Brevet FR2705259A1 — publié le 19941125

La présente invention est relative à la coulée des métaux en fusion, et plus particulièrement à la coulée continue verticale de pièces métalliques, notamment de tubes en fonte. Bien qu'elle s'applique à la coulée de différents types de pièces métalliques, elle est particulièrement avantageuse pour la coulée de tubes minces en fonte. L'expression "tube mince" s'applique à un tube dont le rapport épaisseur/diamètre est faible, inférieur à dix pour cent, plutôt qu'à l'épaisseur considérée isolément en soi. L'invention concerne plus précisément un dispositif d'alimentation en métal en fusion d'une machine de coulée, notamment pour une installation de coulée continue verticale ascendante de tubes en fonte, ledit dispositif d'alimentation étant disposé entre une source de métal en fusion et la machine de coulée. La source de métal en fusion est typiquement une poche de coulée de fonte et la machine de coulée une machine de coulée continue ascendante de pièces métalliques, du type à filière verticale. L'invention concerne donc un maillon intermédiaire d'une installation de coulée disposé entre la source de métal en fusion et le dispositif de coulée de pièces métalliques en tant que tel. Le document FR-A-2 547 517 relatif à une installation de coulée continue verticale à filière à entrée chaude pour la coulée de tubes métalliques a déjà décrit un dispositif d'alimentation en fonte liquide, disposé entre une poche de coulée et une filière verticale. Ce dispositif d'alimentation comporte un bloc siphon constitué d'une pièce d'un seul tenant réalisée dans un matériau réfractaire du type silico-alumineux ou en graphite. Ce bloc siphon comporte une cheminée verticale surmontée d'un entonnoir de réception de la fonte et un chenal de coulée horizontal raccordé de manière etanche à l'extrémité inférieure de la filière à laquelle il sert de socle ou de support. Ce bloc siphon selon l'état de la technique pose un certain nombre de problèmes. En effet, compte tenu des hautes températures mises en jeu dans la coulée de metaux en fusion, le bloc siphon est rapidement endommagé pendant le processus de coulée continue. En particulier, un siphon en graphite, outre son coût relativement élevé, est progressivement usé et/ou consommé par la fonte en fusion qui est en contact avec lui. En outre, un bloc siphon d'un seul tenant est une pièce relativement massive d'une mise en oeuvre difficile, ce qui complique également la manutention nécessaire lors du remplacement du siphon. La consommation du graphite peut provoquer une modification de la composition de la fonte, en dehors de l'analyse souhaitée. Le but de la présente invention est de remedier aux inconvénients présentés par les dispositifs connus d'alimentation en métal en fusion, et en particulier par les blocs siphons tels que connus dans l'état de la technique. L'invention a par conséquent pour objet un dispositif d'alimentation en métal en fusion d'une machine de coulée, notamment pour une installation de coulée continue verticale ascendante de tubes en fonte, ledit dispositif d'alimentation étant disposé entre une source de métal en fusion et la machine de coulée, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il présente une structure modulaire comportant d'une part un siphon d'amenée du métal en fusion de la source de métal vers la machine de coulée, et d'autre part des plaques amovibles de chauffage du siphon, disposées autour de celui-ci et en contact avec lui. Selon d'autres caractéristiques de l'inven tion - le siphon est une pièce interchangeable, notamment réalisée en béton réfractaire moulé; - le siphon est une pièce ayant sensiblement une forme de U, comportant un premier canal sensiblement vertical terminé vers le haut par un orifice d'entrée du métal en fusion, un second canal sensiblement vertical débouchant à la base de la machine de coulée par un orifice de sortie du métal en fusion, et un canal sensiblement horizontal reliant les canaux verticaux entre eux; - la pièce présente autour du second canal une forme tronconique destinée à coopérer à joint étanche avec la base conjuguée de la machine de coulée; - le dispositif comporte en outre une carcasse en matériau réfractaire, entourant le siphon et les plaques de chauffage de manière à laisser libre un espace entre l'intérieur de la carcasse et les plaques de chauffage, ledit espace étant comblé avec un