Brevet FR2595597A1 — publié le 19870918

DISPOSITIF 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 dispositif de réglage du niveau de la ligne de contact de la surface libre du métal avec la lingotière dans une coulée verticale. 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 ulté- rieure de ces produits en feuilles, fils, etc... Or, la plupart des procédés de coulée utilisés actuellement dans l'in- dustrie 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 in- directement 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 "picots" ou petites piqGres dues notamment à une dispersion dans la mas- se 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 -2 2595597 préconisé l'utilisation de la coulée électromagnétique, technique dans laquelle, grace au confinement du métal à l'aide de forces d'origine é- lectromagnétique, on peut supprimer la lingotière et éviter ainsi l'ap- parition 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) de grande in- tensité (de l'ordre de 5000 A) pour créer un champ de confinement con- venable, - 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 dé- marrage 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 francais 1 398 526 enseigne l'emploi d'une bande de fiberfrax collée sur la lingo- tière de façon à réduire la hauteur du 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 - 3 2595597 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 par- tielle 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 exem- ple. 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 "ROT 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 man- chette glissant sur la paroi intérieure de la lingotière. Un tel système a l'inconvénient lors d'une solidification intempestive du métal de con- duire à une adhérence entre la lingotière et la manchette provoquant 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 traditionnelle, - 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 maté- riel 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 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 l'alimetation 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-pro- duits 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 contingen- ces, c'est-à-dire tout en gardant dans la lingotière une hauteur de mé- tal suffisante pour ne pas gêner le fonctionnement du filtre, pouvoir limiter le plus possible la hauteur;de contact du métal avec la sur- face 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 2595597 liquide avec la paroi de la lingotière. Ce moyen consiste à appliquer au liquide en cours de solidification un champ magnétique-périodique d'intensité variable et de direction sensib- lement 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 au moins une bobine circulaire constituée par un circuit électrique formé d'un ou de plusieurs enroulements, et en l'alimentant avec un courant alterna- tif de tension industrielle suffisante, on parvenait à modifier le pro- fil 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'intensité 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 fréquen- ce industrielle 50 ou 60 Hz en sachant que toute défaillance électrique n'aura pour répercussion que de faire varier la hauteur de métal dans la lingotière, 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 6 2595597 tendent à provoquer un affinage du grain de coulée. La bobine qui crée le champ magnétique a de préférence une forme voisine 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 entre le sommet du ménisque liquide et le point de con- tact avec la lingotière. 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 iti+ lise un champ d'intensité faible et éventuellement nulle de manière à minimiser toute modification du niveau normal du métal. Par la suite, pour passer en régime de croisière, on fait croître l'intensité du champ jusqu'a 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 même 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 coulé, on sait qu'on sera amené à couler à des vitesses différentes. Le procédé permet de modifier l'intensité du champ pour l'adapter aux variations de vitesse et de déterminer comme précédemment lavaleur maximum de l'intensité admissible pour chacune de ces vitesses. 7 2595597 Le procédé peut être mieux compris à l'aide de la figure 1 qui représen- te en coupe verticale deux demi-lingotières dont celle de gauche est utilisée suivant l'art antérieur et celle de droite suivant le procédé que l'on-a-dëcrit ci-dessus. On distingue une busette d'alimentation (1) en métal liquide, une quenouille (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 alimen- tée 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 lîiprocgêéri, 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 h1 à une hauteur h2 ex- trèmement petite qu'on peut assimiler au point (11). Ce procédé peut être illustré 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'Aluminium Association, à la vitesse de 60 mm/minute.La quenouille ré- glait le niveau de métal à mi-hauteur de la lingotière et le fluide de refroidissement 