Brevet FR2617069A1 — publié le 19881230

L'invention concerne un appareil de coulée pour métaux en fusion, comprenant une buse de coulée, en particulier sous forme d'un tube de coulée, et un dispositif d'impact ou de déviation prévu à La suite de La buse et déLimitant avec elLe une fente O d'écoulement. L'invention a également pour objet un procédé pour examiner Les conditions d'écoulement à la solidification de métaux légers en fusion, en particulier d'aluminium, sur un modèle d'écou- lement possédant une buse de coulée sur ou dans un récipient semblable à une cuve, ainsi qu'un modèle d'écoulement convenant pour La mise en eouvre de ce procédé. Les appareils de couLée connus de ce type comportent, au-dessous de la buse de coulée en forme de tube, une plaque horizontale d'impact ou de déviation, Laquelle délimite avec le bord de L'embouchure de La buse une fente d'écoulement correspondant à un cylindre placé autour de l'axe sensiblement vertical de la buse. L'expérience montre que cette fente de coulée crée, dans la pratique, des conditions d'écoulement défavorables. Dans la couLée continue d'alliages corroyés d'aluminium, de nombreux facteurs sont importants pour la qualité des barres coulées et notamment les conditions d'écoulement du métal en fusion pendant qu'il est amené à la zone de solidification; - la géométrie de La zone d'amenée du métal dans le cratère liquide; - la vitesse de couLée; - Les dimensions de La lingotière; - Le niveau du métal dans La Lingotière, de même que - Les variations du ménisque du métal. Tous ces facteurs caractérisent les conditions d'écoule- ment à La solidification de métaux en fusion dans le procédé de couLée continue vertical semi-continu. Les exigences sans cesse croissantes formulées par les transformateurs d'aluminium quant aux produits Laminés, pressés et forgés, telles que des surfaces de Laminage uniformes qui se laissent anodiser, des feuilles d'alu- minium minces et étanches ou des pièces forgées de haute résistance et exemptes de défauts, demandent une coulée continue avec une solidification rapide et en une structure à cellules fines, avec une faible teneur en gaz et sans inclusions non métalliques et/ou d'oxydes. C'est ainsi que l'on doit s'efforcer d'amener le métal en fusion - préparé par des procédés de purification modernes et effi- caces - calmement, c'est-à-dire sans turbulences mais rapidement et aussi uniformément que possible à la zone de solidification. La connaissance des paramètres essentiels influençant les conditions d'écoulement, ainsi que le dimensionnement optimal qui en découle de la rigole de coulée, de la buse et du système de répartition du métal en fusion dans la lingotière, ont par conséquent une impor- tance capitale. Les relations connues par l'hydrodynamique pour caractériser les écoulements libres, s'appliquent également au mouvement du métal en fusion dans des rigoles de coulée. Pour ce qui concerne le guidage du métal en fusion, on peut considérer qu'il est en écoulement laminaire tranquille avec un indice de Froude inférieur à 1, dans des rigoles suffisamment grandes, de section droite uniforme et de faible inclinaison. A l'entrée du métal dans la buse, orientée verticalement, l'écou- lement laminaire se transforme en un écoulement turbulent avec des nombres de Reynolds qui sont nettement au-dessus de Recrit. de 2320. Compte tenu de cette situation, l'invention vise à perfec- tionner considérablement le mode de fonctionnement d'un appareil de coulée du type mentionné au début et à atténuer les défauts reconnus des buses que l'on connait jusqu'à présent. Afin d'opti- miser une telle buse de coulée, l'invention vise également à indiquer un procédé du type mentionné au début, de même qu'un modèle d'écoulement pour la mise en oeuvre de ce procédé. Selon L'invention, le dispositif de déviation est réalisé comme un déflecteur ayant une surface inclinée par rapport à l'axe de la buse et délimitant la fente d'écoulement conjointement avec une zone de la surface interne de la buse. Cette fente n'est donc plus un cylindre de faible hauteur qui entoure l'axe de la buse, mais une fente annulaire qui se rétrécit en section dans la direc- tion de coulée, fente qui agit à la façon d'un entonnoir et déter- mine ainsi un écoulement nettement plus favorable. IL s'est révélé particuLièrement avantageux de disposer le déflecteur seLon l'invention de manière qu'iL puisse être déplacé par rapport à La buse, suivant L'axe de celle-ci, afin de pouvoir changer la section de La fente d'écoulement. Plusieurs modes de réalisation du déflecteur ou de sa