matériau isolant thermique et protecteur chimique,; - la carcasse comporte des moyens de chauffage des plaques de chauffage, notamment constitués par un circuit inducteur noyé dans la carcasse, les plaques de chauffage faisant office d'induit; - le matériau isolant thermique et protecteur chimique est du sable fin de fonderie; - les plaques de chauffage sont en graphite; - l'empilement du siphon et des plaques de chauffage entourant le siphon est disposé sur des briques réfractaires; - le siphon comporte des faces planes d'appui de chaque plaque de chauffage. L'invention a également pour objet une installation de coulée de pièces métalliques, notamment de coulée continue verticale ascendante de tubes en fonte, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'alimentation de métal en fusion tel que défini plus haut. Un mode de réalisation préféré de l'invention va être décrit plus en détail ci-dessous en se référant aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple et sur lesquels - la Figure 1 est une vue en élévation et en coupe d'un dispositif d'alimentation en fonte en fusion selon l'état de la technique, relié à une filière pour la coulée en continu de tubes en fonte; - la Figure 2 est une vue en élévation et en coupe du dispositif d'alimentation en métal en fusion selon l'invention; - la Figure 3 est une vue en perspective éclatée de suscepteurs en graphite utilisés dans le dispositif d'alimentation selon l'invention; - la Figure 4 est une vue en élévation et en coupe d'un siphon en béton réfractaire utilisé dans le dispositif d'alimentation selon l'invention; - la Figure 5 est une vue de dessus du siphon de la Figure 4; - la Figure 6 est une vue en coupe et en perspective du dispositif d'alimentation en métal en fusion selon l'invention. On se réfère à la Figure 1. Dans cette Figure est représenté un dispositif connu d'alimentation 1 en fonte en fusion, pour l'alimentation d'une filière 2 destinée au formage de tubes en fonte T par coulée continue ascendante, suivant le document FR-A-2 547 517. Le dispositif d'alimentation 1 à proprement parler se compose d'un bloc siphon 3 sensiblement en forme de L. Ce bloc siphon 3 est essentiellement réalisé d'un seul tenant dans un matériau réfractaire du type silico-alumineux ou en graphite. Le bloc siphon 3 comporte une cheminée d'alimentation 4 terminée à sa partie haute par un évasement 5 en forme d'entonnoir. La partie horizontale 6 du bloc siphon intègre un chenal de coulée 7 horizontal débouchant d'un côté dans la cheminée d'alimentation 4, et de l'autre côté dans une portion de canal 8 verticale ascendante terminée par un évasement tronconique 9 débouchant dans la partie inférieure 10 de la filière. La filière se compose essentiellement d'un tube cylindrique 11 en graphite, entouré à sa partie inférieure 10 d'un anneau réfractaire 12 dans lequel sont noyés les câbles 13 d'un circuit inducteur destiné à maintenir le métal liquide au-dessus de son point de fusion. La filière 2 est entourée dans sa partie supérieure 14 d'un circuit de refroidissement 15 qui permet une solidification graduelle de la fonte en fusion pour la formation de tubes. Pendant le fonctionnement du dispositif d'alimentation 1, une poche de coulée P constitue la source de fonte en fusion pour le dispositif d'alimentation 1, qui à son tour alimente la filière 2. Le bloc siphon 3 de ce dispositif d'alimentation 1 est l'élément qui pose les problèmes que la présente invention se propose de résoudre. En effet, ce bloc d'un seul tenant est d'une manipulation et d'une installation malaisées, et d'un coût élevé, notamment lorsqu'il est réalisé en graphite. De plus, il se détériore progressivement au cours de la coulée par usure ou consommation sous l'action de la fonte en fusion. En conséquence, dans ce dispositif d'alimentation 1 selon l'état de la technique, le bloc siphon 3 doit être remplacé dans son intégralité dès qu'un certain nombre de tubes ont été coulés. On se réfère à la Figure 2. Cette Figure illustre un dispositif d'alimentation 1 en métal en fusion selon l'invention. L'invention sera décrite dans le cadre d'un dispositif de coulée en continu de tubes en fonte semblable au dispositif de la Figure 1, alimentant une filière 2, mais uniquement à titre d'exemple. Dans son principe, 1 invention propose un dispositif d'alimentation modulaire, dont une pièce maîtresse est un siphon interchangeable et de très faible