Brevet FR2537471A1 — publié le 19840615

L'invention concerne d'une manière générale la coulée à refroidissement direct de gros lingots ou de grosses billettes, et en particulier de lingots de forme rectangulaire, en métaux légers tels que l'alu- minium et des alliages d'aluminium Le terme "aluminium" utilisé dans le présent mémoire englobe à la fois l'aluminium pur et les alliages d'aluminium. Dans la coulée classique à refroidissement direct, du métal fondu est versé dans l'extrémité d'alimentation d'un moule tubulaire ouvert à ses extré- mités et le métal solidifié totalement ou partielle- ment sort de l'extrémité de décharge du moule Le moule lui-même est refroidi par une masse de fluide de refroidissement maintenue contre la face arrière du moule par une chemise à eau Le fluide de refroidis- sement, habituellement de l'eau, est appliqué sur la périphérie du lingot à sa sortie du moule pour en effectuer la solidification Dans la coulée de métaux légers tels que l'aluminium, le fluide de refroisse- ment est habituellement dirigé vers le bas,au moyen d'une ou plusieurs chicanes, à partir de la masse de fluide de refroidissement contenu dans la chemise à eau, sur la face arrière du moule et vers l'extérieur en passant par des ouvertures ou des conduits convena- -25 bles-situés au fond du moule, le fluide étant-ainsi appliqué sur le lingot sortant de l'extrémité de décharge du moule. La coulée électromagnétique est très simi- laire à la coulée classique à refroidissement direct décrite ci-dessus, sauf que le profil latéral du métal fondu est commandé par une pression électromagnétique produite par un inducteur annulaire entourant la colonne de métal fondu, plutôt que par la lumière du moule comme c'est le cas dans la coulée classique à refroidissement direct La coulée électromagnétique est décrite plus complètement dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 985 179 et N O 4 004 631. Dans la coulée verticale électromagnétique et à refroidissement directun bloc de fond est placé dans l'extrémité de décharge du moule (dans le cas de la coulée à refroidissement direct) ou dans l'extrémité de décharge de l'inducteur électromagnétique (dans le cas de la coulée électromagnétique) afin d'obturer l'ouverture de décharge et de retenir le métal fondu jusqu'à ce qu'il se soit suffisamment solidifié pour conserver sa forme finale souhaitée Lorsque le métal s'est suffisamment solidifié, le bloc de fond est abaissé de l'extrémité de décharge du moule ou de l'in- ducteur pour permettre au lingot solidifié d'être déchargé du moule ou de l'inducteur d'une manière continue ou semi-continue Une fois que le retrait du bloc de fond commence, sa vitesse de descente est habituellement maintenue à une valeur constante jusqu'à la fin de la coulée, car toute variation brusque de la vitesse de descente peut provoquer des variations des dimensions de la section présentée par le lingot soli- difié sur sa longueur et peut être à l'origine de graves défauts de la surface du lingot. Pendant son mouvement de descentele lingot solidifié n'est maintenu horizontalement que très peu dans le cas de la coulée classique à refroidissement direct, et pratiquement pas du tout dans le cas de la coulée électromagnétique, de sorte que ce lingot doit être bien équilibré sur le bloc de fond pour ne pas basculer ou se pencher Cependant,lorsque le bout -du lingot se solidifie et refroidit, il se rétracte, ce qui a pour résultat un recourbement du bout du lingot, principalement-dans sadimension la plus large La face inférieure du lingot en contact avec le bloc de fond forme généralement une surface courbe de sorte que, si le lingot finit par être déséquilibré ou s'il est soumis d'une manière ou d'une autre à des forces latérales, sa surface inférieure courbe ou incurvée ne l'empêche pas de s'incliner ou d'osciller sur le bloc de fond, ces deux mouvements entraînant de graves déformations du lingot. Lorsque le bout du lingot se courbe au commen- cement de la coulée, le fluide de refroidissement appliqué sur la