Brevet FR2738509A1 — publié le 19970314

La présente invention concerne un appareil, une lingotière et un procédé d'interruption utilisés pour la coulée horizontale avec refroidissement direct des métaux légers, notamment du magnésium et de ses alliages. Le magnésium et les alliages de magnésium sont coulés en lingots ou billettes et transmis aux clients. Ces lingots peuvent souvent avoir une mauvaise qualité de surface. En outre, ce procédé de production n'est pas efficace. La coulée verticale des billettes avec refroidissement direct donne un produit de haute qualité de surface, mais la production continue n'est pas possible car le nombre de brins est limite. Il est donc nécessaire d'utiliser un procédé qui donne un produit de haute qualité, dépourvu de fissures et de cavités de retrait et qui peut être coulé de façon continue avec une vitesse élevée de coulée. La coulée horizontale avec refroidissement direct est un procédé qui peut remplir ces conditions. Il permet la coulée continue de plusieurs brins et donne aussi un produit de dimension uniforme. Cependant, même s'il existe une technologie éprouvée pour la coulée de l'aluminium et des alliages d'aluminium, ce procédé de production n'est pas utilisé actuellement pour les lingots de magnésium. De nombreuses tentatives ont été réalisées au cours de plusieurs années, mais la détermination de l'appareil et surtout des lingotières qui peuvent être utilisées pose des problèmes. En outre, lors du travail avec un métal réactif tel que le magnésium, l'aspect de sécurité est très important et un procédé de production sure doit être trouvé. Le brevet britannique nO 1 194 224 décrit un procédé de coulée horizontale continue de lingots d'aluminium et de magnésium ou de leurs alliages. L'appareil comprend un réservoir de métal fondu séparé de la lingotière par un barrage partiel (plaque de tête) qui ne refroidit pas la lingotière. La plaque de tête a une ouverture pour le passage du métal liquide et directement dans la lingotière refroidie dans laquelle le métal se solidifie et est retiré de façon continue en direction horizontale. L'eau de refroidissement est évacuée d'une chambre formée dans la paroi de la lingotière par des canaux destinés à refroidir directement le lingot qui sort. La lingotière possède aussi des canaux de transmission d'un lubrifiant à la surface interne de la paroi. Cet appareil peut être utile pour la coulée de l'aluminium, mais non pour la production en toute sécurité de magnésium ou d'alliages de magnésium coulés avec une bonne finition de surface. L'appareil possède une entrée très large qui crée des difficultés pour le réglage de l'opération de solidification. La profondeur de la lingotière est trop grande et le circuit de refroidissement pose des problèmes en cas de débordement. L'invention a pour objet la mise à disposition d'un procédé et d'un appareil de coulée horizontale avec refroidissement direct du magnésium et des alliages de magnésium, donnant un produit de haute qualité à une vitesse élevée de coulée. L'invention a aussi pour objet la mise à disposition d'un procédé de production très sûr et la réduction des conséquences d'un débordement éventuel dû à la réactivité du magnésium fondu avec l'eau. Ces objets de l'invention ainsi que d'autres sont atteints grâce au procédé et à l'appareil décrits dans la suite. L'invention concerne un appareil de coulée horizontale avec refroidissement direct d'un métal et notamment de coulée de magnésium ou d'alliages de magnésium. L'appareil comprend un panier de coulée destiné au maintien de métal fondu et une lingotière placée horizontalement et communi-, quant avec le panier de coulée. La lingotière assure le refroidissement primaire des parois de la lingotière à l'endroit où le métal est refroidi sans être au contact d'eau et un refroidissement secondaire direct du métal coulé. La lingotière a des circuits séparés pour l'eau de refroidissement primaire et secondaire. Un anneau isolant de transition est placé à l'entrée de la lingotière. I1 est important que la profondeur totale de la lingotière soit faible et de préférence comprise entre 25 et 45 mm. I1 est