coût. Bien que l'invention puisse être mise en oeuvre dans le cadre d'installations de coulée utilisant d'autres métaux que la fonte, ou avec des dispositifs de formage de pièces qui ne sont pas des filières pour la formation de tubes, l'invention sera décrite ci-après, à des fins de clarté et de simplicité, dans le cadre d'une installation de coulée verticale ascendante en continu de tubes en fonte, obtenus à l'aide d'une filière. Le dispositif d'alimentation 1 selon l'invention comporte principalement un siphon 3, des moyens de chauffage du siphon 3 sous la forme de plaques chauffantes 16 disposées tout autour du siphon sauf au niveau de son entrée et de sa sortie, une carcasse 17 pourvue d'un inducteur 18, dans laquelle sont placés le siphon 3 et les plaques chauffantes 16, et enfin, un matériau de remplissage, d'isolation et de protection 19 disposé dans l'espace laissé libre entre l'empilement constitué par le siphon 3 et les plaques chauffantes 16, et la carcasse 17. Le siphon (Figures 4 et 5) Le siphon 3 est représenté plus en détail aux Figures 4 et 5. Il s'agit d'une pièce sensiblement en forme de U moulée dans un matériau réfractaire de faible coût, notamment du béton réfractaire. Le siphon 3 comporte une partie 3A à section carrée pourvue d'un canal vertical descendant 20 d'entrée de la fonte en fusion, une partie 3B à section carrée pourvue d'un canal horizontal 21- dans lequel débouche un second canal vertical 22 dirigé vers le haut, beaucoup plus court que le canal 20, communiquant avec le canal 21 et présentant une partie tronconique 3C; cette partie 3C assure le centrage étanche de la partie inférieure conjuguée 10A de la base chauffante 10 de la filière (Figure 2). Il est à noter que la partie 3B se prolonge un peu au-delà de la partie 3A, ce qui définit un épaulement horizontal 23. Ce siphon 3 étant obtenu par moulage avec noyau, les deux trous d'extrémité 24 du canal horizontal 21 qui sont issus du moulage sont bouchés à l'aide d'une terre réfractaire damée manuellement. Le siphon 3 comporte en conséquence un orifice 25 d'entrée, et un orifice de sortie 26 de la fonte. Lors du rebouchage des trous superflus 24, l'on pourra prévoir l'insertion d'instruments de mesure de la température de la fonte à l'intérieur du siphon, sous la forme d'un thermocouple disposé dans une gaine d'alumine (non représentés), l'ensemble étant inséré dans le trou avant rebouchage. La simplicité de ce siphon moulé en béton réfractaire en fait une pièce extrêmement économique, à caractère consommable, destiné à être remplacé après chaque campagne de coulée. L'entonnoir (Figure 2) Destiné à être positionné au-dessus de l'orifice d'entrée 25 du siphon, cet entonnoir 5 possède une forme interne conique dont la partie inférieure débouche dans le canal vertical 20, de même diamètre, d'entrée de la fonte liquide dans le siphon. L'entonnoir 5 est également moulé en béton réfractaire, de préférence identique à celui du siphon. Afin d'assurer l'étanchéité entre l'entonnoir 5 et le siphon 3, l'entonnoir est collé sur le siphon avec un ciment réfractaire. Comme le siphon, l'entonnoir 5 est une pièce consommable et économique, destinée à etre remplacée à la fin d'une ou de plusieurs campagnes de coulée. Afin de permettre le versement de la fonte sans débordement ou éclaboussure, l'entonnoir 5 est surmonté par un entonnoir-canal 26 en ciment réfractaire, non consommable, présentant une ouverture plus grande pour la réception de la fonte versée. Les plaques chauffantes (Figure 3) Le dispositif d'alimentation 1 selon l'invention comprend également un ensemble de plaques chauffantes 16, destinées à maintenir la fonte liquide en température, par conduction à travers le matériau du siphon. Ces plaques chauffantes, encore appelées suscepteurs, pouvant elles-mêmes être chauffées par induction, l'invention prévoit des plaques par exemple en graphite d'une épaisseur de l'ordre de 30 mm, placées directement au contact avec le matériau réfractaire du siphon de façon à enfermer celui-ci avec des plaques inférieures, supérieures, et latérales, comme représenté dans la Figure 3, à l'exception des orifices d'entrée 25 et de sortie 26 du siphon. Utilisé comme suscepteur, le graphite des plaques 16 permet de préchauffer le siphon 3 par induction, de façon homogène et contrôlable, jusqu'à des températures de l'ordre de 1000"C. Dans l'exemple de la Figure 3, on utilise une plaque de