Brevet FR2570304A1 — publié le 19860321

PROCEDE DE REGLAGE DU NIVEAU DE LA LIGNE DE CONTACT DE LA SURFACE LIBRE DU METAL AVEC LA LINGOTIERE DANS UNE COULEE VERTICALE L'invention concerne un procédé de réglage du niveau de la ligne de con- tact de la surface libre du métal avec la lingotière dans une coulée ver- ticale. Lors de la fabrication de semi-produits métallurgiques par coulée de métaux ferreux ou légers comme l'aluminium et ses alliages, l'homme de l'art cherche à obtenir des lingots, des billettes, des plaques, etc... ayant la meilleure homogénéité physique et chimique possible, ceci afin d'éviter l'apparition de certains défauts lors de la transformation ulté- rieure de ces produits en feuilles, fils, etc... Or, la plupart des procédés de coulée utilisés actuellement dans l'indus- trie donnent lieu, lors du passage du métal de l'état liquide à l'état solide, à la formation de défauts d'homogénéité plus ou moins importants, dûs essentiellement à des conditions de refroidissement différentes d'un point à l'autre des produits coulés. C'est ainsi que dans la coulée en lingotière à passage vertical o le métal est successivement refroidi indirectement par l'intermédiaire de la lingotière, puis directement par une lame d'eau, on constate la présence sur les semi-produits d'une couche externe dite "couche corticale primaire". Cette couche dont la structure et la composition diffèrent de celles de la partie interne du semi-produit, résulte du refroidissement indirect du métal au contact de la lingotière. Par ailleurs, d'autres hétérogénéités beaucoup moins prononcées, mais toutes aussi gênantes peuvent apparaître, telles que les "picots" ou pe- tites piqûres dues notamment à une dispersion dans la masse métallique de la couche d'oxyde qui se forme à la surface du métal liquide en contact avec l'atmosphère. Certes, l'homme de l'art-n'est pas resté inactif devant ces problèmes et il a apporté un certain nombre de solutions plus ou moins satisfaisantes visant à supprimer ou tout au moins à diminuer l'importance de ces hété- rogénéités. C'est ainsi que dans le brevet français 1 509 962, l'homme de l'art a préconisé l'utilisation de la coulée électromagnétique, technique dans laquelle grace au confinement du métal à l'aide de forces d'origine élec- tromagnétique, on peut supprimer la lingotière et éviter ainsi l'appari- tion de la couche corticale puisqu'il n'y a plus de refroidissement in- direct. On arrive ainsi à améliorer l'homogénéité des semi-produits. Toutefois, cette technique présente les inconvénients suivants: - il faut équiper le métier de coulée avec une installation électrique relativement complexe et chère à cause de la nécessité de disposer de courants de fréquence non industrielle (500 à 4000 Hz) pour créer un champ de confinement convenable, - le risque d'hétérogénéité par picots est accru en raison, d'une part de l'absence de lingotière et donc de l'augmentation de la surface de métal liquide susceptible d'être oxydé, d'autre part du phénomène de brassage de la masse liquide causé par le champ de confinement qui contribue fortement à la dislocation du film d'oxyde et à sa dispersion dans le métal, - il est souvent difficile de créer un confinement convenable lors du démarrage de la coulée électromagnétique, - la sécurité du personnel peut être mise en cause quand on coule l'alu- minium et ses alliages car en cas de défaillance électrique, le métal liquide n'étant plus confiné se répand à l'extérieur de la lingotière et peut entrer en contact avec le fluide de refroidissement direct en provoquant une explosion. D'autres solutions plus simples ont également été proposées pour diminuer l'épaisseur de la couche corticale. Par exemple, le brevet français 1 398 526 enseigne l'emploi d'une bande de fiberfrax collée sur la lingo- tière de façon à réduire la hauteur de métal en contact avec la lingo- tière, et donc de réduire les effets dûs au refroidissement indirect. Cependant, cette réduction de hauteur ne peut être fixée une fois pour toutes, car elle dépend notamment de la vitesse de coulée. Aussi, quand ce paramètre varie, il faut soit changer de lingotière, soit tout au moins modifier la hauteur de la bande. Ce qui confère un manque de sou- plesse à une solution n'apportant en définitive qu'une suppression