préférable, pour que la qualité de surface soit bonne et que le métal ne présente pas des variations de couleur, que la lingotière comprenne une entrée destinée à la transmission d'un gaz protecteur dans l'anneau de transition. L'entrée qui débouche dans la lingotière doit être placée asymétriquement, plus près du fond de la lingotière. I1 est préférable d'utiliser un appareil dans lequel le panier de coulée et la lingotière sont séparés par une entrée chauffée d'un matériau isolant enrobé dans un manchon d'acier, l'acier étant au contact du magnésium fondu. Le panier de coulée doit posséder un circuit commandé à distance pour son évacuation. L'invention concerne aussi une lingotière destinée à être utilisée pour la coulée du magnésium et d'alliages de magnésium, ayant un refroidissement primaire des parois de la lingotière à l'endroit où le métal est refroidi sans être au contact d'eau et un refroidissement secondaire direct du métal coulé. Il est essentiel que la lingotière comprenne des circuits séparés pour l'eau de refroidissement primaire et secondaire. La lingotière a une entrée sous forme d'un anneau de transition formé d'un matériau céramique à l'endroit où l'ouverture d'entrée est placée asymétriquement dans la lingotière plus près du fond, et à l'endroit où la lingotière a une entrée de gaz protecteur vers l'anneau de transition. Il est préférable que la profondeur totale de la lingotière soit comprise entre 25 et 45 mm. L'invention concerne aussi un procédé d'arrêt destiné à la coulée d'un métal avec refroidissement direct, notamment la coulée du magnésium et des alliages de magnésium, par mise en oeuvre d'un appareillage de coulée qui comprend un four de fusion placé sur une table de soulèvement, un siphon chauffant destiné à transmettre un métal fondu à un panier de coulée communiquant avec une lingotière refroidie. La lingotière doit comprendre des circuits primaire et secondaire séparés de refroidissement et un circuit d'évacuation du produit coulé, et les étapes suivantes sont exécutées automatiquement pour l'arrêt de la coulée lorsqu'un bouton d'urgence est utilisé a) extraction des organes d'arrêt du produit, b) arrêt de la transmission d'eau secondaire de refroidissement à la lingotière, c) activation d'un circuit d'évacuation à commande pneumatique et enlèvement d'un bouchon du panier de coulée, le métal s'écoulant dans un réservoir préchauffé d'évacuation, d) fermeture de la soupape du siphon, e) retrait du siphon du four afin qu'il interrompe la transmission du métal, et f) descente du four de fusion. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue générale de l'ensemble de l'installation de coulée ; et la figure 2 représente une partie du panier de coulée, de l'entrée et de la lingotière. La figure 1 représente un four 1 de fusion de magnésium ou d'alliages de magnésium. Le four est placé sur une table 2 destinée à soulever ou abaisser le four. Le métal fondu est transféré à un panier chauffé de coulée 3 par un siphon chauffé 4. Le siphon peut aussi être soulevé et abaissé. Le panier de coulée utilisé est formé d'acier. Le panier de coulée 3 comprend un dispositif à bouchon 5 associé à un ensemble 6 d'évacuation à commande pneumatique. Le niveau du métal dans le panier de coulée est réglé à l'aide d'un régulateur 7 de niveau à laser. Un réservoir 9 d'évacuation est placé sous le trou 8 d'évacuation du panier de coulée. La lingotière 10 a des circuits primaire 11 et secondaire 12 d'eau de refroidissement et est placée de l'autre côté du panier de coulée. Le métal fondu est supporté par des cylindres 13 et avance devant une unité 14 à rouleaux d'extraction avant d'être coupé par une scie 15 en morceaux convenables. Un réservoir d'eau de refroidissement est placé au-dessous de la lingotière. En cas de débordement, le magnésium déborde dans le réservoir d'eau. La référence 17 (figure 2) désigne une tête permettant l'amorçage. La lingotière, l'entrée et une partie du panier de coulée sont représentées plus en détail sur la figure 2. Lingotière La lingotière 10 est représentée sur la figure 2. Elle est par exemple formée de cuivre ou d'aluminium. La lingotière possède