surface sont possibles dans Le cadre de l'invention. Cette surface correspond à une aire latéraLe de cône ou affecte la forme d'un chapeau et elle peut faire saillie dans L'embouchure du tube de coulée dans chacune des applications. Elle présente en regard du bord de l'embouchure de la buse une surface de glissement inclinée et qui se raccorde vers le bas à un bord d'écoulement arrondi. Le cas échéant, ce bord peut même être formé par une plaque d'impact ou de déviation de type connu et qui sert seulement de support dans la mise en oeuvre de l'invention. La conformation selon l'invention du déflecteur est donc fixée surtout par la surface inclinée par rapport à l'axe de la buse et par le profil linéaire ou courbé en S de sa section; ce dernier profil permet un écoulement très en douceur du métal en fusion à sa sortie de la fente d'écoulement. Dans le procédé selon l'invention pour examiner les condi- tions d'écoulement à la solidification de métaux légers en fusion, en particulier d'aluminium, sur un modèle d'écoulement comportant une buse de coulée sur ou dans un récipient en forme de cuve, on amène de l'eau ou un liquide analogue à travers la buse sur un déflecteur et de Là, à travers un tissu, de préférence un tissu de fibre de verre, sur un matériau déversé en vrac dans la cuve et dont on a profilé la surface pour qu'elle corresponde à la forme du solidus spécifique au métal considéré et aux conditions d'alliage. Les deux critères dépendent en plus du format. En section droite, cette surface présente la forme de La courbe solidus spécifique au métal considéré. Pour la mise en oeuvre de ce procédé d'essai, il s'est révélé avantageux de varier la hauteur du métal en fusion - donc du liquide - dans une rigole de coulée précédant la buse et/ou de varier la vitesse de coulée. Le modèle de coulée lui-même est formé essentiellement, selon l'invention, dudit matériau déversé en vrac et dont on a profilé La surface comme indiqué ci-dessus, ce matériau étant disposé en particulier sur une tôle perforée à une certaine distance du fond du modèle de coulée. L'ensemble du dispositif, comprenant un flotteur et une plaque d'impact ou de déviation disposée plus bas et de façon centrée sous la buse, correspond à un système de coulée connu pour la régulation du niveau du métal dans la lingotière. Lors des essais d'écoulement, on a observé une formation relativement forte de vagues à la surface du liquide, autour de la buse plongée dans celui-ci, à une distance correspondant à peu près à 1,5 fois le rayon de la plaque de déviation, ce qui est un phéno- mène connu dans la pratique et déclenché par le métal dévié par la plaque; une partie de l'énergie hydrodynamique - énergie qui est nécessaire à l'écoulement rapide du métal vers les petits côtés de La lingotière - est ainsi consommée pour la création des vagues. De plus, le déferlement des vagues de surface risque de rompre la peau oxydée du métal en fusion et d'introduire les oxydes à l'état finement divisé dans le métal. Des essais avec des déflecteurs de différentes formes et à surfaces inclinées ont été couronnés de succès en ce sens que la formation de vagues à la surface du métal (liquide) était nettement pus faible et se produisait seulement à une plus grande distance de la buse. La viscosité à peu près égale de l'eau et de bains d'alu- minium permet d'étudier les conditions d'écoulement sur un modèle à l'échelle 1: 1 employant de l'eau afin d'obtenir ainsi une meilleure compréhension du mouvement du métal en fusion dans le système d'amenée de métal et dans la région de la zone de solidi- fication. Les premiers essais ont permis de faire les constatations suivantes: - les déflecteurs coniques, de conformation spéciale, intensifient l'écoulement vers le petit côté; - du tissu de fibre de verre latéralement ouvert conduit à une répartition plus rapide du métal en fusion, en comparaison avec une exécution fermée du tissu, et procure des conditions de soli- dification plus uniformes en section droite dans le sens de la Largeur dans le cas de barres à laminer; - tes résultats des essais décrits ont une importance considérable pour la fabrication d'une barre laminée provenant d'une coulée continue - de haute qualité, utilisée par exemple pour la pro- duction de bande et de tôle anodisabtes pour la décoration. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'exemples de réalisation préférés mais nullement limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement la coupe trans- versale d'un modèle d'écoulement ou modèle de coulée comportant du tissu de fibre de verre dans un flotteur constitué d'un cadre en tube, audessus duquel se trouve une buse de coulée; - la figure 2 est une vue de côté en coupe à plus grande échelle d'une partie de la rigole de coulée que l'on peut voir également sur la figure I; - - la figure 3 est une vue en plan de la rigole de la figure 2; - la figure 4 est une représentation schématique servant à illustrer les conditions d'écoulement avec un tissu de fibre de verre fermé latéralement; - la figure 5 est une représentation correspondant à celle de la figure 4, mais avec un tissu ouvert latéralement; - la figure 6 montre schématiquement l'écoulement idéal du liquide vers un petit côté du modèle de coulée avec des dispositifs différents; - la figure 7 représente une partie d'une buse de coulée suivie d'un déflecteur; et - les figures 8 à 10 montrent différentes formes de défLecteurs. La figure 1 représente la construction expérimentale d'un modèle d'écoulement. Une cuve 10 de la largeur a, faite de parois latérales 11 transparentes et d'un fond 13 - possédant des sorties 12 -, contient un fond intermédiaire 14 en tble perforée à la hauteur b au-dessus du fond 13. Le fond intermédiaire 14 porte un lit perméable de gravier 15 dont le profil superficiel présente, en section droite, la forme de la courbe solidus 16 d'un métal en fusion, courbe qui a été déterminée sur la base de résultats de mesures réalisées dans la pratique. Au-dessus du lit de gravier 15 - donc au-dessus de la courbe solidus 16 se trouve un bain de métal en fusion 20 dont la surface est désignée par 21. Cette surface porte un flotteur 22 formé par un cadre en tube. Un tissu de fibre de verre 26 est fixé à ce cadre et supporte lui-même une plaque de déviation ou d'impact 24 dont la largeur est désignée par e. Au-dessus de la plaque 24, à une distance i de celle-ci, se trouve le bord de l'embouchure 28 d'une buse de coulée 30 dont le diamètre d est de 35 mm dans cet exemple. La buse 30 se termine en haut dans une rigole de coulée 32 dont la largeur f est de 80 mm dans cet exemple et qui contient du métal en fusion 20 sur une hauteur h. Le métal liquide 20r est amené à la buse 30 par son écou- lement dans la direction x (voir figure 3). La buse 30 est disposée à une distance moyenne n de 68 mm, voir la figure 2, de la paroi arrière 33 de la rigole 32. Des tourbillons se forment dans ce cas à l'endroit désigné par 34 derrière la buse 30. De nombreuses mesures de la viscosité de bains d'alumi- nium, selon la méthode du cylindre de liquide tournant de Gebhardt et autres, ont donné une viscosité de 0,90 à 1,17 mPa.s, suivant la température et la composition du bain. La viscosité de l'eau à 200C est de 1,0 mPa.s, conformément à la définition. Cette quasi-égalité a été mise à profit dans les essais d'écoulement effectués dans le modèle, réalisé en grandeur nature. La construction expérimentale pour sections de barres à laminer comprend La cuve 10, en verre acrylique, ayant la Largeur de barre a et une épaisseur de barre, orientée perpendiculaire au plan de la représentation, dans laquelle la forme de la courbe solidus 16, comme déjà mentionnée, est reproduite au moyen du lit perméable de gravier 15. Lors des essais, on a changé les paramètres suivants: h = hauteur du métal en fusion 20r dans la rigole 32 et VG = vitesse de coulée. De plus, Le tissu de fibre de verre 26, tendu au-dessous du flotteur 22 et de la plaque 24, a été utilisé dans une exécution fermée et dans une exécution ouverte sur les petits côtés (corres- pondant respectivement à la figure 4 et à la figure 5). Les conditions locales d'écoulement dans la rigole 32, ainsi que dans une lingotière de coulée continue, à l'intérieur et à l'extérieur du flotteur 22, ont été visualisées par l'addition au métal de permanganate de potassium violet et ont été enregistrées à l'aide d'une caméra vidéo. Les résultats des essais sont indiqués dans ce qui va suivre. La hauteur de métal h et la vitesse de coulée V ont été G variées en fonction du débit (en kg d'aluminium par minute) dans la rigole 32. On a déterminé à chaque fois le niveau critique auquel commence La formation de tourbillons stationnaires à partir des angles de la paroi arrière 33 de la rigole en direction de la buse 30. Si l'on prolonge la rigole 32 en portant la distance entre la buse 30 et l'extrémité de la rigole à 80 mm ou davantage - ce qui correspond donc à un facteur d'allongement de 1,2 à 1,5 -, la formation des tourbillons se produit seulement à un niveau nettement plus bas. Il s'est avéré que grâce à la relation déterminée par les expérimentations entre le niveau du