Brevet FR2580964A1 — publié le 19861031

PROCEDE DE COULEE D'ANODES SACRIFICIELLES EN LINGOTIERE A FOND MOBILE La présente invention est relative à un procédé de coulée d'anodes sacrificielles au moyen d'une lingotière à fond mobile. Lorsqu'un métal comme l'acier est placé dans un milieu corrosif tel que l'eau de mer par exemple, il se corrode. C'est un problème que connaissent notamment les pétroliers avec leurs plates-formes maritimes en acier. On sait depuis longtemps éviter cette corrosion en reliant électriquement la structure en acier à protéger à des anodes dites sacrificielles constituées de métal anodique par rapport à l'acier tel que par exemple les alliages d'aluminium, de zinc et de magnésium. Dans ces conditions, on forme un couple galvanique qui produit sur l'acier un courant cathodique protecteur en consommant l'anode. Toutefois, pour obtenir ce courant protecteur, il est nécessaire de réaliser une bonne liaison électrique entre la structure et l'anode. Cette liaison électrique est généralement obtenue en coulant l'alliage de l'anode autour d'un insert en acier, le plus souvent de forme tubulaire, insert qui est soudé sur la structure à protéger. Le procédé- le plus couramment utilisé pour obtenir de telles anodes, consiste à couler la masse de métal anodique dans un moule horizontal fixe à l'intérieur duquel a été préalablement placé l'insert. Dans le but de faciliter le démoulage, ce moule a généralement une forme trapézoidale d'o résulte une anode de section dissymétrique. L'expérience a montré que ce procédé présentait plusieurs inconvénients. D'une part, le refroidissement est lent et varie suivant que le métal coulé est en contact avec la paroi du moule ou avec l'atmosphère. De ce fait, il se produit au cours de la solidification des hétérogénéités dans la composition et la structure de l'anode. D'autre part, on observe souvent la présence de décollements et même de cavités entre insert et anode. Ces décollements peuvent permettre une infiltration d'eau le long de l'insert et conduire à la mise hors service prématurée de l'anode. De plus, dans le cas d'anodes longues et fines, il se forme souvent des fissures dont certaines combinées avec des vides entre anode et insert peuvent permettre la perte de morceaux d'anodes. Face à ces difficultés, la demanderesse soucieuse de fournir aux utilisateurs des anodes de qualité améliorée a entrepris des recherches et constaté que la coulée en lingotière à fond mobile pouvait avantageusement remplacer la coulée en moule fixe. Rappelons que cette technique en lingotière, encore appelée coulée semicontinue, largement utilisée en fonderie, notamment pour la coulée de billettes, consiste à alimenter en continu avec un métal en fusion une lingotière à axe vertical ouverte en haut, fermée en bas par un fond mobile et refroidie extérieurement par un fluide, de sorte que le métal se solidifie partiellement à l'intérieur de la lingotière et devient solidaire du fond mobile. Par déplacement progressif de ce dernier vers le bas et refroidissement par arrosage de la surface du métal sortant de la lingotière, on peut obtenir un lingot de longueur voulue ayant un contour correspondant à celui de la lingotière et qui peut être notamment circulaire. Mais l'application de cette technique de coulée de billettes à la coulée d'anodes sacrificielles entraîne cependant certaines difficultés inhérentes à la présence d'un insert et oblige donc à certaines adaptations du procédé classique de coulée de billettes. Divers aménagements du poste de coulée ont donc été entrepris et consistent notamment à rendre l'insert solidaire du fond mobile afin d'assurer un déplacement synchrone de l'ensemble au cours de la coulée et de centrer cet insert par rapport à la masse anodique. La description d'un tel poste a été présentée par la demanderesse lors du Congrès annuel de corrosion de la NACE (National Association of Corrosion Engineers) qui s'est tenu à Toronto du 6 au 10 avril 1981 et publiée sous la référence 'CORROSION 81" paper 107. Dans cette publication, les différents avantages de cette technique par rapport au moulage en moule fixe ont été montrés, à savoir - une composition chimique plus homogène, - une texture plus fine, - l'absence de décollement entre l'insert et le métal anodique, - la suppression des criques, - une distribution symétrique de l'alliage autour de l'insert et cela sur toute sa longueur. Toutefois, depuis 1981, les technologies de protection ont évolué et les utilisateurs voudraient maintenant disposer d'anodes ayant une section relativement plus importante que celles mises en oeuvre jusau'à présent. Pour répondre à ce souhait, la demanderesse s'est trouvée confrontée à de nouvelles difficultés d'application de la technique de coulée semicontinue résultant du fait que l'accroissement du rapport diamètre anode sur diamètre insert se traduisait par une diminution importante de la résistance mécanique de la liaison insert-anode d'o corrélativement une diminution de la conductivité - électrique de l'ensemble. Ayant cherché à remédier à ce défaut, la demanderesse a trouvé un procédé dont l'application s'est révélée être particulièrement efficace pour l'amélioration de cette résistance et ce non seulement pour les anodes présentant un rapport de diamètre important, mais également pour les anodes plus petites fabriquées jusqu'à présent. Ce procédé est caractérisé en ce que l'on refroidit l'intérieur de l'insert au moyen