deux circuits séparés de refroidissement. Dans le circuit primaire 11 de refroidissement, l'eau circule dans la lingotière sans être au contact du magnésium. L'eau du circuit primaire de refroidissement est conduite vers le réservoir 16 sous la lingotière (figure 1). L'eau du circuit secondaire 12 de refroidissement est pulvérisée par des fentes ou des buses 18 sur le magnésium afin qu'il soit efficacement refroidi. L'eau frappe le métal avec un angle compris entre environ 30 et 350. La lingotière a aussi un anneau métallique 19 ayant des canaux 20 de transmission d'huile lubrifiante à la lingotière. La référence 21 représente un anneau de transition d'un matériau réfractaire isolant et poreux. Des canaux 22 sont formés pour la transmission d'un gaz protecteur, par exemple SF6. De cette manière, un lingot lisse peut être coulé sans variation de couleur de sa surface, car l'entrée d'air est évitée par le gaz protecteur introduit derrière l'anneau de transition. Une feuille isolante 23 est placée au-dessus de l'anneau de transition. L'entrée 24 de la lingotière est placée asymétriquement dans la lingotière plus près du fond pour éviter la convection de chaleur vers la surface supérieure du lingot. Cette disposition peut provoquer un débordement du métal. Le métal fondu M se solidifie à l'emplacement désigné par la référence 25 lorsqu'il pénètre dans la lingotière et il porte un revêtement solidifié mince à l'intérieur de la lingotière. La référence S désigne le métal solide. La réserve (métal fondu dans la lingotière) doit avoir son point le plus profond au centre du lingot et l'ensemble de la réserve doit se trouver dans la lingotière. Cette disposition peut être obtenue avec un refroidissement presque symétrique. La dimension de l'orifice ou de l'entrée n'est pas primordiale. On a constaté que des lingotières courtes étaient nécessaires pour l'obtention de lingots ayant une bonne qualité de surface et une vitesse convenable de coulée. Plusieurs lingotières ayant des profondeurs différentes ont été éprouvées avant la détermination de la sélection optimale. La profondeur primaire Ll de la lingotière est la distance comprise entre le point de solidification et le bord de la surface primaire de refroidissement comme indiqué sur la figure 2. La profondeur totale L2 de la lingotière est la distance comprise entre le pont de solidification et le point de frappe par l'eau de refroidissement secondaire. Le tableau 1 indique les différents paramètres pour cinq lingotières différentes. Tableau 1 Lingotière Dimensions de Profondeur LI Profondeur n0 lingotière (mm) (mm) totale L2 (mm) 1 140 x 64 1 80 150 2 140 x 64 80 115 3 140 x 64 69 75 4 104 x 81,5 35 38 5 = 75 26 28 Dans le cas de la lingotière nO 1, l'eau secondaire pulvérisée vient frapper le lingot à 150 mm environ de l'emplacement auquel le métal pénètre dans la lingotière et se solidifie. Une coulée expérimentale a montré que la profondeur totale de la lingotière étant trop grande et ainsi que la vitesse de coulée était faible.Une refusion dans la lingotière et un écoulement du métal se sont produits. En outre, les lingotières 2 et 3 ont été déterminées comme possédant une profondeur trop grande pour donner des vitesses optimales de coulée, alors que les lingotières nO 4 et 5 ont donné de bons résultats. Il est ainsi important que la lingotière soit réalisée de manière que la distance L2 comprise entre le point auquel la pulvérisation d'eau secondaire frappe le métal et le point de solidification soit courte. Des lingotières ayant une profondeur L2 comprise entre 25 et 45 mm conviennent. Pour que cette faible distance soit obtenue, la sortie 18 de l'eau de refroidissement secondaire est placée à l'intérieur de la lingotière, au fond d'une cavité conique. Il est en outre essentiel que la distance L3 = L2 - L1 soit extrêmement faible et de préférence inférieure à 5 mm. Entrée Une partie essentielle de l'appareillage est constituée par l'entrée qui est la distance comprise entre l'intérieur du panier de coulée 3 et la lingotière 10. Les pertes de chaleur et la solidification du métal dans l'entrée doivent être évitées. La chaleur du