Brevet FR2719245A1 — publié le 19951103

A INSTALLATION DE COULEE CONTINUE DE FILAMENTS METALLIQUES DIRECTEMENT A PARTIR DE METAL LIQUIDE L'invention concerne le domaine de la coulée continue de produits métalliques, notamment en acier. Elle concerne plus particulièrement la coulée directe, à partir de métal liquide, de produits ou de demiproduits en forme de filaments de faible section. Habituellement, les fils d'acier ayant un diamètre de l'ordre du millimètre ou du centimètre sont obtenus par un processus de fabrication relativement long, et qui met en jeu des installations coûteuses. Selon ce processus classique, l'acier liquide est d'abord coulé et solidifié en continu sous forme de demi-produits de section ronde, carrée ou rectangulaire. Ceux-ci doivent ensuite subir plusieurs étapes de laminage avant que l'on n'obtienne un fil du diamètre désiré. On conçoit aisément qu'il serait souhaitable d'écourter ce processus, par exemple en coulant l'acier liquide (ou tout autre métal) directement sous forme de filaments qui auraient une section aussi proche que possible de la section désirée pour les produits finis. Cette démarche serait analogue à celle qui est actuellement suivie pour les tôles et bandes d'acier, o l'on cherche à supprimer l'étape de laminage à chaud en coulant l'acier liquide directement sous forme d'une bande mince, conformément à ce qui existe déjà pour des métaux à bas point de fusion comme le cuivre et l'aluminium. Le document JP 6292439 propose, à cet effet, de réaliser la coulée des filaments entre deux cylindres à axes horizontaux mis en rotation en sens contraires et énergiquement refroidis intérieurement. Ces cylindres sont jointifs, comportent chacun une série de cannelures de section demi-circulaire, et sont disposés de telle manière que leurs cannelures respectives se font face pour définir des passages de section circulaire au niveau de contact des cylindres. Le diamètre de ces passages est égal à celui du filament que l'on veut couler. D'autre part, ces cannelures surplombent des canaux internes aux cylindres o circule le fluide de refroidissement. Hors des cannelures, la surface extérieure des cylindres est plane, et est constituée par une zone non préférentiellement refroidie. A cet effet, une masse en un matériau isolant affleure à la surface du cylindre ou est insérée à l'intérieur du cylindre à peu de distance de cette surface. Ce sont ces zones non préférentiellement refroidies qui constituent les parties jointives des cylindres lors de la coulée. Ces cylindres, ainsi que des parois en réfractaires plaquées contre leurs extrémités latérales planes, définissent un espace de coulée dans lequel on déverse en continu le métal liquide. Celui-ci se solidifie à l'intérieur des cannelures et dans les passages de section circulaire qu'elles définissent pour former des filaments bien détachés les uns des autres, alors qu'en principe la solidification n'a pas lieu sur les portions des cylindres qui comportent des masses isolantes, affleurantes ou non. La présence des masses isolantes et la nécessité de refroidir préférentiellement les cannelures rendent la construction des cylindres très complexe. De plus, dans la pratique, il est à craindre que, du fait de l'érosion et des déformations des cylindres, leurs parties qui devraient être en permanence parfaitement jointives ne le soient pas toutes tout à fait. Cela pourrait conduire à de dangereuses exfiltrations incontrôlées de métal liquide hors de l'espace de coulée qui détérioreraient l'installation, ainsi qu'à l'apparition de bavures sur les filaments si ces exfiltrations ont lieu aux bords des cannelures. Le but de l'invention est de procurer aux producteurs de matériaux métalliques filiformes dont la section a des dimensions allant de 0,5 à 25 mm environ, une installation leur permettant d'obtenir de manière fiable, directement à partir de métal liquide, des filaments dont la section est proche de celle désirée pour le matériau final. A cet effet, l'invention a pour objet une installation de coulée continue de filaments métalliques directement à partir de métal liquide, du type comprenant deux cylindres refroidis intérieurement, ayant leurs axes longitudinaux maintenus horizontaux et pourvus