Brevet FR2781395A1 — publié le 20000128

La présente invention concerne un procédé pour couler des lingots d'un métal liquide non ferreux, tel que du magnésium liquide. Il est connu, dans les machines de coulée destinées à fabriquer des lingots de magnésium et de ses alliages, que les dispositifs de coulée soient constitués d'une pompe d'alimentation en métal, d'un tube de coulée équipé à son extrémité d'un clapet mécanique, et d'un dispositif de préhension du tube de coulée, permettant de déposer celui-ci dans une lingotière, de le faire avancer en synchronisation avec le convoyeur de coulée portant les lingotières pendant le remplissage de la lingotière, puis de le soulever et de le ramener en arrière dans la lingotière suivante. Il est aussi connu de protéger le métal liquide contre l'oxydation et l'inflammation, depuis la sortie du tube de coulée jusqu'à la solidification de la surface du lingot. Cela s'effectue généralement par injection d'un gaz de protection à la surface du métal. Il s'est avéré que ce procédé connu, quoiqu'éprouvé, présente des inconvénients qui limitent ses performances. En effet: - la cadence de production se trouve limitée (de l'ordre de 3 à 5 tonnes par heure) en raison d'une part du temps perdu à déplacer le tube de coulée d'une lingotière à la suivante et, d'autre part, des problèmes d'oxydation et d'inflammation du métal qui apparaissent au-delà d'un certain débit de métal, compte tenu de la faible section de passage du clapet qui provoque beaucoup de turbulences rendant moins efficace le système de protection par injection de gaz; - la qualité du lingot (c'est-à-dire l'absence de taches d'oxydation ou d'inflammation) est difficile à maintenir, car la présence des systèmes mécaniques de préhension des tubes de coulée rend difficile l'implantation de rampes d'injection de gaz protecteur et rend quasiment impossible la réalisation de systèmes de confinement; l'utilisation et la maintenance de ces systèmes sont rendues délicates en raison de la présence de nombreux ensembles mécaniques qui sont exposés à des conditions difficiles, des opérations des préparation (préchauffage et manutention du tube de coulée par exemple), de la surveillance de la qualité de lingot obtenue (variations permanentes du débit de pompe à cause de son usure et de la présence d'impuretés dans le métal). Il est également connu, d'utiliser pour le remplissage des lingotières une roue de coulée comprenant sur sa périphérie des godets espacés exactement au pas des lingotières. Le métal, arrivant dans la roue, passe par le godet situé au-dessus de la lingotière, est accompagné jusqu'au fond de celle-ci et déposé selon un angle faible. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients cidessus mentionnés des machines connues et elle propose à cet effet un dispositif de coulée offrant la possibilité de couler du métal liquide à des cadences plus élevées tout en assurant une bonne qualité des lingots obtenus. Selon l'invention, le système pour couler un métal liquide non ferreux dans une succession de moules disposés à des écartements constants se caractérise parce qu'il comprend: - un dispositif de coulée constitué par un auget de coulée et une roue de coulée, le dit auget de coulée comprenant un bac alimenté en métal liquide à la sortie du four et un bec de coulée disposé à la sortie du dit bac, et la dite roue de coulée comprenant sur sa périphérie une succession de godets dont l'espacement correspond au pas entre les dits moules, chaque godet venant successivement en regard du bec de coulée pour recevoir le flux de métal liquide provenant du bac et le déposer dans le moule situé sous le dit godet, et 3 2781395 - un ensemble de confinement recouvrant la zone qui entoure le dispositif de coulée pour protéger le métal liquide de l'oxydation et de l'inflammation. Le bac de coulée est équipé d'un dispositif de réglage du débit de métal vers le bec de coulée, ce dispositif de réglage pouvant être asservi à une mesure du niveau de métal liquide dans les moules ou dans le bac de coulée. Avantageusement, le bac de l'auget de coulée est clos et est alimenté en gaz de protection ce qui protège efficacement le métal de l'oxydation. Le bac de coulée comporte un dispositif de mesure du niveau de métal liquide, auquel