partielle des hétérogénéités. Dans le brevet français 1 496 241, on supprime les inconvénients du re- froidissement indirect en utilisant une lingotière en graphite non refroidie, mais on se heurte alors à des problèmes d'entretien et de changement fréquent de la lingotièredûs à la fragilité de ce matériau. Une autre solution consiste à mettre en oeuvre des lingotières à surface intérieure striée au moyen desquelles on réduit de plus de 30 % l'épais- seur de la couche corticale quand on coule de l'aluminium 1050 par exem- ple. Toutefois, outre l'usinage de ces lingotières qui en augmente sen- siblement le prix, on retrouve les inconvénients dûs à l'adaptation de la lingotière, et ici des stries, à.chaque vitesse de coulée. On connaît encore la coulée en charge avec rehausse, dite"HOT TOP", mais elle a aussi l'inconvénient à la fois de conduire à une solidification périodique du ménisque, cause de petits replis à la surface des semi- produits et de s'accompagner de difficultés lors du démarrage. le. Enfin, plus récemment, le brevet français 2 417 357 a revendiqué un pro- cédé dans lequel on fait varier la longueur axiale de la partie de la lingotière en contact avec le métal liquide en mettant en oeuvre une manchette glissant sur la paroi intérieure de la lingotière. Un tel système a l'inconvénient lors d'une solidification intempestive du métal de conduire à une adhérence entre la lingotière et la manchette provo- quant ainsi un arrachement des pièces en présence au moment o l'on procède au mouvement de glissement. C'est pourquoi, la demanderesse consciente des problèmes posés par ces techniques a, dans le but d'obtenir des semi-produits homogènes dans lesquels l'épaisseur de la couche corticale est pratiquement nulle, le grain est affiné et la peau est exempte de picots, cherché et mis au point un procédé qui présente par rapport à ceux de l'art antérieur, les avantages suivants: - utilisation d'installations électriques moins compliquées que celles imposées par la coulée électromagnétique, - passage aisé de la phase de démarrage de la coulée au régime de croi- sière, - adaptation facile à des variations de paramètres tels que la vitesse de coulée puisque le procédé ne nécessite aucune modification du ma- tériel tel que le changement de lingotière, - application à n'importe quel type de lingotière classique, - absence de tout dispositif dans lequel on met des pièces en mouvement, - risques d'explosion par fuite de métal liquide moins grands qu'avec la coulée électromagnétique. Pour parvenir à ce résultat, la demanderesse est partie des observations suivantes: - d'une part, le démarrage de la coulée est d'autant plus facile que le niveau de métal dans la lingotière est haut. En effet, avec un niveau bas, le flotteur qui règle le niveau et l'alimentation en métal de la lingotière se rapproche du front de solidification et risque, pour des semi-produits de petites dimensions, d'être bloqué par une solidifi- cation intempestive du métal et de ne plus pouvoir assurer sa fonction. De même, le phénomène de cambrure qui se manifeste avec les semi- produits de grande largeur interdit également un démarrage en niveau bas. - d'autre part, en régime de croisière, il est préférable de couler avec une hauteur de métal dans la lingotière la plus faible possible car on limite ainsi la hauteur de contact de métal avec la paroi de la lingo- tière et de ce fait on réduit l'épaisseur de la zone corticale qui, comme on l'a vu plus haut, est essentiellement due au refroidissement du métal par l'intermédiaire de la lingotière. Il fallait donc, partant d'une lingotière classique avec ses contingences c'est-à-dire tout en gardant dans la lingotière une hauteur de métal cons- tante puisque fixée par la position du flotteur et suffisante pour ne pas gêner le fonctionnement du flotteur, pouvoir limiter le plus possible la hauteur de contact du métal avec la surface de la lingotière ce qui reve- nait en somme à trouver un moyen de régler le niveau de la ligne de con- tact de la surface libre du métal liquide avec la paroi de la lingotière. Ce moyen consiste, selon l'invention, à appliquer au liquide en cours de solidification un champ magnétique périodique d'intensité variable et de direction sensiblement parallèle à l'axe de la lingotière et à adapter 