métal et le débit, la zone supérieure exempte de tourbillons peut être délimitée de façon sûre par rapport à La zone inférieure critique, présentant des tour- biLLons stationnaires. Pendant les essais d'écoulement, on a observé, autour de la buse 30 plongeant dans Le liquide, à une distance correspondant à peu près à 1,5 fois le rayon de La plaque de déviation, des for- mations de vagues relativement fortes à la surface du liquide, provoquées par Le métal (liquide) dévié par la plaque. Les essais selon les figures 4 et 5 sont basés sur l'empLoi connu de tissus de fibre de verre de différentes largeurs de maille, de multiples conformations géométriques, en combinaison avec différents systèmes de répartition du métal en fusion. De façon connue, ces tissus doivent retenir d'une part Les oxydes entraînés dans le métal et répartir d'autre part le métal liquide de manière déterminée. Comme des calculs théoriques de l'allure de l'écoulement pour dégager des données susceptibles d'être appréhendées mathématiquement paraissent quasiment impossibles, les connaissances actuelles reposent exclusivement sur des expériences pratiques. Lors des essais décrits ici, on a d'abord ajusté le débit et la hauteur du métal dans la lingotière à des valeurs constantes, conformément à des conditions de coulée courantes dans la pratique. Ensuite, on a additionné le métal liquide 20 dans la rigole 32, au-dessus de la buse 30, d'une quantité prédéterminée de perman- ganate de potassium et on a poursuivi, dans le temps et dans l'espace, sa répartition dans la "zone du métal liquide". En utilisant du tissu 26 fermé latéralement (figure 4), c'est d'abord tout le tissu 26 qui se remplit de métal en fusion 20. Ensuite, le métal passait progressivement au travers du tissu sur les petits côtés latéraux et tombait sans qu'un écoulement vers les petits côtés soit perceptible. Le remplissage de la zone de métal en fusion s'opérait relativement lentement. La zone centrale hachurée 50 était remplie complètement au bout d'une heure. Lorsqu'on laisse le tissu de fibre de verre 26 latéra- lement ouvert (figure 5), le métal liquide 20 sort très rapidement par ces ouvertures - comme prévu - et s'écoule en direction des petits côtés de la lingotière. De plus, le remplissage de L'ensemble de la zone de métal en fusion s'effectue bien plus rapi- dement. La région inférieure 51 est remplie vers le bas. Ces essais comparatifs attribuent à La variante "tissu LatéraLement ouvert" un écouLement beaucoup plus rapide, surtout dans Les zones extérieures des côtés des barres à laminer, zones dont on sait par expérience que la structure est cri.tique. Dans ces régions, comme dans les zones médianes d'écoulement favorable des barres à Laminer, le front de solidification est alimenté rapi- dement en métal fondu de température uniformément élevée et de composition uniforme. On obtient donc globalement des conditions plus homogènes pour La germination et la solidification. La figure 6 montre, sur le côté gauche, les conditions en cas d'utilisation de la plaque de déviation 24 et, sur le côté droit, l'écoulement en direction d'un petit côté de la Lingotière si l'on utilise un déflecteur 40 selon l'invention, déflecteur qui est placé sur la plaque 24 dans la figure 6, mais qui pourrait également remplacer totalement cette plaque. La figure 7 montre plus clairement un déflecteur 40 disposé sous le bord d'embouchure 28 de la buse 30 et délimitant avec ce bord une fente 38 de hauteur g variable; le déflecteur 40 de l'exemple de la figure 7 est déplaçable sur l'axe M de la buse au moyen d'une barre 42 à laquelle il est fixé. Les figures 8 à 10 montrent différentes formes en section droite de déflecteurs, correspondant respectivement à un triangle isocèle 40a, un triangle équilatéral 40b et une section 40d qui s'élargit plus régulièrement vers son bord d'écoulement 25. Par 4&O, on a désigné une section triangulaire en forme de chapeau avec la composition représentée sur la figure 6. La surface 41 des déflecteurs 40a et 40b correspond à une aire latérale de cône. Les déflecteurs 40c, 40d possèdent un sommet arrondi en calotte sphé- rique. Les essais ont clairement fait apparaitre que même une modification relativement mineure de l'aire latéale de cône en tant que surface 41 du déflecteur 40 peut provoquer un changement important de la formation de vagues et de l'écoulement vers les côtés de la lingotière. Il s'est avéré également qu'il faut garantir le centrage convenable du déflecteur 40 sous la sortie 28 de la buse par la conformation et la suspension exactes du système de flotteur. IL est particulièrement important que le déflecteur 40, lorqu'il est suspendu comme le montre la figure 7, puisse être uti- lisé indépendamment du flotteur 20 en cadre tubulaire. Le tableau suivant indique les résultats obtenus avec les formes de section montrées par les figures 8 à 10. Vitesse d'écou- lement relative Variante Forme du déflecteur Formation de vers petit côté vagues % lingotière Remarques 24 Etat actuel. 