magnésium liquide passant par l'entrée est la seule source de chaleur, et les parties d'acier de l'ensemble à panier de coulée extraient facilement la chaleur de la matière fondue. Il faut donc une bonne isolation 26. il a cependant été difficile d'obtenir des matériaux d'isolation convenables pouvant supporter le contact direct avec le matériau. L'infiltration du métal dans un matériau fibreux, l'oxydation du magnésium et la désintégration du matériau d'isolation ont posé des problèmes de coulée après de courtes durées de coulée.La solution a compris l'enrobage du matériau d'isolation par un tube 28 d'acier à paroi mince destiné à empêcher le contact entre le matériau d'isolation et le magnésium. Lors de l'utilisation du tube d'acier, on a constaté qu'il était nécessaire de placer des éléments de chauffage 27 à l'entrée car l'acier extrait la chaleur du métal liquide. Il est donc important de pouvoir régler la température à l'entrée. Panier de coulée Le panier de coulée 3 est formé d'acier. Il comporte un dispositif 5 formant un bouchon d'un circuit 6 d'évacuation à commande pneumatique. Des éléments de chauffage (non représentés) et un matériau d'isolation 28 ont été placés entre l'élément rapporté et la paroi du panier de coulée pour compenser les pertes de chaleur et les empêcher. Le panier de coulée est réglable dans toutes les directions afin que le positionnement de la lingotière soit facile par rapport aux cylindres fixes d'extraction. On utilise un gaz pour le chauffage du panier de coulée avant le début des opérations afin que le temps de préparation soit réduit au minimum. Procédé de mise en fonctionnement et d'arrêt La sécurité est très importante lors du traitement d'un métal réactif tel que le magnésium. L'appareil est donc aussi réalisé afin que cet aspect soit pris en compte. Au début du procédé, la tête 17 est placée à l'intérieur de la lingotière 10. L'eau de refroidissement primaire 11 est alors transmise. Le métal fondu est introduit dans la lingotière et se solidifie dans l'orifice de la tête d'amorçage. La tête d'amorçage est retirée et l'eau de refroidissement secondaire est d'abord transmise lorsque la surface externe s'est solidifiée et que des conditions stables ont été obtenues. Il n'existe donc aucun contact entre le métal fondu et l'eau. Une faible vitesse d'amorçage est utilisée (environ 100 mm/min) et elle augmente progressivement. Il est aussi important d'obtenir une restriction de l'activité du métal en cas de débordement ou de fuite éventuelle. En conséquence, le panier de coulée n'a qu'un volume limité pour le métal fondu. On a aussi constaté qu'il était essentiel de séparer les circuits de refroidissement primaire et secondaire pour pouvoir fermer le courant d'eau secondaire au contact du métal, tout en pouvant encore refroidir la lingotière en cas de fuite. L'appareil de coulée comprend un circuit à bouton d'urgence et alarme. Il est utilisé dans une opération d'arrêt contrôlé de l'opération de coulée ou il est activé en cas d'urgence. Le bouton d'urgence a un fonctionnement rapide suivant une séquence convenable. Toute l'avance du métal cesse. L'eau de refroidissement secondaire ne circule plus. L'eau de refroidissement primaire continue à circuler et s'échappe de la lingotière par des tubes vers le réservoir d'eau. Ainsi, elle n'est pas au contact du magnésium alors que la lingotière est encore refroidie. Le circuit d'évacuation à commande pneumatique est activé et le bouchon du panier de coulée est retiré et le métal s'écoule dans le réservoir préchauffé d'évacuation. La soupape du siphon est fermée et le siphon est retiré du four de manière que le métal fondu ne soit plus transmis, et le four est abaissé. Exemples La coulée horizontale par refroidissement direct de lingots de magnésium pur et d'alliages de magnésium (AZ91) a été réalisée avec différentes lingotières. La nature de la lingotière et les conditions de coulée sont indiquées dans le tableau 2 qui suit. Tableau Tempéra Maté- Dimensions Profon- Vitesse ture de Eau, riau à e deur de matière primaire/ couler lingotière totale L2 coulée fondue secondaire (mm) (mm) (mm/min) (OC) (m3/h) Mg pur 140 x 64 115 200 706 4/5 n n 75 250 707 4/5 104 x 81,5 38 500 695 3/3 AZ-91 140 x 64 75 . 