surface du lingot s'écoule dans l'espace compris entre le bloc de fond et le bout du lingot. La chaleur contenue dans l'extrémité du lingot provoque une vaporisation de l'eau s'accumulant dans cet espace, cette vaporisation étant souvent si importante que le lingot rebondit litéralement sur le bloc de fond en raison de la force appliquée par la vapeur d'eau pro- duite Ce rebondissement interrompt gravement le pro- cessus de la coulée, tout à fait à la manière d'une vitesse de descente non uniforme, mais beaucoup plus gravement, en particulier dans le cas d'une coulée électromagnétique. Pour éviter les problèmes posés par la vapo- risation du fluide de refroidissement qui s'accumule entre le bout du lingot et le bloc de fond, on a utilisé, dans l'art antérieur, des trous ou d'autres moyens ménagés dans le bloc de fond pour éliminer le fluide de refroidissement avant qu'il se vaporise de façon explosive Le brevet allemand N O 893 690 et les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 3 702 152 et N O 3 702 631 décrivent des exemples de l'art antérieur Cependant, ces références ne traitent pas du problème de l'insta- bilité du lingot sur le bloc de fond pendant la coulée, problème dû à l'extrémité inférieure incurvée du lingot. Des efforts antérieurs visant à donner au lingot la stabilité souhaitée, en particulier dans le cas de la coulée électromagnétique, n'ont pas obtenu beaucoup de succès Par exemple, des saillies de formes diverses ont été réalisées sur la surface supérieure du bloc de fond afin que le métal fondu se solidifie autour d'elles au commencement de la coulée et stabilise ainsi le lingot par une action de clavetage Ce procédé n'a généralement pas permis de stabiliser-avec succès le lingot, mais les cavités formées dans le bout du lingot par suite de la solidification du métal autour des saillies se comportent comme des concentrateurs de contraintes qui provoquent souvent une fissuration du lingot Parfois, les mêmes saillies provoquent égale- ment une fissuration du bloc de fond en raison des contraintes thermiques élevées qui apparaissent. De façon similaire, des évidements de formes diverses ont été également utilisés, à la surface supé- rieur du bloc de fond, essentiellement pour atteindre le même but, à savoir caler l'extrémité du bout du lingot et empêcher ainsi ce dernier d osciller ou de s'incliner pendant la coulée Ce procédé n 'a pas eu beaucoup de succès car l'eau retenue dans l'évidement s'évapore instantanément lorsqu'elle entre en contact avec le métal fondu, provoquant des explosions du métal. L'invention a été conçue pour résoudre ce problème. L'invention concerne un bloc de fond de concep- tion perfectionnée convenant à une utilisation dans la coulée verticale à refroidissement direct et dans la coulée verticale électromagnétique de gros lingots ou de grosses billettes de métal, en particulier des lingots de section sensiblement rectangulaire. Conformément à l'invention, le bloc de fond présente au moins deux trous, de préférence quatre trous ou plus, destinés à écouler le fluide de refroi- dissement qui s'accumule entre le haut du bloc de fond et l'extrémité du bout du lingot, et des évidements en forme d'éventail sont ménagés dans la surface supé- rieure des blocs de fond, autour d'une partie impor- tante de chacun des trous d-écoulement Les évidements en forme d'éventail rayonnent vers l'intérieur en direction de la partie centrale du bloc de fond et leurs surfaces inférieures sont inclinées vers le haut et sensiblement vers la partie centrale du bloc de fond Au fond de l évidement, dans chaque trou d'écou- lement, des moyens sont prévus pour permettre le passage du fluide de refroidissement par le trou d&écoulement, mais pour empêcher le passage du métal fondu. Au commencement de la coulée, le métal fondu remplit l'évidement et se solidifie en formant un appendice sur le bout du lingot, de forme sensiblement analogue à celle de l'évidement En raison du retrait et de l'incurvation du bout du lingot par suite de la solidification et