base 16A sous le siphon 3, dépassant latéralement de chaque côté de la partie 3B, deux plaques latérales verticales 16B accolées à la partie 3B et posées sur les bords de la plaque 16A, une plaque supérieure 16C posée sur la partie 3B, et quatre plaques verticales 16D accolées à la partie 3A du siphon et posées respectivement sur la plaque 16C, sur l'épaulement 23 et sur la tranche supérieure des plaques 16B. Matériau isolant (Figure 2) L'empilement formé par les plaques 16 de suscepteur en graphite, le siphon 3 et l'entonnoir 5 est disposé sur un-alignement de briques réfractaires 27. Une carcasse 17 en matériau réfractaire est disposée autour de cet empilement, de façon à laisser libre un espace 28 entre l'empilement et la carcasse 17. De façon connue, des enroulements inducteurs 18 sont noyés dans l'épaisseur de la carcasse 17, et alimentés en courant électrique à partir d'un générateur extérieur non représenté. La carcasse comprend une partie principale 17A qui entoure la partie 3B-du siphon et dépasse au-dessus de celle-ci, et un prolongement 17B qui entoure la partie supérieure de la partie 3A et dépasse au-dessus de celleci. L'espace 28 entre la carcasse 17 et l'empilement constitué par le siphon 3 et les plaques chauffantes 16 est comblé par un matériau de remplissage 19 assurant une fonction d'isolation thermique et de protection chimique des éléments de chauffage contre l'oxydation. En effet, lorsque les plaques 16 en graphite sont portées à haute température sous l'effet des phénomènes d'induction, elles ont tendance à s'oxyder et à se détériorer. Afin d'inviter ceci, l'espace 28 est rempli de préférence avec du sable fin de fonderie, simplement versé entre la carcasse 17 de l'inducteur et le siphon 3 équipé des plaques 16. Le sable coule dans l'espace 28, qu'il remplit parfaitement, enfermant totalement les plaques chauffantes 16 en graphite et le siphon 3 pour une protection optimale du dispositif d'alimentation 1. Ce sable, qui ne gêne nullement l'enlèvement de la carcasse 17 lors du démontage du dispositif d'alimentation 1, peut être récupéré et recyclé après chaque campagne de coulée. Comme on le voit sur la Figure 2, des briques réfractaires 29 d'isolation et de retenue du sable sont disposées sur la plaque 16C et s'insèrent sous le prolongement 17B de la carcasse 17. De plus, un inducteur auxiliaire 30 est disposé autour de la base de la filière 2. L'utilisation du dispositif d'alimentation 1 en fonte selon l'invention a lieu de la manière suivante. Sur un support qui peut être une table élévatrice 31, l'on pose les briques 27 puis la plaque chauffante inférieure 16A. Sur cette plaque inférieure est posé le siphon 3 en béton réfractaire, puis l'empilement et le positionnement des plaques 16 restantes est terminé tel que représenté à la Figure 3. Afin d'éviter un déplacement entre elles, les différentes plaques chauffantes sont cerclées par un moyen de retenue, notamment un ruban adhésif. Ensuite, on pose les briques 29, et la carcasse 17 pourvue de ses moyens inducteurs 18 destinés au préchauffage du siphon 3 par l'intermédiaire des plaques chauffantes, est amenée, typiquement à l'aide d'un pont roulant. Elle est disposée de façon centrée autour du siphon 3, puis la carcasse 17 est remplie de sable 19 de sorte que toutes les parties éventuellement en graphite soient recouvertes. Puis l'inducteur 30 est mis en place, et l'entonnoir 5 est collé au-dessus de l'orifice d'entrée 25 du siphon 3, et la filière 2 est collée sur la partie 3C de celui-ci, à l'aide de ciment réfractaire. On complète alors le remplissage de sable si nécessaire. Puis l'on relie l'inducteur de préchauffage 18 à son coffret d'alimentation électrique (non représenté) et l'on met en route le préchauffage du dispositif d'alimentation 1. De ce fait, les plaques chauffantes jouant le rôle d'induit montent en température, et chauffent à leur tour le siphon 3, tout en restant isolées thermiquement et contre l'oxydation par le sable 19 et les briques 29. Le préchauffage du dispositif peut prendre une à trois heures, en fonction de la puissance du circuit inducteur. La préparation du dispositif d'alimentation 1 avant la coulée sera avantageusement com plétée par le noircissement des différentes zones de passage de la fonte liquide, afin d'éviter un collage de gouttes et de languettes de fonte solide pendant la coulée. Lorsque le préchauffage est terminé et qu'une poche