d'un fluide pendant la coulée. Ce refroidissement est, de préférence, localisé dans la partie de l'insert en regard avec le métal liquide en cours de solidification, c'est-à-dire dans la zone o il y a une interface solide-liquide, zone encore appelée par l'homme de l'art "front de solidification". On sait qu'en coupe verticale diamétrale et pour une billette, ce front de solidification a approximativement la forme d'un V dont la pointe est plus ou moins aplatie. Cette forme est due aux conditions particulières de solidification du métal lors de la coulée: d'une part, le métal se solidifie au contact de 'la lingotière refroidie, ce qui donne naissance à une coulée dite corticale; puis le métal est refroidi directement en sortie de lingotière par un fluide de refroidissement, ce qui solidifie le métal à coeur dans la partie centrale du front de solidification. La présence d'un insert au centre de la billette n'a d'autre effet que de se substituer au front de solidification dans la partie du métal qu'il occupe, sans modifier fondamentalement la forme, puisque la température de l'insert tend à s'équilibrer avec celle du métal coulé. C'est dans cette zone qu'est de préférence localisé le refroidissement. Ce refroidissement n'est pas quelconque. En effet, il faut dans le cadre de l'invention qu'il soit suffisant pour provoquer le long de l'insert une remontée du front central, c'est-à-dire que le niveau du front de solidification au contact de l'insert vienne se situer au-dessus du niveau constaté lorsqu'il n'y a pas de refroidissement. De préférence, le refroidissement doit être tel que la différence entre ces deux niveaux soit au moins égale au 1/4 de la hauteur maximum de métal liquide dans la lingotière. En-dessous de ce niveau, on constate déjà une amélioration de la résistance mécanique de la liaison insert- anode, mais cette amélioration est plus sensible dès que la valeur indiquée est atteinte. Ce niveau peut même atteindre le niveau supérieur du liquide dans la lingotière, toutefois, il nécessite alors un débit de fluide frigoporteur important sans accroître pour autant la résistance. De ce fait, on peut limiter le débit de manière à atteindre une différence de niveau au plus égale aux 3/4 de la hauteur maximum de métal liquide dans la lingotière. Ce refroidissement est obtenu au moyen d'un fluide qui peut être tout gaz ou tout liquide susceptible d'apporter les frigories nécessaires tels que l'air ou l'eau par exemple ou des dispersions de liquide dans un gaz, etc... Ce fluide est introduit à l'intérieur de l'insert tubulaire à l'une ou l'autre de ses extrémités qui se situe soit au-dessus du niveau de la lingotière, soit en-dessous du fond mobile. On peut utiliser pour cela une canne tubulaire dont l'une des extrémités est ouverte et l'autre reliée à une source de fluide. L'extrémité ouverte de cette canne est enfilée à l'intérieur de l'insert et peut être déplacée notamment pour la positionner au niveau du front de solidification. De préférence, l'extrémité de la canne située à l'intérieur de l'insert se termine par une partie renflée ne laissant échapper le fluide que par des trous placés sur sa paroi latérale sous forme de couronnes de manière à créer des jets qui permettent de mieux localiser le refroidissement. Ces trous sont de préférence percés de manière à imprimer aux jets une direction formant avec un plan horizontal un angle compris entre O et 60 degrés orienté vers le bas. Les résultats de l'invention peuvent encore être améliorés en injectant le métal en fusion dans la lingotière au sein du métal non encore solidifié. On évite ainsi toute perturbation inhérente aux mouvements désordonnés du métal liquide et favorise l'obtention d'une plus grande résistance mécanique de la liaison anode-insert et d'un métal de meilleure qualité (sans inclusions d'oxydes notamment). De préférence, cette injection est faite dans une direction perpendiculaire à l'axe de l'insert afin d'éviter la remontée le long de l'insert de cristaux déjà formés près de la partie centrale du front de solidification. Ces conditions d'injection sont obtenues au moyen d'une busette de forme convenable facilement réalisable par l'homme de l'art. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la figure jointe à la présente demande et qui représente en coupe verticale une installation de coulée permettant d'appliquer les moyens nouveaux trouvés par la demanderesse. Sur cette figure, on voit une lingotière cylindrique (1} équipée d'un fond mobile (2) qui au démarrage de la coulée ferme la lingotière par le bas. Ce fond est traversé en son centre par un insert tubulaire (3) disposé de manière à pouvoir se déplacer vers le bas suivant un mouvement de translation synchrone au cours de la coulée. Le métal anodique (4) en fusion est injecté dans la lingotière par l'intermédiaire d'une réserve (5) équipée d'un régulateur de débit (6) fonctionnant de manière à maintenir un niveau de liquide (7) constant dans la lingotière et d'une busette verticale (8) dont l'extrémité (9) est située au sein du métal non encore solidifié distribue le fluide admis en {15) dans la partie de l'insert en regard avec le front de solidification (16) de façon à le faire remonter jusqu'au niveau (17) pour former sous l'action conjuguée du refroidissement par un liquide (18) de la lingotière (1) et de la surface (19) du métal' sortant de la lingotière l'anode (20) conforme à l'invention. La présente invention