1 e======_:=::_100 1,0 Plaque légèrement mobile. Centrage sans problèmes. A An A. Déplacement plus important 2 403 30 1,4 que dans variante 1. Centrage plus difficile que dans variante 1. Zh A Déplacement plus important 3 /\ 30 1,4 que dans variante 2. 4'OhJ _Centrage plus difficile que dans variante 2. Formation de vagues plus C fortes que dans variante 1. 4 120 1,0 Centrage plus difficile que r- _ odans les variantes 2 et 3. Conditions d'écoulement 4nld(l _vers les côtés globalement bonnes. 15 2,0 Faible formation de vagues cM i====:===::"mais centrage plus diffi- d % cile que dans variante 1. c. Comparativement à une plaque plane, la variante 1 et en particulier La conformation conique spéciale de la variante 5 procurent une formation de vagues réduite à 15 % alors que la vitesse d'écoulement vers Les petits côtés de la lingotière est à peu près doublée. Cela provient de la déviation déterminée du métal en fusion, avec de faibles pertes internes par turbulence et avec un écoulement vers La surface sous une pente plus faible. Les essais ont également fait apparaître clairement que la formation de vagues et l'écoulement vers les côtés de la lingotière peuvent changer fortement par suite d'un changement relativement réduit de la conformation de la surface latérale conique (voir les variantes 2 et 3). Comme déjà mentionné, le centrage convenable du déflecteur sous la sortie'de la buse doit être garanti par une réalisation et une suspension exactes du système de flotteur. REVENDICATIONS 1. Appareil de coulée pour métaux en fusion, comprenant une buse de coulée, en particulier sous forme d'un tube de coulée, et un dispositif d'impact ou de déviation prévu à la suite de la buse et délimitant avec eLle une fente d'écoulement, caractérisé en ce que le dispositif de déviation est réalisé comme un déflecteur (40) ayant une surface (41) inclinée par rapport à l'axe de la buse (30) et délimitant la fente d'écoulement -(38) conjointement avec une zone de la surface interne de la buse. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le déflecteur (40) est déplaçable par rapport à la buse (30) suivant l'axe (M) de celle-ci. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface (41) du déflecteur (40a, 40b) correspond à une aire latérale de cône. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le déflecteur (40c, 40d) possède un sommet arrondi en calotte sphérique. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le déflecteur (40a, 40b, 40d) est placé sur une plaque de support (24). 6. Procédé pour examiner les conditions d'écoulement à la solidification de métaux légers en fusion, en particulier L'alu- minium, sur un modèle d'écoulement comportant une buse de coulée sur ou dans un récipient en forme de cuve, caractérisé en ce que l'on amène de l'eau ou un liquide analogue à travers la buse sur un déflecteur et de là, à travers un tissu, de préférence un tissu de fibre de verre, sur un matériau déversé en vrac dans la cuve et dont on a profilé la surface pour qu'elle corresponde à la forme du solidus spécifique au métal considéré. 7. Modèle d'écoulement comportant une buse de coulée sur ou dans un récipient en forme de cuve, pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend du matériau déversé en vrac (15) et dont on a profilé la surface pour qu'elle présente en section droite la forme de la courbe solidus (16) spécifique au métal considéré. 8. ModèLe selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau déversé en vrac est un lit perméable de gravier (15). 9. Modèle selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le matériau (15) est disposé sur une tôle perforée (14) à une certaine hauteur au-dessus du fond (13) d'une cuve. 10. Modèle selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'un déflecteur (40) entouré d'un tissu de fibre de verre (26) est prévu au-dessus du matériau (15). 11. Modèle selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte un déflecteur (40) selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5. 12. Modèle selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un tissu de fibre de verre (26) qui est ouvert latéralement.