de moyens pour les mettre en rotation en sens inverses autour desdits axes, et dont les surfaces latérales comportent des cannelures espacées dans lesquelles s'effectue la solidification desdits filaments, deux faces latérales appliquées contre les extrémités planes desdits cylindres de manière à définir, en coopération avec lesdits cylindres, un espace de coulée fermé latéralement, et des moyens pour introduire du métal liquide à l'intérieur dudit espace de coulée, caractérisé en ce que les espaces séparant lesdites cannelures sont constitués par des parties saillantes par rapport au diamètre nominal des cylindres, et en ce que chacune desdites parties saillantes d'un desdits cylindres pénètre à l'intérieur d'une cannelure de l'autre cylindre, de manière à la remplir partiellement, un jeu fonctionnel étant ménagé entre ladite partie saillante et les parois latérales de ladite cannelure. Comme on l'aura compris, l'invention consiste à prévoir sur chacun des cylindres des cannelures relativement profondes, dans lesquelles viennent pénétrer des parties saillantes ménagées sur la surface de l'autre cylindre entre ses propres cannelures. Les cannelures et les parties saillantes qui y pénètrent définissent ensemble des espaces dans chacun desquels a lieu la solidification d'un filament. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée en référence aux figures suivantes: - la figure 1 qui schématise, vu de dessus, un cylindre du type de ceux utilisés sur l'installation selon l'invention; - la figure 2 qui schématise, vue de dessus, une installation de coulée selon l'invention; la figure 3 qui représente un couteau utilisé pour écarter des cylindres les produits coulés après leur solidification; Le cylindre de coulée 1 représenté sur la figure 1 est particulièrement destiné à constituer l'un des éléments essentiels de l'installation selon l'invention qui sera décrite plus loin. Ce cylindre 1 a un diamètre D que l'on appellera par la suite "diamètre nominal", et qui correspond à son diamètre réel au voisinage de ses deux extrémités planes 2, 3. Il comporte des axes 4, 5 destinés à être engages dans des moyens de mise en rotation classiques. Sa surface latérale comporte une série de cannelures 6-14 destinées, comme on le verra plus loin, à constituer une série de lingotières dans chacune desquelles se solidifiera un filament métallique. Dans l'exemple représenté, ces cannelures ont une section de forme sensiblement rectangulaire au voisinage de la surface du cylindre 1, alors que leur partie la plus profonde a une forme demi-circulaire. Les espaces séparant ces cannelures 6-14 les unes des autres sont constitués par des zones annulaires 15-23 de diamètre D', telles que D' est supérieur au diamètre nominal D du cylindre 1. Ces zones annulaires 15-23 constituent donc des parties saillantes (et seront désignées ainsi par la suite) par rapport aux zones 24, 25 de la surface latérale du cylindre 1 les plus proches des extrémités 2, 3 dont on a dit qu'elles avaient un diamètre égal à D. Ces zones 24, 25 seront appelées "rives" par la suite. Les dimensions que doivent avoir les parties saillantes 15-23 seront définies plus loin. Le cylindre 1 est, au moins pour sa partie extérieure, en un métal bon conducteur de la chaleur tel que du cuivre ou un alliage de cuivre. Il est pourvu de moyens classiques (non représentés) pour refroidir énergiquement par l'intérieur sa surface latérale, dont il faut s'assurer qu'ils contribuent efficacement au refroidissement aussi bien des parois des cannelures 6-14 que de celles des parties saillantes 15-23 et des rives 24, 25. L'installation de coulée représentée sur la figure 2 est essentiellement constituée par la réunion de deux cylindres 1 et 1' du type précédent (les éléments du cylindre 1' qui correspondent à ceux du cylindre 1 de la figure 1 sont désignés par les mêmes références auxquelles on ajoute un "'"). Ces cylindres 1 et 1' sont imbriqués l'un dans l'autre de telle manière que: - les rives 24, 25 du cylindre 1 sont espacées des rives correspondantes 24', 25' du cylindre 1', de manière à définir un espace 26 entre les rives 24 et 25', et un espace 27 entre les rives 24' et 25, ces espaces 26, 27 ayant quelques mm de large et par exemple