25703d04 son intensité en fonction du niveau souhaité. En effet, il a été constaté qu'en plaçant autour de la lingotière une bobine circulaire constituée par un circuit électrique formé d'un ou de plusieurs enroulements, et en l'alimentant avec un courant alternatif de tension industrielle suffisante, on parvenait à modifier le profil du ménisque métallique et notamment à faire varier le niveau de cette ligne de contact du métal avec la lingotière et ce d'autant plus que les variations de la tension d'alimentation et corrélativement de l'in- tensité du champ créé, étaient grandes. Ainsi, en faisant croître l'intensité du champ, on pouvait abaisser le niveau et par suite diminuer la hauteur de la zone de contact métal- lingotière ou au contraire en la faisant décroître, on pouvait élever ce niveau et par suite augmenter cette hauteur. L'intérêt d'un tel procédé est donc de permettre de réduire à volonté la hauteur de contact métal-lingotière et par suite l'épaisseur de la couche corticale simplement avec une bobine alimentée par un courant de fréquence industrielle 50 ou 60 Hz en sachant que toute défaillance électrique n'au- ra pour répercussion que de faire varier la hauteur de métal dans la lin- gotière, c'est-à-dire que tout risque de fuite de métal liquide sera écarté ce qui n'est pas le cas dans la coulée électromagnétique. De plus, la présence d'une lingotière, tout en limitant la possibilité d'oxydation du métal liquide au niveau du ménisque, empêche, par le contact qu'elle a avec le métal, tout déplacement du film d'oxyde vers la paroi latérale et donc tout risque de picot à la surface du semi- produit. De plus, le champ appliqué au métal a également pour effet de créer des forces à l'intérieur du liquide qui homogénéisent le refroidissement et tendent à provoquer un affinage du grain de coulée. La bobine qui crée le champ magnétique a de préférence une forme symétri- que de celle de la lingotière, de sorte qu'elle crée un champ de direction sensiblement parallèle à l'axe de la lingotière. Elle est disposée le long de cet axe de manière que la zone o le champ exerce une action maximum se situe à un niveau de la lingotière compris entre la demi et le tiers de sa hauteur à partir de la base. Un tel procédé permet, lors d'une opération de coulée, d'effectuer un démarrage normal dans les meilleures conditions possibles, c'est-à-dire avec une hauteur élevée de métal dans la lingotière. Pour cela, on fait décroître l'intensité du champ jusqu'à l'annuler éventuellement de ma- nière à supprimer toute modification du niveau normal du métal. Par la suite, pour passer en régime de croisière, on fait croître l'intensité du champ jusqu'à atteindre une hauteur minimum conduisant à une épais- seur minimale de la couche corticale. La valeur maximum du champ admis- sible est détectée facilement par apparition lorsqu'on la dépasse, de déformation de la surface du produit coulé. Il suffit donc de déterminer cette valeur au cours du démarrage d'une coulée test et de la reconduire ensuite pour toutes les coulées du meme type. Cette valeur correspond généralement au moment o le niveau atteint par la ligne de contact correspond au niveau à laquelle se place la ligne d'intersection entre le front de solidification dû au refroidissement indirect et le front de solidification dû au refroidissement direct en coulée classique. La hauteur de contact se trouve alors pratiquement réduite à une ligne circulaire et la couche corticale inexistante. Suivant le type d'alliage coulée, on sait qu'on sera amené à couler à des vitesses différentes. Le procédé selon l'invention permet de modi- fier l'intensité du champ pour l'adapter aux variations de vitesse et de déterminer comme précédemment la valeur maximum de l'intensité admis- sible pour chacune de ces vitesses. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure jointe qui repré- sente en coupe verticale deux demi-lingotières dont celle de gauche est utilisée suivant l'art antérieur et celle de droite suivant le procédé de l'invention. 