peut être illustrée au moyen de l'exemple d'application suivant. Un métal anodique du type HYDRAL 2C c'est-t-dire constitué par un alliage d'aluminium contenant 5 % de zinc et 0,02 % d'indium environ a été coulé en semi-continue dans une lingotière cylindrique sous forme d'une anode de longueur 2500 mm, de diamètre extérieur 260 mm autour d'un insert en acier qualité API-5L de diamètre extérieur 114 mm. La première moitié de-l'anode a été coulée suivant le procédé de l'art antérieur, c'est-à-dire sans refroidissement intérieur de l'insert; la deuxième moitié a été coulée en refroidissant l'insert de manière à remonter le niveau du front de solidification au contact de l'insert par rappport à ce qu'il était dans la première partie de la coulée d'une hauteur égale aux 3/4 de la hauteur de liquide dans la lingottère. Pratiquement, ces niveaux peuvent être déterminés à l'aide d'une sonde que l'on plonge dans le métal liquide contenu dans la lingotière pour détecter la position de l'interface liquide-solide. Afin de montrer l'efficacité du procédé de l'invention, des mesures de résistance mécanique de la liaison insert-anode ont été réalisées de la manière suivante. L'anode cylindrique ayant été découpée en tranches perpendiculaires à l'axe d'épaisseur 100 mm et les deux faces de chaque disque ayant été usinées au tour de façon à les rendre rigoureusement perpendiculaires à leur axe, on introduit successivement chacun des disques entre les plateaux d'une presse de force 100000 daN équipée de têtes spéciales permettant de séparer l'anode de l'insert. Cette presse est instrumentée et permet d'enregistrer directement la force appliquée en fonction du déplacement réel du plateau mobile. Le plateau inférieur mobile présente une ouverture de diamètre correspondant au diamètre extérieur de l'insert. A3rant placé l'axe de la tranche suivant l'axe de l'ouverture, on fait s'élever le plateau inférieur jusqu'à mettre la tranche en contact avec les deux plateaux, puis on continue cette élévation, de manière &à exercer une pression telle qu'il se produise un glissement de l'anode par rapport à l'insert sur une longueur de 1 mm choisie arbitrairement. On note alors l'indication de la valeur de cette pression donnée par un dynamomètre. Sur chacun des disques. les valeurs suivantes ont été relevées Force en daN Partie coulée suivant l'art antérieur 8750- 9500- 8125- 6875 Partie coulée suivant l'invention 39500- 33500- 26250- 32500- 39500- 38750- 27750 Ces résultats montrent que la force nécessaire pour provoquer le déplacement de l'anode par rapport à l'insert est nettement plus importante quand l'anode est coulée suivant le procédé de l'invention. Ces valeurs traduites en mesures d'adhérence c'est-à-dire en force rapportée au mm2 de surface de contact anode-insert donnent les résultats suivants Adhérence moyenne en daN/mm2 suivant l'art antérieur 0,229 suivant l'invention: 0,939 Les mêmes mesures effectuées sur une anode de mnme composition, avec un insert identique mais coulé dans des conditions de refroidissement telles que la différence de niveau entre le front au contact de l'insert et le front le plus bas soit égal au 1/4 de la hauteur de liquide dans la lingotière ont donné une valeur d'adhérence moyenne égale à 0,819 daN/mm2. Ces chiffres indiquent clairement que l'invention permet d'améliorer notablement la résitance mécanique de la liaison anode-insert ce qui contribue corrélativement à améliorer notablement la conductibilité électrique de l'anode et par suite son efficacité. 258096À La présente invention trouve son application dans la fabrication d'anodes sacrificielles présentant une grande résistance mécanique de liaison anode-insert destinées en particulier & la protection contre la corrosion de structures cathodiques par rapport au matériau de l'anode et qui peuvent être, par exemple, des plates-formes d'exploitation et de forage de pétrole en mer, des oleoducs, des coques de bateaux, etc. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée d'anodes sacrificielles à insert tubulaire, dans une lingotière (1) à fond mobile (2) caractérisé en ce que l'on refroidit l'intérieur de l'insert (3) au moyen d'un fluide, durant la coulée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement est localisé dans la partie de l'insert en regard avec le front de solidification. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement par le fluide est tel que le niveau du front au contact de l'insert se situe au-dessus du niveau du front lorsqu'il n'y a pas de refroidissement de l'insert. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la différence entre les deux niveaux est au moins égale au 1/4 de la hauteur maximum de métal liquide dans la lingotière. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la différence entre les deux niveaux est au plus égale aux 3/4 de la hauteur maximum du métal liquide dans la lingotière. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est appliqué sur la paroi interne de l'insert sous forme de jets. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la direction des jets forme avec un plan horizontal un angle compris entre 0 et 60 degrés orienté vers le bas. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on injecte le métal anodique en fusion dans la lingotière au sein du métal non encore solidifié. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on injecte le métal dans une direction perpendiculaire à l'axe de l'insert.