quelques mm ou quelques cm de long; - les parties saillantes 15-23 du cylindre 1 pénètrent dans les cannelures 6'-14' du cylindre 1', et les parties saillantes 15'-23' du cylindre 1' pénètrent dans les cannelures 6-14 du cylindre 1, de manière à ce que, d'une part, au niveau des axes des cylindres 1, 1', les parties saillantes 15-23, 15'-23' et le fond des cannelures correspondantes 6-14, 6'-14' soient séparées par un espace 28-45 correspondant à la forme et aux dimensions des filaments à couler (au nombre de 18 dans l'exemple représenté), et d'autre part, les parois latérales des parties saillantes 15-23, 15'-23' et les parois latérales des cannelures correspondantes 6-14, 6'-14' ne soient séparées que par un jeu fonctionnel de l'ordre de 1/10 mm par exemple, les dimensions des parties saillantes 15-23, 15'-23' (notamment le diamètre D') et des cannelures 6-14, 6'-14' doivent donc être déterminées en fonction de la satisfaction de ces deux conditions, en liaison également avec la largeur des espaces 26, 27 séparant les rives 24 et 25', 25' et 24 des cylindres 1, 1'. L'installation comprend également deux plaques de fermeture 46, 47 appliquées contre les extrémités planes 2, 2' et 3, 3' des cylindres 1, 1' de manière à définir, en coopération avec les cylindres 1, 1', un espace de coulée capable de renfermer du métal liquide. Une telle configuration est identique dans son principe à celle qui est utilisée sur les installations de coulée entre deux cylindres de bandes métalliques minces. L'installation comprend enfin des moyens non représentés permettant de mettre en rotation en sens contraires les cylindres 1, 1' autour de leurs axes respectifs, et des moyens non représentés permettant l'introduction en continu d'acier liquide dans l'espace de coulée défini par les cylindres 1, 1' et les plaques de fermeture 46, 47. Ces divers moyens sont analogues à ceux utilisés sur les installations de coulée continue de bandes minces entre cylindres. La coulée s'effectue de manière comparable à ce qui est pratiqué dans la coulée de bandes métalliques minces entre cylindres. Avant son commencement, les espaces 26, 27, 28-45 sont obturés. Puis on met en route le système de refroidissement des cylindres et on introduit le métal liquide dans l'espace de coulée. La solidification s'initie alors, contre les rives 24, 25, dans les cannelures 6-14, 6'- 14' et contre les parties saillantes 15-23, 15'-23'. Enfin on démarre la rotation des cylindres 1, 1' tout en débouchant les espaces 26, 27, 2845, de manière à en extraire des filaments en cours de solidification ayant des sections correspondantes à celles desdits espaces 28-45. Parallèlement à cela, on extrait également des bandes dont la section correspond à celles des espaces 26, 27. En même temps, l'espace de coulée est continûment alimenté en métal liquide. Les filaments et les bandes ainsi formés sont ensuite éventuellement refroidis, et sont guidés vers des bobineuses. Les bandes sortant des espaces 26, 27 ne sont pas forcément à considérer comme des produits exploitables. Leur coulée n'est qu'une conséquence directe de la caractéristique selon laquelle les cylindres 1, 1' ne sont pas jointifs. On évite ainsi les problèmes qui seraient liés à une solidification indésirée qui s'initierait sur les rives 24, , 24', 25' et qui tendrait à écarter les cylindres 1, 1' l'un de l'autre lorsque les peaux solidifiées se rencontreraient au niveau des zones de contact entre les cylindres. La configuration proposée, avec des rives 24, 25, 24', 25' normalement refroidies et des cylindres 1, 1' non jointifs, autorise et même exige qu'une telle solidification se produise sur les rives 24, 25, 24', 25'. Il est simplement nécessaire qu'elle soit maîtrisée de telle manière que les bandes qui en résultent soient suffisamment solidifiées à leur sortie des espaces 26, 27 pour que leurs peaux ne risquent pas de se déchirer et de laisser échapper du métal liquide. Il va de soi que cette condition s'applique également aux filaments sortant des espaces 28-45. Les différents paramètres dimensionnels (diamètre D des cylindres 1,1', nombre et diamètre D' des parties saillantes 15-23, '-23', nombre et profondeur des cannelures 6-14, 6'-14', largeur des rives 24, 