Brevet FR2595596A1 — publié le 19870918

LINGOTIERE PERMETTANT DE REGLER LE NIVEAU SUIVANT LEQUEL ELLE EST EN CONTACT AVEC LA SURFACE LIBRE DU METAL DANS UNE COULEE VERTICALE L'invention concerne une lingotière permettant de régler le niveau sui- vant lequel elle est en contact avec la surface libre du métal dans une coulée verticale. 5.Lors de la fabrication de semi-produits métallurgiques par coulée de mé- taux 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 ul- térieure 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, dus 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 cou- che externe dite "couche corticale primaire". Cette couche dont la struc- ture 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 pronon- cées, mais toutes aussi gênantes,peuvent apparaître, telles que les "pi- cots" ou petites piqûres dues notamment à une dispersion dans la masse métallique de la couche d'oxyde qui se forme à la surface du métal liqui- de 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 déjà traditionnelle dans laquelle, grâce au confinement du métal à l'aide de forces d'origine électromagnétique, on peut supprimer la lingotière et éviter ainsi l'apparition de la couche corticale puisqu'il n'y a plus de refroidissement indirect. 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 con- tribue 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 case 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 pro- voquant 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 dus 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. Ainsi, quand ce paramètre varie, il faut soit changer de lingotigre, soit tout au moins modifier la hauteur de la bande. Ce qui confère un manque de souplesse 1, é, 4I -3 2595596 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 re- froidie, mais on se heurte alors à des problèmes d'entretien et de chan- gement fréquent de la lingotière dus 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 exemp- le. Toutefois, outre l'usinage de ces lingotières qui en augmente sen- siblement le prix, on retrouve les inconvénients dus 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. 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 sys- tème 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 pro- cède 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 traditionnelle; 4 2595596 - 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 matériel 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 du métal liquide moins grands qu'avec la coulée électromagnétique traditionnelle. 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 filtre en tissu de verre qui régularise le niveau et l'alimenta- tion 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 solidification 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 au 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, com- me 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 contingen- ces, c'est-à-dire tout en gardant dans la lingotière une hauteur de métal constante puisque fixée par la position du flotteur et suffisante pour ne pas gêner le fonctionnement du filtre, pouvoir limiter le plus pos- sible la hauteur de contact du métal avec la surface de la lingotière ce qui revenait en somme à trouver un moyen de régler le niveau de la ligne de contact de la surface libre du métal liquide avec la paroi de la lin- gotière. 2595596 Ce moyen consiste à appliquer au liquide en cours de solidification un champ magnétique périodique d'intensité variable et de direction sensi- blement parallèle à l'axe de la lingotière et à adapter 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'intensi- té du champ créé étaient grandes. Ainsi, en faisant croitre 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 con- tact 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. Toutefois, la solution consistant à entourer la lingotière par une bobine 6 - 2595596 annulaire, si elle a le gros avantage de ne modifier en rien le montage classique des métiers de coulée, elle a par contre l'inconvénient d'en- traîner une consommation importante d'énergie électrique. En effet, la lingotière absorbe une partie du champ magnétique représentant environ 15 à 30 % de l'énergie totale consommée. De plus, à cause de la présence de la lingotière, la bobine doit être éloignée du métal liquide; or, comme l'intensité du champ magnétique diminue d'autant plus que cet éloi- gnement est grand, il en résulte une perte d'énergie supplémentaire. C'est pourquoi, soucieuse d'économiser l'énergie et consciente du fait que le coût des installations électriques augmente rapidement en fonction de l'intensité à débiter, la demanderesse a cherché le moyen de diminuer l'intensité électrique nécessaire au fonctionnement de ce type de procé- dé. Ses travaux ont abouti à la création d'une lingotière caractérisée en ce qu'elle est constituée au moins dans sa partie inférieure par un mé- tal, qu'elle est revêtue intérieurement d'un film en matériau isolant de l'électricité, qu'elle présente suivant au moins une génératrice, sur toute sa hauteur et sur toute son épaisseur, un insert en matériau iso- lant de l'électricité, qu'elle