Brevet FR2675721A1 — publié le 19921030

PROCEDE PERMETTANT DE MAITRISER L'EPAISSEUR D'UNE BANDE METALLIQUE COULEE EN CONTINU SUR UN CYLINDRE. DOMAINE DE L'INVENTION. L'invention est relative à un procédé permettant de maîtriser l'épaisseur d'une bande métallique coulée en continu sur un cylindre. I1 est connu de l'homme de l'art de la mise en forme des matériaux qu'on peut obtenir directement et en continu une bande métallique d'épaisseur voisine du millimètre par mise en contact d'un métal en fusion avec un cylindre métallique, refroidi qui tourne autour d'un axe horizontal; cette mise en contact étant réalisée au moyen d'un injecteur muni à son extrémité d'une ouverture en forme de U qui s'allonge parallèlement à la génératrice dudit cylindre de manière que la surface libre du matériau contenu dans l'injecteur effleure la surface du cylindre et forme lors de la rotation un ménisque. Un tel procédé a été décrit, par exemple, dans le brevet français 426993. Dans ces conditions, le matériau liquide au contact du cylindre se solidifie sous la forme d'une couche de faible épaisseur et entraîne par l'intermédiaire du ménisque une quantité supplémentaire de métal de sorte qu'on obtient finalement une bande continue. PROBLEME POSE. Ce procédé de coulée directe en continu, encore appelé dans le langage anglo-saxon : " melt overflow ", s'il est simple dans son principe, présente néanmoins certaines difficultés d'application industrielle quand on veut, par exemple, fabriquer des bandes de largeur relativement grande. En effet, le plus souvent, la bande élaborée suivant ce procédé présente des variations d'épaisseur dans le sens transversal, ce qui la rend difficilement utilisable soit directement soit après avoir subi des traitements mécaniques et/ou thermiques. Ce phénomène d'irrégularité de l'épaisseur peut s'expliquer de la manière suivante -le cylindre sur lequel s'effectue la coulée se compose généralement de deux flasques latéraux et d'une couronne circulaire de largeur supérieure à celle de la bande. A l'intérieur de cette couronne circule de l'eau froide destinée à en assurer le refroidissement. -lors de la coulée, la couronne s'échauffe et transmet une partie des calories qu'elle a reçues à l'eau de refroidissement. Il s'établit donc un gradient de température dans son épaisseur ainsi que dans sa largeur. Mais, cet échauffement n'est pas régulier ; en particulier, il est beaucoup plus faible aux extrémités de la couronne qu'au centre du fait que le métal en cours de solidification a tendance à ne pas rester en contact avec les dites extrémités et qu'il y a fuite latérale de chaleur. Il en résulte donc une dissymétrie de température. -cet échauffement et les différences d'échauffement d'un endroit à l'autre du cylindre entraînent une déformation de la couronne qui peut atteindre plusieurs dixièmes de millimètre suivant le matériau et la température atteinte Ces irrégularités de température et la déformation de la couronne ont pour conséquences des irrégularités du profil de la bande. En effet, -la dissymétrie de température entraîne un échange de chaleur plus important sur les bords de la bande qui sont plus froids qu'au centre et donc une épaisseur solidifiée plus faible au centre. -la dissymétrie de déformation entraîne deux effets majeurs -la distance entre l'injecteur et la couronne n'est pas constante sur toute la largeur ce qui entraîne des ménisques différents et donc des longueurs de contact différentes occassionnant des variations d'épaisseur. -lorsqu'on procède au brossage du cylindre, la pénétration des poils de la brosse est plus importante au centre que sur les bords d'où une action différente et des coefficients de transfert de chaleur non uniformes. L'ensemble de ces irrégularités se traduit par des profils d'épaisseur dans la largeur de la bande qui ne sont pas compatibles avec son laminage à froid ultérieur. ETAT DE LA TECHNIQUE. Certes, le problème de l'obtention d'un profil d'épaisseur choisi dans la coulée d'une feuille sur roue a déjà été étudié et des solutions ont été apportées. On peut citer, en particulier, le brevet U.S. 4,799,536 qui met en oeuvre un appareil présentant des caractéristiques particulières telles que -des moyens pour maintenir le niveau du liquide de refroidissement au dessus de l'axe du cylindre -des moyens de pulvérisation du liquide de refroidissement vers la surface intérieure du cylindre au dessus du niveau dudit liquide -des inserts fixés sur la face interne du cylindre en des endroits choisis de manière à contrôler le transfert de chaleur du cylindre vers le liquide et à obtenir un profil voulu de la feuille coulée. Toutefois, cette solution necessite la mise en oeuvre d'un système particulier de refroidissement du cylindre et l'adaptation de pièces à l'intérieur de la couronne, autant de moyens mécaniques dont l'installation est plus ou moins compliquée. EXPOSE DE L'INVENTION. Dans le but de pouvoir