de coulée P remplie de fonte en fusion est disponible, l'amenée de la fonte liquide à la base de la filière par l'intermédiaire du dispositif d'alimentation 1 selon l'invention peut commencer. La coulée continue ascendante de tubes en fonte aura alors lieu de façon classique. A la fin de la campagne de coulée, la fonte restant dans le canal 21 du siphon se solidifie. On démonte le dispositif d'alimentation 1 selon l'invention en procédant successivement à 1' enlèvement de l'entonnoir 5 et de l'entonnoir-canal 26, des briques 29, de la carcasse 17, du sable 19, des plaques chauffantes 16 et du siphon 3. Ce dernier sera éliminé et remplacé par un nouveau siphon. On procédera alors à la reconstruction du dispositif d'alimentation 1 selon l'invention, pour une prochaine campagne de coulée. De ce fait, le dispositif d'alimentation 1 selon l'invention répond parfaitement aux objectifs fixés. En proposant une structure modulaire comprenant un siphon interchangeable et de faible coût, ce dispositif améliore à la fois le coût de production de pièces métalliques coulées, et la manutention requise par le dispositif. L'invention peut être également appliquée à la coulée de corps pleins, tels que des barres. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation (1) en métal en fusion d'une machine de coulée (2), notamment pour une installation de coulée continue verticale ascendante de pièces, en particulier de tubes, en fonte, ledit dispositif d'alimentation (1) étant disposé entre une source de métal (P) en fusion et la machine de coulée (2), ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il présente une structure modulaire (3, 16) comportant d'une part un siphon (3) d'amenée du métal en fusion de la source de métal (P) vers la machine de coulée (2), et d'autre part des plaques amovibles (16) de chauffage du siphon (3), disposees autour de celui-ci et en contact avec lui. 2. Dispositif d'alimentation (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit siphon (3) est une pièce interchangeable, notamment réalisée en béton réfractaire moulé. 3. Dispositif d'alimentation (1) selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le siphon (3) est une pièce ayant sensiblement une forme de U, comportant un premier canal sensiblement vertical (20) terminé vers le haut par un orifice d'entrée (24) du métal en fusion, un second canal sensiblement vertical (22) débouchant à la base de la machine de coulée (2) par un orifice de sortie (26) du métal en fusion, et un canal (21) sensiblement horizontal reliant les canaux verticaux (20, 22) entre eux. 4. Dispositif d'alimentation (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce présente autour du second canal (22) une forme tronconique (3C) destinée à coopérer à joint étanche avec la base conjuguée (1OA) de la machine de coulée (2). 5. Dispositif d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une carcasse (17) en matériau réfractaire, entourant le siphon (3) et les plaques de chauffage (16) de manière à laisser libre un espace (28) entre l'intérieur de la carcasse (17) et les plaques de chauffage (16), ledit espace (28) étant comblé avec un matériau (19) isolant thermique et protecteur chimique. 6. Dispositif d'alimentation (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que la carcasse (17) comporte des moyens de chauffage (18) des plaques de chauffage (16), notamment constitués par un circuit inducteur (18) noyé dans la carcasse (17), les plaques de chauffage (16) faisant office d'induit. 7. Dispositif d'alimentation (1) selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau (19) isolant thermique et protecteur chimique est du sable fin de fonderie. 8. Dispositif d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques de chauffage (16) sont en graphite. 9. Dispositif d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'empilement du siphon (3) et des plaques de chauffage (16) entourant le siphon (3) est disposé sur des briques réfractaires (27). 10. Dispositif d'alimentation (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le siphon (3) comporte des faces planes d'appui de chaque plaque de chauffage (16). 11. Installation de coulée de pièces métalliques, notamment de coulée continue verticale ascendante de tubes en fonte, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif d'alimentation (1) de métal en fusion selon l'une quelconque des revendications précédentes.