est munie extérieurement au niveau de la- dite partie inférieure de deux bornes placées de part et d'autre dudit insert et reliées à une source de courant alternatif. La demanderesse a en effet constaté qu'une telle lingotière jouait exac- tement le rôle de la bobine car elle permettait de créer un champ magné- tique ayant pour effet de modifier le profil du ménisque du métal coulé et de faire varier le niveau de la ligne de contact du métal avec la lin- gotière. Il résulte de cette invention qu'on peut supprimer la bobine et tous ses inconvénients notamment celui de sa forte consommation en énergie électrique. Etant donné que le courant nécessaire à la création du champ est relati- vement intense, il est nécessaire que la lingotière soit construite en métal et de préférence un métal présentant une faible résistivité élec- trique comme le cuivre ou l'aluminium et leurs alliages. Ceci ne pose aucun problème puisque les lingotières sont traditionnellement consti- 7 2595596 tuées par de tels métaux. Cependant, il n'est pas nécessaire que la lingotière soit entièrement en métal et il est même préférable d'utiliser des lingotières composites dans lesquelles on limite l'utilisation d'un tel matériau à la partie inférieure et on réalise la partie supérieure comportant la collerette avec un matériau sinon isolant, du moins mauvais conducteur de l'élec- tricité comme un acier inoxydable, par exemple. En effet, on verra par la suite qu'en limitant ainsi la hauteur de passage du courant dans la lingotière, on obtient de meilleurs résultats. Ces lingotières composites sont construites en utilisant des moyens d'as- semblage bien connus de l'homme de l'art. La lingotière selon l'invention est caractérisée notamment en ce qu'elle est revêtue intérieurement d'un film en matériau isolant de l'électrici- té afin d'éviter le passage du courant de la lingotière vers le métal coulé. Ce film doit couvrir complètement de bas en haut la surface inter- ne de la lingotière. Il est souhaitable que ce film ne soit pas un bon isolant thermique car il perturberait les échanges thermiques lingotière- métal et aurait des répercussions fâcheuses sur la qualité des produits obtenus. C'est pourquoi la demanderesse a été amenée à étudier. de près ce problème et a trouvé après de nombreux essais que certains films seule- ment étaient applicables. Il s'agit en particulier lorsque la lingotière est en aluminium ou un de ses alliages d'un film d'oxyde d'aluminium obtenu par anodisation. En effet, ce film, quel que soit le type d'anodisation mis en oeuvre, forme un revêtement continu, relativement résistant au passage du courant, et bon conducteur de la chaleur puisque des épaisseurs aussi faibles que 1 am permettent l'application de tensions voisines de 100 volts. En ou- tre, ce type de revêtement est très résistant à l'abrasion, et peut être imprégné d'un agent lubrifiant (graisse à chaud) pour faciliter la coulée. De plus, cet oxyde se prête facilement à la coloration ce qui permet de détecter toute détérioration du revêtement en cours d'élaboration. Un autre type de revêtement présentant les mêmes avantages que l'oxyde 8 2595596 est le film d'émail dont la réalisation fait appel aux techniques con- nues de l'homme de l'art. On peut citer également les films en résine fluorocarbonC pour lesquels les résultats sont également excellents et dont la fragilité est large- ment compensée par ses excellentes propriétés de frottement qui permet- tent d'éliminer toute utilisation d'agent lubrifiant. Une autre solution intéressante consiste à séparer le film du métal cou- lé par une couche de graphite de quelques millimètres d'épaisseur ce qui évite également de recourir à un agent lubrifiant. L'invention est aussi caractérisgeen ce que la lingotière présente sui- vant au moins une génératrice, sur toute sa hauteur et sur toute son épaisseur, un insert en matériau isolant de l'électricité. Il faut en effet pour que la lingotière assure une fonction analogue à celle de la bobine, qu'elle permette au courant qui la traverse de circuler dans une direction perpendiculaire à l'axe de la lingotière. Ceci est obtenu en fendant la lingotière sur toute sa hauteur, en insérant dans cette fente un isolant électrique et en alimentant la lingotière en courant alterna- tif à partir de deux bornes placées sur sa paroi externe de part et d'autre dudit insert, et au niveau de la partie inférieure métallique. Cet isolant peut être tout matériau connu de l'homme de lhrt, tel que le mica par exemple, y compris les matériaux constituant le film et notam- ment dans le cas d'une li'gatière en aluminium ou en un de ses alliages, l'oxyde obtenu par anodisation; les deux bornes de raccordement au ré- seau électrique sont de n'importe quel type connu. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures jointes qui repré- sentent: Figure I: une coupe verticale de deux demi-lingotières dont celle de gauche est utilisé e sans réglage de niveau et celle de droite qui est équipée d'une bobine annulaire permettant ledit réglage; figure 2: une vue en perspective d'une lingotière monométallique sui- vant l'invention; figure 3: une vue en perspective d'une lingotière composite suivant l'invention. Sur la figure 1, on distingue une busette d'alimentation (1) en métal li- quide, une quenouille (2) de régulation de niveau, une lingotière (3) re- froidie 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 alimentée 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 lingo- tière d'un point (10) dans la coulée de l'art antérieur au point (11) suivant le procédé., 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 contact du métal avec la lingotière d'une hauteur h1 à une hauteur h2 extrêmement petite qu'on peut assimiler au point (11). Sur la figure 2, on voit une lingotière (15) en aluminium revêtue inté- rieurement d'un film (16) d'oxyde obtenu par anodisation présentant sur une de ses génératrices une fente (17) dont les faces en regard ont éga- lement été anodisées et deux bornes (18) qui sont reliées à une source de courant alternatif non représentée. Sur la figure 3, on voit une lingotière composite formée d'une partie supérieure (19) en acier inoxydable et une partie inférieure (20) en alu- minium. L'ensemble est revêtu intérieurement d'un film (21) en résine fluorocarbonée. Sur la partie inférieure de la lingotière et à l'extérieur sont placées deux bornes (22) reliées à une source de courant alternatif non représentée. L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application sui- vants qui comparent, pour 3 types de lingotières, l'intensité nécessaire pour abaisser le niveau de la ligne de contact du métal avec la lingo- ti2re respectivement de 15, 30 et 40 mm dans une lingotigre en aluminium de section 1100 x 300 mm et dans lesquelles le niveau de métal au centre était fixé à 60 mm à partir de la base de la lingotière. 2595596 Les types de lingotières suivants ont été considérés - type 1: une lingotière en aluminium anodisé intérieurement suivant l'invention et de hauteur 104 mm - type 2: une lingotière composite suivant l'invention en aluminium ano- disé pour la partie inférieure d'une hauteur de 60 mm, et en matériau isolant pour la partie supérieure d'une hauteur de 44 mm - type 3: une lingotière en aluminium de même hauteur totale, utilisée suivant l'art antérieur c'est-à-dire sans revêtement intérieur, ni insert et le champ étant créé par une bobine annulaire> Les résultats figurent dans le tableau suivant Abaissement du niveau de la ligne de contact en mm Intensité en amperes Type 1 Type 2 Type 3 4600 3400 9800 6200 5300 14000 40 7000 6300 16000 On constate que quel que soit l'abaissement du niveau, c'est la lingo- tière composite (type 2) qui conduit à l'intensité la plus faible, c'est- à-dire celle qui permet de minimiser le plus le coût du dispositif. Comp- te tenu des pertes électriques dans les amenées de courant, c'est aussi celle qui globalement consomme le moins d'énergie électrique. Le type 1, bien que moins performant, constitue néanmoins un progrès très important par rapport aux lingotières de l'art antérieur puisque l'intensité est pratiquement divisée par 2. La présente invention trouve son application dans la coulée de semi-pro- duits 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 pi- cots. REVENDICATIONS 1. Lingotière (15) permettant de régler le niveau suivant lequel elle est en contact avec la surface libre du métal dans une coulée verticale, caractérisée en ce qu'elle est constituée au moins dans sa partie infé-i rieure par un métal, qu'elle est revêtue intérieurement d'un film (16) en matériau isolant de l'électricité, qu'elle présente, suivant au moins une génératrice, sur toute sa hauteur et sur toute son épaisseur, un in- sert (17) en matériau isolant de l'électricité, qu'elle est munie exté- rieurement au niveau de ladite partie inférieure de deux bornes (18) placées de part et d'autre dudit insert et reliées à une source de cou- rant alternatif. 2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal qui la constitue a une faible résistivité électrique. 3. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle com- prend une partie supérieure (19) constituée par un matériau isolant ou médiocrement conducteur de l'électricité. 4. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le métal qui la constitue appartient au groupe formé par le cuivre, l'aluminium et leurs alliages. 5. Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en le métal est l'aluminium et ses alliages, le revêtement un film d'oxyde d'aluminium obtenu par anodisation. 6. Lingotière selon la revendication 5, caractérisée en est coloré. 7. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en tement intérieur est un film d'émail. 8. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en tement intérieur est un film de résine fluorocarbonée. ce que lorsque intérieur est ce que le film ce que le revê- ce que le revê- 12 2595596 9. Lingotière, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revê- tement intérieur est recouvert d'un agent lubrifiant. 10. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que le film est séparé du métal coulé par une couche de graphite. 11. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'insert est en un matériau de même composition que celle du film.