du refroidissement, ces appendices formés sur le bout du lingot s'élèvent en glissant le long des surfaces inférieures inclinées des évide- ments ménagés dans le bloc de fond et supportent ainsi de façon stable le lingot pendant la partie restante de la coulée Cependant, les évidements ne doivent pas être placés autour des trous d'écoulement,dans les zones d'incurvation maximale du bout du lingot,car les appen- dices qui se forment risquent alors de se soulever totalement hors des évidements lors de l'incurvation du bout, sans monter en glissant le long de l'évidement incliné conformément à l'invention L'oscillation du lingot se produit principalement dans la direction de sa dimension la plus grande ou sa largeur et, par conséquent, en formant au moins deux appendices conve- nablement disposés vers les faces étroites du bout du lingot, on peut équilibrer efficacement ce dernier sur le bloc de fond De préférence, au moins trois évide- ments sont ménagés dans le bloc de fond lors de la coulée de grosses billettes rondes et au moins quatre évidements sont de préférence utilisés lors de la. coulée de gros lingots de forme rectangulaire. -L'un des meilleurs moyens permettant le passage de l'eau, mais non du métal fondu, au fond de l'évidement est l'utilisation d'un tamis dont la dimen- sion des mailles est suffisante pour permettre le pas- sage de l'eau et donc son écoulement de l'interface entre le bloc de fond et le lingot, mais cependant assez petite pour arrêter tout écoulement de métal fondu à travers le tamis Des ouvertures de tamis comprises entre O; 25 et 2,5 mm se sont révélées conve- nables D'autres dispositifs ayant des ouvertures de même dimension peuvent également être utilisés En général, la viscosité du métal fondu détermine l'ouver- ture souhaitée pour les mailles du tamis La température et la composition du métal fondu déterminent sa visco- sité. La partie supérieure du trou d'écoulement adjacente à la surface inclinée en forme d'éventail est chanfreinée vers l'extérieur, en direction du bord de bloc de fond, afin d'empêcher l'appendice de se bloquer ou d'être accroché dans l'évidement lorsque le bout du lingot s'incurve et que les appendices soulè- vent et montent en glissant le long des surfaces incli- nées des évidements Les surfaces planes en forme d éventail des évidements rayonnent vers l'intérieur, en direction de la partie centrale du bloc de fond, et forment de préférence un angle d'au moins 90 De cette manière, les appendices qui se forment sur le bout du lingot glissent aisément le long des surfaces planes inclinées lorsque le bout du lingot s'incurve et se rétracte vers l'intérieur sous l'effet de la solidifi- cation et du refroidissement du lingot En formant au moins deux saillies dirigées vers le bas sur le bout du lingot,conformément à l'invention, on permet à ce dernier d'être supporté et équilibré efficacement pendant la partie restante du processus de coulée, quand bien même le bout peut se rétracter et s'incurver notablement lors des phases initiales de la coulée. De préférence, trois trous d'écoulement ou plus sont prévus pour la coulée de grosses billettes rondes et quatre trous ou plus sont prévus pour la coulée de gros lingots rectangulaires, ce qui permet au lingot ou à la billette de grande dimension d'être bien supporté et équilibré pendant l'opération de coulée. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nulle- ment limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une coupe axiale du bloc de fond selon l'invention, le côté gauche de la figure illustrant le commencement de la coulée, alors que le bloc de fond est placé à l'intérieur de l'appa- reil de coulée électromagnétique et le côté droit de la figure illustrant la coulée après qu'elle a commencé, alors que le bloc de fond a été retiré de l'inducteur; la figure 2 est une vue en plan du bloc de fond montré sur la figure 1; * la figure 3 est une coupe du bloc de fond suivant la ligne 3-3 de la figure 2; - la figure 4 est une vue en plan à échelle agrandie de l'un