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 moyen- ne 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 mm et alimentée par un courant alter- natif de 50 Hz. Chacun des essais a été mené sous une tension électrique différente et 8 2595597 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: Tension en volts 0 50 100 150 180 Epaisseur corticale enmm 18 16 13 9 0 Taille des grains en pm 500 300 180 On constate donc que l'application du procédé conduit à une réduction progressive de l'épaisseur de la couche corticale à mesure que l'on aug- mente la tension électrique aux bornes de la bobine dans des proportions telles que cette épaisseur devient nulle pour une tension de 180 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 obtient suivant l'invention des grains de 180 um en moyenne. Par ailleurs, on ne note la présence d'aucun picot. Mais, au cours de ses essais, la demanderesse a constaté que les dispo- sitifs classiques utilisés, que ce soit pour la coulée de plaques ou la coulée de billettes, n'étaient pas les mieux adaptés à ce procédé de ré- glage. C'est ainsi qu'elle a trouvé que l'on pouvait, tout en maintenant les résultats obtenus sur les couches corticales et la taille des grains, diminuer la tension nécessaire au réglage c'est-à-dire la puissance élec- trique consommée si l'on augmentait la résistance électrique des appareils situés au voisinage de la bobine et notamment celle de la lingotigre elle-même. Cette augmentation peut être obtenue en modifiant la composition du ma- tériau constituant les appareils pour lui conférer une plus grande résis- tivité, soit la structure des appareils pour augmenter leur résistance. Selon l'invention, les deux voies ont été suivies, l'une caractérisée en ce que l'on utilise une lingotière constituée par un matériau solide ayant une résistivité supérieure à 5 lu.lI.cm, l'autre caractérisé en ce 9 2595597 que l'on utilise une lingotière partagée dans le sens de la hauteur en au moins deux secteurs séparés l'un de l'autre par un isolant électrique. Suivant la première voie, si l'augmentation de la résistivité, pour les boites à eau par exemple, est facile à obtenir en utilisant des matériaux tels que les aciers inoxydables ou des résines armées de fibres, par contre, pour les lingotières, la solution s'avère moins pratique en rai- son de l'usage traditionnel de l'aluminium ou du cuivre, métaux ayant une très faible résistivité ( 4 3o.0..cm). Au cours des essais, la demanderesse a constaté qu'il était possible de réduire la tension électrique nécessaire au réglage, tout en maintenant des conditions de coulée convenables, en utilisant des matériaux appar- tenant au groupe constitué par les céramiques, des métaux tels que par exemple les aciers inoxydables amagnétiques, le titane. Toutefois, la solution la meilleure consiste à utiliser des alliages d'aluminium avec des éléments tels que le manganèse, le chrome, le titane, le vanadium, lesquels permettent à des concentrations pas trop élevées d'obtenir des teneurs en solution solide relativement importantes et par suite des résistivités plus grandes. Ainsi, on peut citer parmi les alliages celui qui contient en poids en- viron 1,8 % Mn- 0,25 Z Cr- 0,2 % Ti et 0,1 Z V et dont la résistivité est égale à 9,3 p11.cm. Cette résistivité peut cependant être améliorée par ajout'de Mg jusqu'à 5 %, auquel cas des valeurs de 11 à 12p a.cm peuvent être obtenues. L'ajout de.-Li jusqu'à 1 % ou de Zr jusqu'à 0,15% est également favorable. D'autres solutions consistent à utiliser des lingotières constituées par des produits composites tels que par exemple un acier inoxydable revêtu intérieurement par une mince couche d'aluminium. Suivant la deuxième voie, pour réduire la tension électrique nécessaire au réglage, on utilise une lingotière de structure telle qu'elle permet- te d'augmenter la résistance électrique. Cette structure peut être obte- nue en partageant la lingotière en secteurs qui sont séparés les uns des autres par un isolant électrique et assemblés par des moyens connus de l'homme de l'art. La figure 2 montre en perspective une telle lingotière de diamètre 320mm 2595597 et de hauteur 120 mm sur laquelle on distingue 4 secteurs sépares sur: toute leur hauteur par une lame de mica (16). Ces pièces sont maintenues assemblées entre elles au moyen de goupilles en acier inox (ln passant à travers le rebord de la lingotière et de chevilles (18) enmatière iso- lante, tous ces moyens étant placés dans la masse de la lingotière. Pour obtenir un résultat convenable, on a constaté qu'il fallait cepen- dant avoir des secteurs dont la largeur ne soit pas trop grande. C'est ainsi que des largeurs comprises entre 10 et 30 cm ont donné les meil- leurs résultats. Les lingotières conçues selon l'invention ont pour résultat, lorsqu'elle sont soumises à l'action d'un champ magnétique créé par un conrant in- dustriel de fréquence 50 à 60 Hz, l'obtention de produits noeUls présen- tant à la fois une couche corticale d'épaisseur très faible ona ulle et un grain fin. Toutefois, la demanderesse a trouvé que leur fonctionnement