Brevet FR2666756A1 — publié le 19920320

i La présente invention concerne la coulée continue de bandes de métal entre deux cylindres ou sur un cylindre unique, notamment d'acier, du type comprenant une virole extérieure énergiquement refroidie destinée à venir au contact du métal liquide, et un noyau intérieur rigide. On sait que les cylindres utilisés actuel- lement, dans des dispositifs de coulée continue de métal liquide entre deux cylindres à axes parallèles et rotatifs en sens contraire ou sur un cylindre rotatif unique, comprennent une virole extérieure au contact de laquelle le métal liquide coulé vient se solidifier Cette virole est fixée mécaniquement par exemple par un assemblage type "queue d'aronde" à un noyau intérieur rigide, massif, plein ou creux, assurant la tenue mécanique de l'ensemble La virole est habituellement en Cu ou alliage de Cu Elle doit nécessairement être épaisse, pour permettre le contrô- le des déformations de la surface externe, qui assurent la géométrie de la bande métallique coulée, et ce, alors que sa partie utile à l'échange de chaleur a une épaisseur réduite, inférieure à 50 mm par exemple ( 30 mm de cuivre plus 12 mm de canaux internes pour la circulation d'un fluide de refroidissement). Les ébauches de telles viroles ont une masse imposante, par exemple de 5 à 6 tonnes, et sont extrêmement onéreuses, en raison du coût et de la masse de l'alliage précité, et aussi de son usinage. Dans certains cas, ce coût très élevé pourraît à lui seul hypothéquer l'intérêt de l'utilisation d'une machine de coulée continue entre cylindres. L'invention a donc pour but de proposer un cylindre réalisé de telle sorte que le coût de fabri- cation de sa virole soit considérablement diminué, tout en remplissant convenablement ses fonctions principales d'échangeur de chaleur avec le métal liquide coulé d'une part, et d'autre part de dimen- sionnement conforme du produit coulé. Suivant l'invention, la virole et le noyau sont solidarisés l'un à l'autre par un joint d'une matière dont le point de fusion est inférieur à celui des deux matériaux constitutifs de la virole et du noyau, et qui reste à l'état solide à la-température d'utilisation locale du cylindre. Suivant un mode de réalisation de l'inven- tion, le joint est réalisé par brasage et constitué par un ruban préalablement déposé sur la face ex- térieure du noyau ou sur la face intérieure de la virole, par exemple un alliage à l'argent à 56 % Ag, 2 % Ni et 42 % Cu en poids, (dénommé B Ag 13 a selon la norme AWS), qui présente des propriétés de bonne mouillabilité avec l'acier liquide, ou un alliage au cuivre, à 68 % Cu, 23 % Mn et 9 % Ni en poids. Selon un autre mode de réalisation possible de l'invention, le joint est coulé à l'état liquide dans un espace intercalaire réservé entre la virole et le noyau Un tel joint de soudure peut être par exemple en un alliage d'étain. Suivant une variante préférée de l'in- vention, le noyau est choisi en un matériau dont le coefficient de dilatation est supérieur à celui du matériau constitutif de la virole. Suivant un mode de réalisation du procédé de fabrication du cylindre, également visé par l'inven- tion, a) on usine la virole et le noyau, b) on décape les faces à braser et éventuellement on exécute un fluxage desdites faces, c) on met en place sur la surface interne de la virole ou sur la surface externe du noyau un matériau de brasage approprié, d) on place la virole sur le noyau, e) on procède au brasage de la virole dans un four, f) pour régénérer au besoin les propriétés du matériau constitutif de la virole, on exécute une hypertrempe, puis un revenu, g) et enfin, si nécessaire, on procède à un usinage final de la virole. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé qui en illustre une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif. La figure unique est une vue en coupe axiale partielle d'un cylindre pour coulée continue de bandes de métal, dans lequel la liaison entre la virole extérieure et le noyau interne rigide est réalisée par brasage. Le cylindre 1 représenté au dessin est destiné à la coulée continue de bandes de métal entre deux cylindres parallèles, notamment de bandes d'acier. Ce cylindre 1, d'axe XX, comprend un noyau interne rigide 2 et une virole extérieure 3, dont la face externe est destinée à venir en contact avec le métal liquide et dont l'épaisseur, de l'ordre de 50-60 mm, est inférieure à celle du noyau 2 Ce dernier peut s'étendre radialement soit sur une partie seulement rn du rayon r de sa surface externe, au contact de la face interne de la virole 3, soit, comme représenté en 2 a, sur la totalité du rayon r en formant donc une pièce pleine. La virole et le noyau 2 sont fixés ensemble par un joint d'une matière dont le point de fusion est inférieur à celui des deux matériaux constitutifs de la virole 3 et du noyau 2, et qui reste à l'état solide à la température de fonctionnement local du cylindre 1, c'est-à-dire dans la zone dudit joint. Des canaux de refroidissement tels que 4 sont ménagés longitudinalement dans la virole 3 à une distance de 10 à 15 mm du plan de joint. Dans le mode de réalisation représenté au dessin, le joint 5 est réalisé par brasage d'un matériau convenablement choisi, et qui peut être constitué par exemple sous la forme d'un ruban préalablement déposé, soit sur la face extérieure du noyau 2, soit sur la face intérieure de la virole 3. A titre d'exemple de réalisation, la virole 3 peut être réalisée classiquement en un alliage Cu-Cr-Zr Le noyau 2 peut être une fonte austénitique au nickel (par exemple la fonte dite "Ni-Résist") ou, d'une manière plus générale, en tout matériau qui puisse être brasé sur l'alliage de cuivre précité et dont le coefficient de dilatation est de préférence supérieur au matériau constitutif de la virole 3. L'alliage Cu-Cr-Zr peut également être remplacé par du cuivre renforcé par une dispersion d'oxydes, appelé par les spécialistes "cuivre ODS", et dont les carac- téristiques ainsi que le procédé de fabrication sont décrits dans la demande de brevet déposée le même jour que la présente demande au nom de la Demanderesse et intitulée "Cylindre de coulée continue des métaux, notamment de l'acier". Suivant un second mode de réalisation du cylindre 1, non illustré au dessin, la solidarisation entre le noyau 2 et la virole 3 est obtenue par coulage d'un joint à l'état liquide dans un espace interstitiel réservé entre la virole 3 et le noyau 2. Cet espace préalable peut avoir par exemple une largeur de 1 à 2 mm, et être pourvu de fils servant d'entretoises Un cuivrage de la surface externe du noyau 2 est préalablement exécuté pour permettre le soudage. Dans les deux cas décrits ci-dessus, l'épaisseur de la virole 3 est notablement inférieure à celle de la virole massive à queue d'aronde utilisée jusqu'à présent, ce qui réduit considérablement son coût et sa difficulté de fabrication, et par consé- quent facilite son approvisionnement. On décrira maintenant des exemples de réalisation des procédés de fabrication du cylindre 1 selon l'invention. 1 Procédé de fabrication du cylindre par brasace. L'opération de brasage consiste à placer entre les deux pièces à assembler une fine couche d'un alliage dont le point de fusion est inférieur à celui des pièces On porte l'ensemble à une température supérieure au point de fusion de l'alliage de brasage dite température de brasage L'alliage de brasage fond et dissous un peu des deux pièces, ce qui remonte le point de fusion du bain, qui se resolidifie en quelques minutes L'épaisseur du joint brasé est très faible et sa résistance mécanique est en général excellente. Pour réaliser convenablement le brasage de la virole 3 sur le noyau 2, la virole étant en alliage Cu-Cr-Zr, il est nécessaire d'utiliser des matériaux de brasage à haut point de fusion, par exemple du B Ag 13 a (selon la norme AWS) qui a la composition