25, 24', 25', largeur des espaces 26, 27, profondeur du bain de métal liquide dans l'espace de coulée) et fonctionnels (vitesse de rotation des cylindres 1, 1', débit de fluide refroidissant dans les cylindres 1, 1') sont choisis pour que ces conditions soient satisfaites, et aussi en fonction des dimensions des filaments que l'on désire produire, de la productivité que l'on veut conférer à l'installation et de la nature du métal coulé. Il peut être souhaitable que la solidification des filaments et des bandes latérales ne soit pas achevée en amont du col (c'est-à-dire du niveau o les cylindres 1, 1' sont les plus proches l'un de l'autre). Dans le cas contraire, les cylindres 1, 1' devraient alors exercer un véritable effort de laminage sur les bandes et les filaments. Cet effort pourrait être tolérable pour la coulée de métaux relativement mous (étain, aluminium, cuivre), mais, dans le cas de la coulée d'acier, conduirait à devoir construire une installation capable de soutenir cet effort de laminage, ce qui grèverait notablement son coût. Dans le cas de l'acier, il est plutôt souhaitable qu'au niveau du col, le coeur des filaments se trouve encore à l'état pâteux, c'est-à-dire qu'il renferme à la fois du métal solide et du métal liquide, et soit ainsi encore légèrement compressible. De cette manière, sous l'effet du rétrécissement progressif des espaces 28-45 au fur et à mesure qu'on se rapproche du col, les filaments en cours de solidification subissent un effort de compression de la part des parties saillantes 15-23, 15'- 23', qui permet de limiter la formation de porosités et de ségrégations dans leurs coeurs. D'autre part, les parties saillantes 15-23, 15'-23' contribuent ainsi à l'entraînement et à l'extraction hors des espaces 2845 des filaments coulés. Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, les parties saillantes 15-23, 15'-23' ont, à leur extrémité, une forme sensiblement rectiligne. En coopération avec les cannelures 6-14, 6'-14', elles confèrent aux filaments une section approximativement demicirculaire. Si on désire ensuite obtenir un filament de section différente (par exemple rigoureusement circulaire), une étape ultérieure de mise en forme est nécessaire. En variante, on peut conférer aux extrémités des parties saillantes 15-23, 15'-23' une forme concave, afin de rapprocher davantage la section des filaments d'une section circulaire. Une forme convexe n'est pas souhaitable, car ainsi on favoriserait l'infiltration de métal liquide entre les parois latérales des parties saillantes 15-23, 15'-23' et des cannelures 6-14, 6'-14', et donc l'apparition de bavures sur les filaments. De telles bavures pourraient gravement détériorer les installations assurant la mise en forme ultérieure des filaments. Si on désire obtenir des produits finis de forme plus complexe, on peut aussi donner aux cannelures 6-14, 6'-14' une forme différente de celle représentée et plus proche de la forme définitive des produits. On a dit que les cylindres étaient de préférence en cuivre ou en alliage de cuivre. On peut, à cet effet utiliser un alliage de cuivre à durcissement structural, c'est-à-dire comportant en son sein une dispersion d'oxydes qui limite ses possibilités de dilatation thermique. On peut également prévoir de revêtir les cylindres 1, 1' d'une couche de nickel de 1 à 2 mm d'épaisseur, afin de limiter les déformations thermiques de la surface des cylindres 1, 1' au contact du métal liquide. Cette couche de nickel peut être appliquée sur toute la surface des cylindres 1, 1', ou seulement sur les extrémités des parties saillantes 15-23, 15'-23', ou seulement sur les cannelures 6-14, 6'-14'. Les dimensions de la section des filaments ainsi coulés peuvent être très variables. Elles sont de l'ordre de 0,5 à mm, préférentiellement de 1 à 7 mm. A leur sortie des espaces 26, 27, 28-45, les bandes et les filaments peuvent avoir tendance à rester solidaires des cannelures 6-14, 6'-14'. Il faut alors aider à les en décoller, principalement lors du début de la coulée, lorsqu'ils n'ont pas encore été saisis par les bobineuses. A cet effet, on peut disposer sous chacun des cylindres 1, 1' des couteaux du type représenté sur la figure 3. Ces couteaux se présentent sous