des trous d'écoulement montrés sur la figure 2; la figure 5 est une coupe partielle suivant la ligne 5-5 de la figure 4; la figure 6 est une coupe axiale d'un tamis qui est destiné à être inséré dans les trous d'écoule- ment du bloc de fond afin de permettre le passage de l'eau mais d'empêcher l'écoulement du métal fondu au commencement de la coulée; la figure 7 est une coupe axiale partielle montrant le tamis de la figure 6 en position dans un trou 22 de coulée; la figure 8 est une coupe partielle mon- trant le mouvement des appendices formés sur la surface inférieure du bout du lingot, les appendices s'élevant le long de la surface inclinée de l'évidement lorsque 25374 '1 le bout du lingot se rétracte et s'incurve au commen- cement de la coulée; et la figure 9 est une coupe illustrant une variante de moyens permettant l'écoulement de l'eau qui s'accumule sur le bloc de fond. Le côté gauche de la figure 1 illustre le commencement de la couléealors que le bloc de fond 10, en forme de cuvette, est-placé à l'intérieur de l'^X Azi 3 uc- teur 11 d'un appareil de coulée électromagnétique. La forme latérale de la colonne de métal fondu 12 sur la surface concave 13, en forme de cuvette, du bloc de fond 10 est établie par la pression produite par le champ électromagnétique induit par l'inducteur 11. Le métal fondu est chargé sur le bloc de fond 10 au moyen d'un bec descendant 140 Lfinducteur 11 comporte une chemise à eau 15 destinée à maintenir une masse de fluide de refroidissement sur la face arrière de cet inducteur 11 et le fluide de refroidissement passe d'une chambre 16 délimitée par la chemise à eau 15,par des conduits 17 ménagés dans une chicane 18, entre la face arrière de l'inducteur 11 le long de laquelle il descend, et il sort par plusieurs conduits 19 ménagés dans la partie inférieure de l'inducteur 11 afin d'être déchargé sur la surface du lingot 20 qui sort de l'in- ducteur 11 Le bloc de fond 10 est supporté par une colonne 21 fixée à un plateau (non représenté) qui supporte habituellement plusieurs blocs de fond dans un poste de coulée de lingots multiples Le mouvement du bloc de fond est indiqué par la flèche Des trous 22 d'écoulement sont ménagés dans le bloc de fond 10 pour évacuer le fluide de refroidissement qui s'accumule entre la surface 13 du bloc de fond en forme de cuvette et le bout 23 du lingot après que ce bout s'est incurvé au commencement de la coulée Une ligne 24 indique globalement un front de solidification idéalisé, en forme de cloche Bien que la ligne 24 représentée sur 253747 1 le dessin puisse indiquer une nette démarcation entre le métal fondu et le métal solide, en fait, il existe une zone de consistance molle, constituée de métal à demi-solidifié, entre le métal solide et le métal liquide. La figure 2 est une vue en plan du bloc de fond 10 montrant quatre trous d'écoulement 22 et, comme représenté plus clairement sur les figures 3 à 6, chacun des trous d'écoulement 22 comporte, à sa partie supérieure, un évidement 30 en forme d'éventail qui présente une surface inférieure 31 inclinée vers le haut, en direction de la surface 13, et vers l'intérieur, en direction de la partie centrale du bloc de fond. La figure 3 est une coupe montrant en détail un trou d'écoulement 22 et la surface supérieure 13 en forme de cuvette du bloc de fond 10 est évacuée par les trous 22 et par des canaux-32 de déchargevers le côté du bloc de fond 10. Les figures 4 à 6 montrent que les trous 22 d'écoulement comportent desépaulements 33 sur lesquels sont logés des tamis 34 représentés plus en détail sur les figures 6 et 7 La toile 35 des tamis présente des mailles dont les ouvertures sont suffisamment petites pour empêcher le métal fondu de s'écouler à travers le tamis au commencement de la coulée, mais suffisamment grandes pour permettre à l'eau de s'écouler et, par conséquent, pour évacuer l'eau s'accumulant sur la surface 13 Un chanfrein 26 est réalisé dans la partie supérieure du trou 22 d'écoulement, sur le côté opposé à celui de la surface inclinée 31 afin