant 23 est réglé de telle sorte que le pied ou entrée 31 de la filière soit maintenu à une température au moins égale à la température de fusion de la fonte à graphite sphéroidal, qui est de 1 150il, la fonte reste liquide à la partie inférieure du vase, au-dessous de la limite LL d'action de l'inducteur chauffant 23 combiné avec le pied 31 qui lui sert d'induit. La solidification commence et va croissant suivant un front de solidification théorique, de forme tronconique, à partir de la paroi de filière 29 refroidie énergiquement par l'enveloppe d'eau 15, c'est-à-dire à partir de la limite L-L. L'épaisseur de fonte solidifiée est donc croissante de bas en haut jusqu'à ce qu'elle atteigne une valeur maximale définitive, constante, au-dessus du niveau N de fonte liquide, là où il y a encore une partie supérieure de la filière 29 refroidie par l'enveloppe et ou il n'y a plus de contact intérieur avec la fonte liquide. C'est ainsi que se forme à la partie supérieure de la filière 29 un tube T1. Le tube T1 formé, d'axe XX, est ainsi extrait pas à pas, en étant alimenté par le bas en fonte F provenant du vase ou du creuset forme par la filière 29 et l'embase 30. Dans cette coule ascendante suivant la flèche f2, les rôles et avantages de l'inducteur chauffant 23 et de l'entrée 31 de filière sont les memes que ceux de l'inducteur 23 et de l'entrée de filière 7 de l'exemple de la Figure 1. La fréquence choisie pour l'inducteur 23 repond aux mêmes conditions que celles choisies dans l'exemple précédent: la profondeur de pénétration du courant induit à travers la filière 29 ne doit pas dépasser l'épaisseur de celle-ci, donc plus précisément l'épaisseur de son pied 31. REVENDICATIONS 1 - Installation de coulee continue verticale à entrée chaude, destinée à la coulée d'un tube métallique (T, T1) comportant une filière (6, 29) à corps cylindrique en graphite et une enveloppe (15) de fluide de refroidissement entourant la filière (6, 29), caractérisée en ce qu'elle est pourvue de moyens (23) de chauffage par induction de l'extrémité (7, 31) de la filière (6, 39) formant induit, située en amont par rapport au sens de progression du métal liquide (F) dans ladite filière (6, 29) et par rapport à l'enveloppe (15) de refroidissement. 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de chauffage sont constitués par un inducteur [23) annulaire coaxial à l'extrémité correspondante (7, 31) de la filière (6, 29) et noyé dans une bague réfractaire (3, 32) enveloppant ladite extrémité (7, 31) de la filière (6; 29). 3 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce quel'inducteur chauffant (23) est alimenté par un générateur de courant électrique dont la fréquence est réglee pour chauffer la filière (6, 29) sur une profondeur au plus égale à l'épaisseur de l'extrémité (7, 31) de la filière (6, 29). 4 - Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'inducteur (28) comporte au moins une spire circulaire dans un plan. 5 - Installation selon la revendication 2 pour la coulée continue descendante d'un tube (T) en fonte, caractérisée en ce que l'inducteur (23) entoure l'extrémité supérieure (7) de la filière (6). 6 - Installation selon la revendication 2 pour la coulée continue ascendante d'un tube (T1) en fonte, caractérisée en ce que l'inducteur (23) entoure l'extrémité inférieure (31) de la filière (29). 7 - Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la filière (6, 29) a une épaisseur constante sur toute sa longueur.