suivante: 56 % Ag, 2 % Ni, 42 % Cu Par ailleurs, grâce à son coefficient de dilatation supérieur à celui de la virole 3, le noyau met en compression le joint 5 et la virole 3 au moment du brasage. D'autre part, étant donné la massivité des pièces, le brasage doit être fait au four, ce qui implique une mise en place initiale du-matériau de brasage sous forme de ruban (par exemple 1 à 2 Kg de ruban) Enfin l'oxydation et les déformations associées aux traitements thermiques font qu'il ne sera pas possible de récupérer le noyau 2 après usure de la virole 3, si ce n'est à sa valeur matière. Le procédé de fabrication d'un cylindre 1 selon l'invention, dont la virole 3 est réalisée en l'alliage Cu-Cr-Zr précité, est le suivant: a) on usine les ébauches constituées par la virole 3 et le noyau 2 avec une tolérance très serrée, définie selon les caractéristiques dimensionnelles du dispositif considéré, b) on décape les faces à braser, et on exécute éven- tuellement un fluxage de ces faces; c) on met en place sur l'une des surfaces en regard de la virole 3 et du noyau 2 un matériau de brasage approprié, par exemple un ruban de 5 ou 10 millièmes de mm d'épaisseur, de "B Ag 13 a", qu'on soude par points pour le faire tenir; d) on place la virole 3 sur le noyau 2, et on effectue un frettage thermique pour assurer un assemblage provisoire; e) on procède au brasage du cylindre 1 dans un four, par exemple à 1000 'C pendant 1 à 2 heures selon un mode opératoire en deux phases qui sera détaillé ci- dessous; f) et au besoin, pour régénérer les propriétés du ma- tériau constitutif de la virole, on exécute une trempe ou plutôt une hypertrempe à une vitesse minimale de 15 à 20 C/s de 1000 'C jusqu'à 400 'C au moins, à l'eau ou à l'huile (le choix devant être fait pour éviter tout risque de tapure), puis on fait subir à la virole un revenu, par exemple à 4800 C pendant 2 heures, g) et enfin si nécessaire, on procède à un usinage final du cylindre 1. L'opération de brasage proprement dite s'effectue ordinairement à une vitesse de chauffe de l'ordre de 300 C/h jusqu'à la température de brasage, laquelle dépend bien entendu du matériau de brasage utilisé Elle est par exemple de 870 ' C pour du B Ag 13 a et de 340 C pour l'alliage au cuivre. Cette opération est suivie, soit ultérieure- ment, soit directement si le four le permet, d'une phase de diffusion par montée en température plus lente, de l'ordre de 100 ' C/h, depuis la température de brasage jusqu'à la température d'hypertrempe de la virole, laquelle se situe entre 990 et 1000 ' C Cette seconde phase est nécessaire pour régénérer les pro- priétés mécaniques de l'alliage Cu-Cr-Zr et éviter ainsi les risques ultérieurs de décohésion de la virole Mais elle doit être menée plus modérément en vitesse de chauffage pour empêcher une apparition trop brutale de liquide qui s'échapperait du joint par gravité, avant que la diffusion ait pu se réaliser correctement. On notera que cette phase de traitement thermique post brasage devient inutile dans le cas d'une virole en cuivre ODS On peut alors utiliser des brasures du type "B Ag-1 ", contenant du zinc à point de fusion nettement plus bas ( 700 'C environ) La trempe n'est plus nécessaire, de même par conséquent que le revenu consécutif à celle-ci. 2 Procédé de fabrication du cylindre par soudage à l'étain. Dans cette seconde forme de réalisation de l'invention, la technique utilisée s'apparente plutôt à celle du collage, en raison de l'absence de véri- table liaison métallurgique Comme dans le cas d'une colle, les propriétés métalliques sont correctes en cisaillement mais moins bonnes en arrachement (traction) Bien entendu les propriétés mécaniques d'un joint en étain sont nettement inférieures à celle d'un joint brasé. La mise en place de l'alliage d'étain se fait par coulée entre la virole 3 et le noyau 2 à assembler, chauffés à une température T qui peut être de 250-300 'C suivant l'alliage d'étain