175 695 4/5 AZ-91 e = 75 29 750 665 4/4 Comme on peut le noter dans le tableau, les lingotières les plus courtes ont donné la plus grande vitesse de coulée et il a été possible de couler des lingots ayant une bonne finition de surface en toute sécurité. Les lingots coulés dans les lingotières les plus courtes avaient aussi une qualité de surface bien meilleure que celle des autres lingots. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Appareil de coulée horizontale avec refroidissement direct d'un métal, notamment destiné à la coulée du magnésium et des alliages de magnésium, comprenant un panier de coulée (3) destiné à contenir un métal fondu, une lingotière (10) placée horizontalement en communication avec le panier de coulée, la lingotière ayant un refroidissement primaire des parois de la lingotière dans laquelle le métal est refroidi sans être au contact de l'eau et un refroidissement secondaire direct du métal coulé, caractérisé en ce que la lingotière (10) a des circuits séparés pour l'eau de refroidissement primaire (11) et l'eau de refroidissement secondaire (12). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la profondeur totale (L2) de la lingotière est comprise entre 25 et 45 mm. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lingotière (10) possède un anneau isolant de transition (21) placé à l'entrée de la lingotière. 4. Appareil selon l'une des revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la lingotière (10) a une entrée (22) d'un gaz protecteur transmis à l'anneau de transition (21). 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture d'entrée (24) dans la lingotière a une disposition asymétrique plus proche du fond de la lingotière. 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le panier de coulée (3) et la lingotière (10) sont séparés par une entrée chauffée formée d'un matériau isolant (26) enrobé dans un manchon d'acier (28). 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le panier de coulée (3) possède un circuit (6) d'évacuation commandé à distance. 8. Lingotière (10) destinée à être utilisée pour la coulée du magnésium et des alliages de magnésium, ayant un refroidissement primaire des parois de la lingotière à l'endroit où le métal est refroidi sans être au contact de l'eau et un refroidissement secondaire direct du métal coulé, caractérisée en ce que la lingotière comprend des circuits séparés pour l'eau de refroidissement primaire (11) et l'eau de refroidissement secondaire (12), et la lingotière a une entrée sous forme d'un anneau de transition (21) formé d'un matériau céramique à l'endroit où l'ouverture d'entrée (23) est placée asymétriquement dans la lingotière, plus près du fond, et à un endroit où la lingotière comporte une entrée (22) de transmission d'un gaz protecteur à l'anneau de transition (21). 9. Lingotière selon la revendication 7, caractérisée en ce que la profondeur totale (L2) de la lingotière est comprise entre 25 et 45 mm. 10. Procédé d'arrêt de la coulée d'un métal, notamment de magnésium et d'alliages de magnésium, par refroidissement direct à l'aide d'un appareillage de coulée comprenant un four de fusion (1) placé sur une table (2) de soulèvement, un siphon chauffé (4) destiné à transmettre un métal fondu à un panier de coulée (3) communiquant avec une lingotière refroidie (10) ayant des circuits séparés de refroidissement primaire (li) et de refroidissement secondaire (12), et un circuit d'extraction (14) du produit coulé, caractérisé en ce que les étapes suivantes sont exécutées automatiquement pour l'arrêt de la coulée lorsqu'un bouton d'urgence est utilisé a) extraction des organes d'arrêt du produit, b) arrêt de la transmission d'eau secondaire de refroidissement à la lingotière, c) activation d'un circuit d'évacuation à commande pneumatique et enlèvement d'un bouchon du panier de coulée, le métal s'écoulant dans un réservoir préchauffé d'évacuation, d) fermeture de la soupape du siphon, e) retrait du siphon du four afin qu'il interrompe la transmission du métal, et f) descente du four de fusion.