est asservi le dispositif d'alimentation du bac en métal liquide. On assure ainsi un débit de métal liquide aussi constant que possible, celui-ci étant alors déterminé par la hauteur de métal dans le bac et non pas par le débit de la pompe d'alimentation, dont les caractéristiques varient dans le temps. Le bec de coulée est d'une largeur qui n'est pas supérieure à la largeur du pas entre les moules, et la forme de l'extrémité de ce bec assure, avec celle de la roue de coulée, un minimum de discontinuité dans l'écoulement du métal. Les turbulences de l'écoulement du métal se trouvent ainsi réduites, ce qui permet d'augmenter sensiblement le débit de coulée. L'ensemble de confinement est constitué de trois éléments disposés respectivement en amont du dispositif de coulée, autour de celui-ci et en aval de lui. Chacun de ces éléments comprend un système de couverture à l'intérieur duquel se trouve un système de distribution de gaz protecteur. Le dernier élément, couvrant la zone située en aval, comprend un dispositif de refroidissement maîtrisé qui permet de réduire la longueur de ce dernier élément. Pour bien faire comprendre l'invention on en décrira ci-après, à titre d'exemple sans caractère limitatif, une forme de réalisation préférée en référence au dessin schématique annexé dans lequel: la Figure 1 est une vue de face du système de coulée selon la présente invention; la Figure 2 est une vue schématique en plan du dispositif de coulée constituant une partie du système de coulée de la Figure 1; la Figure 3 est une vue de face, en coupe verticale, du dispositif de coulée de la Figure 2; et la Figure 4 est une vue en coupe prise selon la ligne IV-IV de la Figure 2. En référence aux Figures 2 à 4, on a représenté en 1 un bac de coulée alimenté en métal liquide en provenance du four par une pompe (non représentée), par l'intermédiaire d'une goulotte 2. Le bac 1 est fermé et est équipé d'un dispositif 3 d'injection d'un mélange gazeux protecteur destiné à empêcher l'oxydation du métal liquide dans le bac 1. Le bac 1 est aussi équipé d'un système de chauffage électrique d'une puissance suffisante pour permettre le préchauffage à 700 C avant le démarrage de la coulée, y compris le préchauffage de la quantité de métal de coulée qui peut être restée emprisonnée dans le bac 1 lors d'un précédent arrêt de coulée. Ce système comprend des résistances électriques chauffantes horizontales 4 et verticales 5. A la sortie du bac 1 est disposé un dispositif 6 de fermeture du débit de métal, commandé par un vérin 7,qui permet l'arrêt de la coulée dans des conditions normales ou d'urgence. A la sortie du bac 1 est aussi placé un dispositif 8 de réglage du débit de métal, avec commande manuelle, qui est avantageusement asservi à un système de mesure du niveau dans les lingotières ou dans le bec de coulée qui seront décrits plus loin. Le bac 1 est aussi équipé d'un dispositif 9 de mesure du niveau de métal à l'intérieur du bac, qui permet 2781395 d'asservir la pompe d'alimentation en métal liquide afin de maintenir ce niveau aussi constant que possible. Le débit de métal liquide est donc déterminé par la hauteur de métal dans le bac, et non pas par le débit de la pompe dont les caractéristiques varient dans le temps. Le volume du bac 1 est prévu suffisamment important pour que les variations de hauteur de métal dues aux variations de débit d'alimentation soient amorties, en laissant à la boucle d'asservissement de la pompe le temps de réagir efficacement. Le bac 1 débouche dans un bec de coulée 10 qui coopère avec une roue de coulée 11 constituée d'un ensemble de godets 12 disposés régulièrement autour d'un support circulaire. L'extrémité de sortie du bec de coulée 10 vient en regard de l'extrémité intérieure évasée du godet 12 disposé en position verticale inférieure sur la roue 11 alors que, comme on le voit à la Figure 1, l'extrémité extérieure de ce godet forme un orifice engagé dans une lingotière 13 d'une chaîne de lingotières en déplacement horizontal. Les lingotières 13 présentent entre elles un espacement constant, et l'écartement entre les godets 12 correspond exactement au pas des lingotières 13. Un ensemble d'entraînement de la roue de coulée 11, non représenté au dessin, comprend un engrenage couplé à la chaîne du convoyeur, de