choisi. Le chauffage étant très faible, il est possible d'assembler des pièces complètement usinées, ce qui peut amener à des simplifications de gammes De la même manière, le désassemblage par réchauffage se fait très facilement et le noyau interne rigide 2 peut être normalement récupéré. L'invention est susceptible de diverses variantes d'exécution: ainsi tout matériau approprié autre que ceux mentionnés ci-dessus pour le brasage et la soudure des deux parties du cylindre 1 peut être utilisé, avec les variantes correspondantes du procédé de fabrication et d'assemblage Le cylindre peut également être adapté à la coulée d'autres métaux que l'acier. REVENDICATIONS 1 Cylindre ( 1) pour coulée continue de métal en fusion notamment d'acier entre deux cylindres, ou sur un cylindre, comprenant une virole extérieure ( 3) destinée à venir au contact du métal liquide et un noyau intérieur rigide ( 2) fixé à la virole, caractérisé en ce que la virole ( 3) et le noyau ( 2) sont solidarisés l'un à l'autre par un joint ( 5) d'une matière dont le point de fusion est infé- rieur à celui des deux matériaux constitutifs de la virole et du noyau, et qui reste à l'état solide à la température d'utilisation locale du cylindre. 2 Cylindre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le joint ( 5) est réalisé par brasage et constitué par un ruban préalablement déposé sur la face extérieure du noyau ou sur la face intérieure de la virole. 3 Cylindre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le joint ( 5) est coulé à l'état liquide dans un espace interstitiel réservé entre la virole et le noyau. 4 Cylindre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le joint ( 5) est un joint brasé formé par un alliage à l'argent à 56 % Ag, 2 % Ni et 42 % Cu environ en poids. Cylindre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le joint ( 5) est un joint brasé formé par un alliage du cuivre à 68 % Cu, 25 % Mn et 3 % Ni en poids environ. 6 Cylindre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la virole ( 3) présente une épaisseur de 50 à 60 mm environ. 7 Cylindre selon la revendication 6, carac- térisé en ce que la virole ( 3) présente des canaux de refroidissement internes longitudinaux ( 4) ménagés à une profondeur de 10 à 15 mm environ de sa surface intérieure. 8 Cylindre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le noyau est choisi en un matériau dont le coefficient de dilatation est supé- rieur à celui du matériau constitutif de la virole. 9 Cylindre selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la virole ( 3) est en un alliage Cu-Cr-Zr, ou en cuivre renforcé par dispersion d'oxydes. Procédé de fabrication d'un cylindre de coulée continue selon la revendication 2, caractérisé en ce que: a) on usine la virole ( 3) et le noyau ( 2), b) on décape les faces à braser et éventuellement on exécute un fluxage desdites faces, c) on met en place sur la surface interne de la virole ou sur la surface externe du noyau un matériau de brasage approprié ( 5), d) on place la virole ( 3) sur le noyau ( 2), e) on procède au brasage de la virole dans un four, par exemple à 1000 C pendant 1 heure à 2 heures, f) pour régénérer au besoin les propriétés du matériau constitutif de la virole, on exécute une hypertrempe, puis un revenu, g) et enfin, si nécessaire, on procède à un usinage final de la virole. 11 Procédé de fabrication d'un cylindre de coulée continue selon la revendication 3, caractérisé en ce que: a) on usine la virole ( 3) et le noyau ( 2), 1 1 b) on insère le noyau ( 2) dans la virole ( 3) en laissant entre eux un espace interstitiel et on les chauffe à une température appropriée (T), c) on coule à l'intérieur dudit espace un joint de soudure en un matériau se trouvant à l'état liquide à ladite température (T). 12 Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le joint de soudure est en un alliage d'étain, et en ce que la température (T) est de 250 ' à 300 C.