maîtriser l'épaisseur d'une bande métallique coulée en continu sur un cylindre et de lui donner un profil compatible avec tout traitement mécanique et/ou thermique ultérieur et cela sans recourir à des moyens de refroidissement différents, la demanderesse a mis au point un procédé caractérisé en ce que l'on usine la couronne sur toute sa périphérie et sur ses faces interne et externe de manière que son épaisseur soit plus faible en son milieu qu'à ses extrémités. Cet usinage a donc pour effet de donner un profil particulier à la couronne et de conduire à des résultats spécifiques suivant la face à laquelle il est appliqué mais, dont les effets sont combinés. Ainsi, -l'usinage de la face externe permet pour l'essentiel de compenser la déformation du cylindre. C'est une technique très classique de préparation des cylindres de laminage. -l'usinage de la face interne permet pour l'essentiel de lutter contre la dissymétrie de température. Cet usinage est tel qu'il conduit à une épaisseur de la couronne plus importante sur les extrémités qu'au centre. De ce fait, pour un même flux échangé et donc pour une même épaisseur de bande solidifiée, la température a tendance à s'élever et à compenser la perte de calories par les extrémités. De préférence, la différence d'épaisseur entre les extrémités et le milieu de la couronne est au plus égale à 3% de la longueur de la couronne. En fonction du type et de la dimension du cylindre, de la vitesse de coulée et dans le cadre des épaisseurs fixées plus haut, on est amené à determiner la forme du profil qui convient le mieux. Cette détermination est réalisée à l'aide d'un modèle numérique obtenu à partir d'un code de calcul par éléments finis des comportements thermiques et mécaniques de la couronne lorsqu'elle est soumise aux sollicitations résultant de la coulée. Les usinages sont ensuite réalisés sur des machines à commande numérique à partir des équations données par la modélisation. On a pu constater la bonne adéquation entre les résultats expérimentaux et les résultats du calcul. EXEMPLE D'APPLICATION.- L'invention a été appliquée à la coulée d'un alliage d'aluminium du type 3003 suivant les normes de l'Aluminum Association sous la forme d'une bande de 300 mm de largeur et de 0,8 mm d'épaisseur. Pour cela, on a mis en oeuvre un cylindre en acier de rayon 250 mm comportant une couronne telle que décrite dans la figure 1 qui représente suivant une coupe axiale une vue sur une demi-longueur des profils de la face interne et de la face externe de la dite couronne. Sur cette figure, on distingue en lignes pointillées les profils de la couronne de l'art antérieur dont l'épaisseur était de 6 mm dans sa partie active ( zone en contact avec le métal liquide ) et en traits pleins les profils après usinage. Cet usinage a été réalisé de la manière suivante -la face externe suit une courbe définie d'une part,par les quatre points : P1, P2, P3 et P4 tels que leurs coordonnées x ( distance du point au plan médian perpendiculaire à l'axe de la couronne ) et y ( distance du point à l'axe de la couronne ) soient les suivantes P1 x = 90 et y = 249,37 P2 x = 140 et y = 249,59 P3 x = 160 et y = 249;86 P4 x = 200 et y = 250 d'autre part, par les deux arcs de cercle P1-P2 et P3-P4 P2-P3 étant un segment de droite ). -la face interne présente dans sa partie active une surépaisseur de 5/10 de mm sur 20 mm de longueur. Les conditions de coulée étaient les suivantes -vitesse de rotation du cylindre : 2 m/s. -hauteur du bain de métal liquide dans l'injecteur d'alimentation : 50 mm. -température du métal liquide : 685"C. Dans ces conditions, on a constaté que -la différence de température sur la surface externe du cylindre était inférieure à 5"C, -la génératrice du cylindre est rectiligne à + ou - 25 -le profil d'épaisseur de la bande est compatible avec le laminage ; le centre est plus épais de 1,5% par rapport aux rives. Dans les mêmes conditions de coulée, mais sans mettre en oeuvre l'invention, on constate que -la différence de température sur la surface externe de la couronne est de 45"C, -la génératrice est déformée de 500 pm au centre par rapport aux bords de la zone utile, -le profil de la bande présente un creux de 4%, valeur excessive pour le laminage. En conséquence, l'invention s'applique dans tous les cas où on veut obtenir une bande ayant un profil plus régulier qui convient à un laminage ultérieur. REVENDICATIONS. 1.- Procédé permettant de maîtriser l'épaisseur d'une bande métallique coulée en continu sur un cylindre formé d'une couronne et de deux flasques latéraux caractérisé en ce que l'on usine la couronne sur toute sa périphérie et sur ses faces interne et externe de manière que son épaisseur soit plus faible en son milieu qu'a ses extrémités. 2.-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence d'épaisseur entre les extrémités et le milieu de la couronne est au plus égale à 3% de la longueur de la couronne.