pouvait être optimisé en les soumettant à l'action de plusieurs champs magnétiques De fréquence différente, susceptibles d'exacerber séparément chacun des dex résultats recherchés. Il faut savoir en effet qu'un champ de fréquence élevée exerce son influence près de la surface du produit coulé, alors qu'un champ de fréquence faible peut étendre son influence jusqu'au milieu du produit coulé. En conséquence, pourvu qu'il traverse la lingotière. un champ de fréquence élevée N1 conviendra pour obtenir une épaisseur corti- cale nulle. Par contre, pour obtenir un affinage du grain, qui intéresse donc toute la section du produit, il faudra une fréquence N2 plus faible et adaptée à ladite section. De préférence, Nl est choisie parmi les fréquences comprises entre 50 Mz et I kHz en fonction de la nature et de la géométrie de la lingotière et N2 est au minimum de l'ordre du Hz pour les produits coules de forte C- paisseur (de l'ordre de 60 cm d'épaisseur). L'application simultanée de ces fréquences NI et N2 permet donc d'agirx au mieux à la fois sur les deux résultats recherchés. Il faut noter que si le montage électrique permettant de faire circuler les deux courants de fréquence N1 et N2 dans une seule spire paraît trop compliqué, on Il 2595597 peut utiliser deux spires concentriques, la spire parcourue par le cou- rant de fréquence N2 entourant la spire parcourue par le courant de fré- quence NI. On notera que l'application de ces champs intenses peut conduire à une lévitation des lingotières en alliages d'aluminium. Ce phénomène peut être évité en fixant solidement la lingotière au métier de coulée ou en remplaçant sa partie supérieure par une pièce en acier inoxydable. On peut évidemment conjuguer les deux solutions. L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application sui- vant: On a utilisé des lingotières de dimensions 1100 x 300 mm et de hauteur mm de différentes résistivités. Ces lingotières ont été entourées d'une spire constituée, pour des raisons de sécurité électrique, d'un seul enroulement et parcourue par un courant de fréquence 50 Hz. Nous avons mesuré la tension nécessaire aux bornes de la spire pour obtenir dans tous les cas le même réglage de hauteur de la ligne de contact métal liquide - lingotière, conduisant à une épaisseur de couche corti- cale nulle. Les résultats sont les suivants: Résistivité-(p.LL. cm) 2,8 4 8 il 72 Tension (volts) 6,3 5,7 4,0 3,9 3,2 On constate que l'on réduit notablement la tension électrique aux bornes de la spire, et par suite la puissance consommée en utilisant des lingo- tières de résistivité plus grande. Toutefois, pour les très grandes ré- sistivités le gain obtenu est relativement faible. 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 obte- nir 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. Dispositif de réglage du niveau de la ligne de contact de la surface libre du métal avec la lingotière (3) dans une coulée verticale au moyen d'au moins une bobine annulaire (8) parcourue par un courant électrique périodique et entourant ladite lingotière, caractérisé en ce que, dans le but de réduire la tension électrique nécessaire au réglage, on utilise une lingotière constituée par un matériau solide ayant une résistivité supérieure à 5 li.cm. 2. Dispositif de réglage du niveau de la ligne de contact de la surface libre du métal avec la lingotière, dans une coulée verticale au moyen d'une bobine annulaire parcourue par un courant électrique périodique et entourant ladite lingotière caractérisé en ce que, dans le but de réduire la tension électrique nécessaire au réglage, on utilise une lin- gotière partagée dans le sens de la hauteur en au moins deux secteurs séparés l'un de l'autre par un isolant électrique. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le maté- riau appartient au groupe constitué par les céramiques, les métaux et alliages à haute résistivité. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le maté- riau est un alliage d'aluminium de haute résistivité. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le matériau est un alliage d'aluminium de composition en poids: 1,8 % Mn- 0,25 % Cr- 0,2 Z Ti- 0,1 Z V et 5 % Mg. 6. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau est un produit composite. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le matériau est un acier inoxydable amagnétique revêtu intérieurement d'une mince couche d'aluminium. 8. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les secteurs ont une largeur comprise entre 10 et 30 cm. 13 2595597 9. Dispositif selon les revendications I et 2, caractérisé en ce que la bobine annulaire est reliée simultanément à deux sources de courant é- lectrique de fréquence différente NI et N2. 10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'une des sources a une fréquence industrielle NI et l'autre une fréquence infé- rieure N2. 11. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il comporte deux bobines annulaires l'une alimentée par une source de fré- quence industrielle NI, l'autre par une source de fréquence inférieure N2.