7 03 0 4 On distingue une busette d'alimentation (1) en métal liquide, un flotteur (2) de régulation de niveau, une lingotière (3) refroidie directement par un fluide (4) qui refroidit ensuite le métal (5) directement au point (6). La demi-lingotière de droite est équipée d'une bobine (7) qui est ali- mentée sous une tension alternative (8) afin de créer-le champ magnétique de direction (9) et de provoquer l'abaissement du niveau de la ligne de contact de la surface du métal avec la lingotière d'un point (10) dans la coulée de l'art antérieur au point (11) suivant l'invention, point qui est situé au niveau de l'intersection (12) du front de solidification (13) résultant du refroidissement indirect et du front (14) résultant du refroidissement direct. On voit ainsi qu'on a réduit la hauteur de con- tact du métal avec la lingotière d'une hauteur h à une hauteur h2 extrê- mement petite qu'on peut assimiler au point (11). L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application sui- vants: Dans une lingotière en aluminium de diamètre 320 mm, de hauteur 100 mm, on a coulé un alliage d'aluminium du type 2214 suivant les normes de l'Aluminum Association, à la vitesse de 60 mm/minute. Le flotteur réglait le niveau de métal à mi-hauteur de la lingotière et le fluide de refroi- dissement entrait en contact avec la peau de la billette coulée à 1 cm environ en-dessous de la base de la lingotière. Dans un premier essai, la coulée a été effectuée dans les conditions de l'art antérieur et un examen micrographique de différentes sections de la billette a montré que la couche corticale avait une épaisseur moyenne de 18 mm. Une série d'essais a été ensuite réalisée au cours de laquelle la lingo- tière a été entourée par une bobine annulaire de diamètre intérieur 372 mm, extérieur 465 mm, de hauteur 48 mm, formée par 120 tours de fil de cuivre émaillé de diamètre 3,35 nm et alimentée par un courant alter- natif de 50 Hz. Chacun des essais a été mené sous une tension électrique différente et on a mesuré les épaisseurs corticales moyennes correspondantes ainsi que la taille des grains par la méthode des intersections. Les résultats figurent dans le tableau ci-après: 7o3 4 Tension en volts |0 50 100 150 180 Epaisseur corticale 18 16 13 9 O en mm Taille des grains 500 300 180 en gm On constate donc que l'application du procédé selon l'invention conduit à une réduction progressive de l'épaisseur de la couche corticale à mesure que l'on augmente la tension électrique aux bornes de la bobine dans des proportions telles que cette épaisseur devient nulle pour une tension de volts, Simultanément, la taille des grains diminue de telle sorte qu'à partir d'un métal qui présente des grains de 500 Pm en coulée classique, on ob- tient suivant l'invention des grains de 180 mn en moyenne. Par ailleurs, on ne note la présence d'aucun picot. La présente invention trouve son application dans la coulée de semi- produits métallurgiques notamment en aluminium-et ses alliages tels que, par exemple,-les alliages au lithium et dans lesquels on veut obtenir à la fois une zone corticale d'épaisseur pratiquement nulle, un grain fin sans ajout préalable d'agents d'affinage comme l'AT5B et une absence de picots. REVENDICATIONS 1 / Procédé de réglage du niveau de la liqne de contact de la surface libre du métal avec la lingotière dans une coulée verticale continue, caractérisé en ce que l'on applique au liquide en cours de solidifica- tion un champ magnétique périodique d'intensité variable et de direc- tion sensiblement parallèle à l'axe de la lingotière et que l'on adapte l'intensité du champ en fonction du niveau souhaité. 2 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le champ a une fréquence industrielle. 3 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone o le champ exerce une action maximum se situe à un niveau de la lingotière compris entre la demi et le tiers de sa hauteur à partir de la base. 4 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait croître l'intensité pour abaisser le niveau. / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on fait décroître l'intensité pour augmenter le niveau. 6 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors d'une opération de coulée, on fait décroître l'intensité du champ au moment du démarrage puis la fait croître progressivement jusqu'à une valeur maximum au-delà de laquelle la surface du produit coulé commence à se déformer. 7 / Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on modifie l'intensité du champ quand la vitesse de coulée varie.