Brevet FR2676671A1 — publié le 19921127

L'invention est relative à un procédé de coulée d'un lingot creux métallique permettant d'améliorer et de régler le refroidissement d'un noyau creux utilisé pour former l'évidement central du lingot creux. La fabrication de lingots creux est bien connue. Elle a été décrite en particulier dans le brevet français FR 82-06475 et dans son certificat d'addition FR 83-04718. On utilise un noyau creux équipé d'un mandrin creux dans lequel on insuffle un fluide de refroidissement, par exemple de l'air L'air est insufflé par un ventilateur. Cette façon de procéder présente l'inconvénient que le flux d'air n'est pas très facilement réglable De plus, il est difficile d'injecter de la vapeur pour modifier l'efficacité du fluide de refroidissement Dans ces conditions, on ne peut pas maîtriser avec précision la position du front de fin de solidification, donc la position exacte des ségrégations à l'intérieur du lingot. Le but de l'invention est de permettre de moduler de façon importante l'efficacité du refroidisse- ment pendant la solidification du lingot, ce qui a l'avan- tage de donner les moyens de régler la position du front de fin de solidification. L'objet de l'invention est un procédé de coulée en lingotière d'un lingot creux métallique notamment en acier, dans lequel on forme l'évidement central du lingot creux en utilisant un noyau placé dans la lingotière et constitué par un mandrin métallique cylindrique creux traversé axialement par un canal central et une chemise tubulaire externe placée dans une disposition coaxiale autour du mandrin délimitant un espace périphérique autour du mandrin et on refroidit le noyau pendant la solidifica- tion du lingot après coulée de métal liquide dans la lingotière par circulation d'un courant de fluide de refroidissement dans le mandrin et dans l'espace périphé- rique caractérisé en ce que le courant de fluide de refroidissement est constitué par un flux principal de fluide mis en circulation dans le canal du mandrin et par un flux additionnel de fluide injecté dans le flux princi- pal. De manière préférentielle, le premier et le second flux de refroidissement sont constitués par au moins un gaz Le gaz est de préférence de l'air, de l'azote ou du gaz carbonique ou un mélange de ces gaz. Préférentiellement, le flux additionnel comporte au moins une zone dans laquelle le second fluide circule en régime supersonique et dans laquelle se forme une onde de choc. Lorsqu'il se produit un écoulement en régime supersonique, on injecte un fluide susceptible de se vaporiser, dans la zone en régime supersonique du courant additionnel. Le fluide injecté dans la zone de régime super- sonique est de préférence del'eau. Le débit du fluide injecté est réglable. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de coulée selon l'inven- tion du type comprenant une lingotière montée sur une plaque de base et un noyau comportant un mandrin creux traversé axialement par un canal central et une chemise externe coaxiale au mandrin, disposé verticalement dans la lingotière, dans lequel circule un fluide de refroidis- sement; le dispositif comporte un moyen d'injection d'un fluide de refroidissement additionnel dans le canal central du mandrin, constitué par un axe fixé transversa- lement dans le mandrin, de manière à traverser son canal central sans l'obturer complètement et comportant une partie centrale creuse reliée à un moyen d'alimentation en fluide de refroidissement et une ouverture mettant en communication la partie centrale creuse avec le canal central du mandrin. De préférence, cette ouverture forme une tuyère dont l'axe est confondu avec l'axe longitudinal du mandrin et qui est orientée vers la partie inférieure du mandrin. Cette tuyère comporte successivement de haut en bas une partie convergente, un col et une partie divergente. Une alimentation en fluide vaporisable débouche dans la partie divergente de la tuyère, en amont de la zone o une onde de choc est susceptible de se former. L' invention va maintenant être décrite en regard des figures annexées dans lesquelles: la figure 1 représente un schéma d'ensemble d'un dispositif de fabrication de lingot creux, la figure 2 représente une vue partielle éclatée du dispositif selon l'invention et montrant une tuyère. Le dispositif représenté à la figure 1 corres- pond à l'exemple d'une coulée en source dans lequel une lingotière 1 est placée sur une plaque de base 2 munie d'une source 3 et d'un canal d'alimentation 4 débouchant à travers la plaque de base 2 par des trous de coulée 5. Dans cette lingotière 1 est placé un noyau repéré généra- lement par 16 comportant une chemise 6 et un mandrin creux 8 reposant sur le fond 7 de la chemise 6, avec interposi- tion de cales discontinues 9; un espace libre 13 est ménagé entre le mandrin et la chemise. Le mandrin 8 est muni à sa partie supérieure d'un axe de manutention creux 17 qui sera décrit en détail plus loin Un flux principal d'un premier fluide de refroidissement, par exemple de l'air est introduit dans la partie supérieure du mandrin et circule du haut vers le bas dans