forme d'une plaque de base 48 sur laquelle sont rattachées deux lamelles de section rectangulaire 49, 50 et, disposées entre ces lamelles 49, 50, des tiges 51-59 dont la forme extérieure épouse celle des cannelures 6-14, 6'-14'. Les extrémités supérieures des lamelles 49, 50 et des tiges 51-59 sont taillées en biseau. Avant la coulée, un couteau 49 est disposé sous chaque cylindre 1, 1', les extrémités des lamelles 49, 50 étant au contact des rives 24, 25 - 24', 25' des cylindres 1, 1' et les extrémités des tiges 51-59 étant engagées dans les cannelures 6-14, 6'-14', leurs parties biseautées étant tournées vers l'espace de coulée. De cette façon, lorsque les bandes et les filaments arrivent au contact des extrémités biseautées des lamelles 49, 50 et des tiges 51-59, ils sont forcés de quitter les rives 24, 25, 24', 25' et les cannelures 6-14, 6'-14', et peuvent donc être orientés vers les bobineuses. En variante, on peut ménager une alternance de cannelures et de parties saillantes sur l'ensemble de la surface latérale des cylindres 1, 1'. On supprime ainsi les rives 24, 24', 25, 25' de section plane et les espaces 26, 27 qui les séparent, ainsi que la coulée de bandes dans ces espaces 26, 27. L'invention s'applique à la coulée de filaments métalliques de toute nature, par exemple en acier, aluminium, cuivre ou étain. Elle a l'avantage, par rapport aux dispositifs existants, de fournir des filaments en toutes circonstances parfaitement séparés les uns des autres, exempts de bavures qu'il faudrait ôter avant une mise en forme ultérieure, et présentant une bonne santé interne (exempts de porosités et peu ségrégés à coeur). L'absence de zones de contact entre les cylindres 1, 1' permet enfin de limiter leur usure. REVENDICATIONS 1) Installation de coulée continue de filaments métalliques directement à partir de métal liquide, du type comprenant deux cylindres (1,1') refroidis intérieurement, ayant leurs axes longitudinaux maintenus horizontaux et pourvus de moyens pour les mettre en rotation en sens inverses autour desdits axes, et dont les surfaces latérales comportent des cannelures (6-14,6'-14') espacées dans lesquelles s'effectue la solidification desdits filaments, deux faces latérales (46,47) appliquées contre les extrémités planes (2,3,2',3') desdits cylindres (1,1'), de manière à définir, en coopération avec lesdits cylindres (1,1'), un espace de coulée fermé latéralement, et des moyens pour introduire du métal liquide à l'intérieur dudit espace de coulée, caractérisé en ce que les espaces séparant lesdites cannelures sont constitués par des parties saillantes (15- 23,15'-23') par rapport au diamètre nominal (D) des cylindres, et en ce que chacune desdites parties saillantes (15-23,15'- 23') d'un desdits cylindres (1,1') pénètre à l'intérieur d'une cannelure (6-14, 6'-14') de l'autre cylindre (1,1'), de manière à la remplir partiellement, un jeu fonctionnel étant ménagé entre ladite partie saillante (15-23,15'-23') et les parois latérales de ladite cannelure (6-14,6'-14'). 2) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte, en dessous desdits cylindres (1,1'), des moyens pour assister la séparation desdits filaments solidifiés et desdits cylindres (1,1'). 3) Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens pour assister la séparation desdits filaments et desdits cylindres (1,1') comprennent des tiges (51,59) ayant chacune une extrémité biseautée pénétrant dans l'une desdites cannelures (6-14,6'-14'). Il 4) Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que lesdits cylindres (1,1') sont en alliage à base de cuivre. 5) Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que les extrémités desdites parties saillantes (15-23, '-23') comportent un revêtement de nickel. 6) Installation selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdites cannelures (6-14,6'-14') comportent un revêtement de nickel. 7) Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits cylindres (1,1') comportent des rives (24,24',25,25') de section plane, au niveau desquelles le diamètre du cylindre est égal à son diamètre nominal (D), et en ce que deux rives (24,24',25,25') se faisant face définissent un espace (26,27) en coopération avec lesdites faces latérales (46,47).