d'empêcher tout accrochage des appendices 40 formés sur le bout 23 du lingot au commencement de la coulée lorsque le bout du lingot se rétracte et s'incurve, de sorte que les appendices 40 se soulèvent hors des évidements 30 et s'élèvent le long de la surface inclinée 31 Comme montré sur la figure 7, le tamis 34 comporte une courte a, 253747 1 bague cylindrique 37 qui repose sur l'épaulement 33 situé à la partie supérieure du trou 22 d'écoulement. Au commencement de la coulée, du métal fondu est appliqué sur le bloc de fond 10 et les évidements 30 se remplissent de métal fondu qui se solidifie en formant des appendices 40 sur le bout 23 du lingot, ces appendices ayant essentiellement la même forme que les évidements 30 Les ouvertures du tamis sont suffi- samment petites pour empêcher le métal fondu de s'écouler à travers la toile 35 du tamis et de descen- dre dans les trous 22 d'écoulement Le bout 23 du lingot se solidifie et commence à se rétracter et à s'incurver, ce qui a pour effet de soulever les appen- dices formés dans les évidements 30 et de les faire monter en glissant sur les surfaces inférieures inclinées 31 de ces évidementscomme montré sur la figure 8 De cette manière,le lingot 20 est supporté par deux appendices 40 ou plus qui reposent sur les surfaces inclinées 31 des évidements 30 Tout fluide de refroidissement s'accumulant sur la surface 13 du bloc de fond s'écoule à travers la toile 35 des tamis et par les trous 22 d'écoulement, puis par les canaux 32 de décharge. La figure 9 illustre une alternative à l'uti- lisation de tamis, alternative dans laquelle des trous 52 d'écoulement ne sont pas usinés totalement jusqu'à la surface supérieure 13 Plusieurs petits trous 55 sont percés dans la partie restante non usinée 56 de manière que la dimension de ces trous soit comprise entre 0,25 et-2; 5 mm. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au bloc de fond décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. 253741 1 REVENDICATIONS 1 Bloc de fond pour la coulée verticale électromagnétique ou à refroidissement direct de gros lingots allongés ou de grosses billettes allongés ( 20), ce bloc de fond ( 10) présentant une surface supérieure ( 13) en forme de cuvette et plusieurs trous d'écoule- ment ( 22) pour l'évacuation d'un fluide de refroidisse- ment qui s'accumule sur la surface supérieure en forme de cuvette pendant la couléele bloc de fond étant caractérisé en ce que des évidements ( 30) sont ménagés dans la surface supérieure en forme de cuvette et sont associés à la partie supérieure d'au moins deux trous d'écoulement, ces évidements rayonnant vers l'intérieur en direction de la partie centrale du bloc de fond et présentant une surface inférieure ( 31) qui est inclinée vers le haut en direction de la partie centrale du bloc de fond, lesdits évidements étant destinés à recevoir, au commencement de l'opération de coulée, du métal fondu qui se solidifié et forme ainsi sur le bout ( 23) du lingot des appendices ( 40) ayant essentiellement la même forme que les évidements et qui montent en glis- sant sur les surfaces inclinées des évidements lorsque le bout du lingot se rétracte et s'incurve sous l'effet de la solidification et du refroidissement, de façon à supporter de manière stable le lingot sur le bloc de fond et à empêcher ou minimiser les mouvements du lingot sur ce bloc de fond. 2 Bloc de fond selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens ( 34) sont prévus au fond des évidements pour permettre le passage du fluide de refroidissement, mais pour empêcher le passage du métal fondu. 3.Bloc de fond selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens présentent des ouver- tures dont la dimension maximale est comprise entre 0; 25 et 2,5 mm. 2-5374, 1 4 Bloc de fond selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens comprennent un tamis ( 34) ayant des ouvertures dont la dimension maximale est comprise entre 0,25 et 2,5 mm. 5 Bloc de fond selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est de forme rectangulaire.