la partie centrale de celui-ci puis ressort en remontant dans l'espace 13; ce flux est fourni par un ventilateur non représenté. Un flux additionnel d'un second fluide de refroidissement qui peut être également de l'air est introduit par l'axe de manutention et vient s'ajouter au flux principal circulant dans la partie creuse du mandrin. L'axe de manutention, représenté partiellement à la figure 2, est cylindrique et traverse le mandrin perpendiculairement à 1 'axe principal de ce dernier Il traverse également le canal central 18 du mandrin sans toutefois l'obstruer complètement L'axe de manutention 17 comporte, suivant son axe, un trou cylindrique 19 qui, partant d'une extrémité se prolonge jusqu'à la partie qui se trouve dans le canal 18 Dans la direction axiale du canal 18, l'axe de manutention 17 comporte une ouverture dans laquelle est insérée une tuyère 21 dont l'axe est confondu avec l'axe du canal 18 du mandrin et qui est orientée vers la partie inférieure du mandrin 8 et de la lingotière 1 Cette tuyère 21 comporte une partie conver- gente 22,un col 23 et une partie divergente 24 Dans la partie divergente, une arrivée de fluide 25 est prévue. Le trou 19 de l'axe de manutention 17 est alimenté par exemple par de l'air En passant par le convergent, cet air arrive au col à une vitesse égale à la vitesse du son et dans la partie divergente est accéléré jusqu'à des vitesses supersoniques Ceci forme le flux additionnel. Lorsque le flux additionnel se mélange au flux principal introduit au sommet du mandrin, l'air est ralenti, la pression s'élève et il se forme dans le divergent une onde de choc qui se trouve en aval de l'alimentation 25 en fluide Par l'alimentation 25 en fluide on introduit de l'eau L'eau est entraînée par le flux additionnel et à la traversée de l'onde de choc, cette eau est vaporisée. En modulant le débit d'eau injecté, on peut faire varier la quantité de vapeur contenue dans le flux résultant de fluide de refroidissement et ainsi ajuster à volonté la capacité d'extraction de chaleur de ce flux Il est alors possible de faire varier la vitesse de solidifi- cation le long de la paroi de la chemise et, en l'accélé- rant ou en la ralentissant de régler la position du front de fin de solidification. Le flux additionnel présente un autre avantage. En effet, à la sortie de la tuyère, ce flux crée un effet d'éjecteur si bien que, si le ventilateur alimentant le flux principal tombe en panne, de l'air est aspiré dans la partie creuse du mandrin et le refroidissement du noyau peut se poursuivre jusqu'à la fin de la solidification. Dans l'exemple décrit, le lingot est coulé en source et le noyau placé dans la lingotière avant coulée de l'acier Mais l'acier peut également être coulé dans la lingotière en premier et le noyau être introduit ensuite dans le métal liquide 15 Le lingot peut être coulé sous vide. Les fluides de refroidissement pris en exemple sont de l'air pour le flux principal et le flux addition- nel et de l'eau pour le fluide injecté Mais pour les flux principal et additionel d'autres gaz sont possibles; par exemple de l'azote, ou du gaz carbonique D'autres fluides vaporisables que l'eau peuvent également être injectés dans le flux additionnel Enfin, le dispositif d'apport du flux additionnel n'est pas nécessairement un axe de manutention, ce peut être un dispositif ayant pour seul objet d'introduire le flux additionnel. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée en lingotière d'un lingot creux métallique notamment en acier, dans lequel on forme l'évidement central du lingot creux en utilisant un noyau ( 16) placé dans la lingotière ( 1) et constitué par un mandrin métallique ( 8) cylindrique creux traversé axiale- ment par un canal central et une chemise tubulaire ( 6) externe placée dans une disposition coaxiale autour du mandrin ( 8) délimitant un espace périphérique autour du mandrin ( 8) et on refroidit le noyau ( 16) pendant la solidification du lingot après coulée de métal liquide dans la lingotière ( 1) par circulation d'un courant de fluide de refroidissement dans le mandrin ( 8) et dans l'espace périphérique, caractérisé en ce que le courant de fluide de refroidissement est constitué par un flux principal de fluide mis en circulation dans le canal du mandrin ( 8) et par un flux additionnel de fluide injecté dans le flux principal. 2. Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le flux principal et le flux additionnel sont constitués par au moins un gaz. 3. Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que le gaz est constitué par l'un des gaz suivants: air, azote, gaz carbonique ou par un mélange de ces gaz. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 2 et 3, caractérisé en ce que le flux additionnel comporte une zone dans laquelle le fluide circule en régime supersonique et dans laquelle il se forme une onde de choc. 5. Procédé selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'on injecte un liquide dans la zone en régime supersonique du flux additionnel en amont de 1 ' onde de choc, de manière que le liquide se vaporise sous l'effet de l'onde de choc.