façon que la rotation de la roue 11 soit parfaitement synchrone avec l'avance des lingotières 13. Les godets 12 sont conçus de telle sorte que le débit de remplissage de chaque lingotière 13 ne soit pas limité par un orifice. Les godets 12 sont séparés les uns des autres par des arêtes 14 formant cloisons, de telle sorte que le débit de métal qui arrive dans la roue 11 est séparé par ces cloisons 14 ce qui assure un remplissage identique des lingotières 13. Le bec de coulée 10 est dimensionné de telle sorte que l'alimentation en métal de la roue de coulée se fasse, pour chaque lingotière 13, pendant la durée la plus longue possible, la largeur du bec 10 n'étant toutefois pas supérieure à la largeur d'un pas entre deux lingotières 13. La géométrie de l'extrémité du bec 10 est étudiée pour assurer, avec celle de la roue de coulée 11, le minimum de discontinuité dans l'écoulement du métal (voir Figure 3). L'angle de liaison est calculé pour être inférieur à la courbure parabolique de l'angle de chute du métal, et il n'y a donc pas de décollement de l'écoulement. Le métal qui est accompagné par la forme du godet 12 jusqu'au fond de la lingotière 13, est déposé selon un angle faible. L'orifice d'extrémité de chaque godet 12 est allongé et étroit ce qui permet que l'énergie accumulée par le métal pendant sa descente soit absorbée sous forme de turbulences noyées sous la surface du métal, ce qui limite la surface du métal en contact avec l'atmosphère et, de ce fait, la formation d'oxydes. Avec le dispositif de coulée selon l'invention comprenant le bec de coulée 10 et la roue de coulée 11, on rend le débit de coulée égal au débit moyen de la pompe d'alimentation, contrairement aux systèmes antérieurs connus dans lesquels le temps perdu à déplacer le tube de coulée d'une lingotière à la suivante limite le débit de coulée. On augmente aussi les possibilités de débit de coulée, l'écoulement obtenu dans la roue 11 étant beaucoup moins turbulent que celui obtenu à la sortie du tube de coulée dans les systèmes connus, le débit de coulée pouvant ainsi être porté, pour du magnésium, entre 8 et 10 tonnes/heure. Les godets 12 présentent une forme qui facilite leur nettoyage. En particulier, ils sont de forme auto- démoulante, ce qui permet l'enlèvement du métal qui pourrait accidentellement y figer, par exemple lors d'un démarrage de coulée trop froid. La roue de coulée 11 est réalisée dans un matériau ne mouillant pas le métal, ou en variante elle peut être traitée avec un produit possédant cette caractéristique. On notera qu'un système de relevage de la roue de coulée 11 est prévu, permettant alors le passage, dans une lingotière 13 d'un éventuel lingot non démoulé, sans détérioration du dispositif de coulée. Comme on le voit à la Figure 1, le système de coulée selon l'invention comporte un ensemble de confinement destiné à assurer une protection efficace du métal liquide de l'oxydation et de l'inflammation. L'ensemble de confinement comprend une première partie 15 en amont du dispositif de coulée. Cette partie 15 est constituée par un ensemble de distribution de gaz inertant qui permet de remplacer l'air atmosphérique contenu dans les lingotières 13 par du gaz inertant. Cet ensemble de distribution est couvert par une hotte 16 qui permet d'éviter les courants d'air nuisibles à l'effet recherché, de limiter le volume à contrôler et de réaliser une fuite contrôlée vers l'extérieur. L'ensemble de distribution de gaz est réalisé de façon à assurer un débit de gaz important et uniformément réparti sur toute la surface couverte. En variante, la distribution de gaz peut être fractionnée en plusieurs éléments, le débit de chacun d'entre eux étant alors ajustable et mesurable. Une seconde partie 17 de l'ensemble de confinement est située autour du dispositif de coulée. Comme dans la partie 15, on trouve un ensemble de distribution de gaz protecteur et un dispositif de couverture 18 présentant des formes adaptées pour épouser celles du dispositif de coulée. La couverture 18 comporte des parties amovibles pour autoriser l'accès au dispositif de coulée et permettre son relevage ainsi que la prise d'échantillons, ainsi que des parties transparentes ou équipées de dispositifs de vision pour le contrôle visuel de la coulée par l'opérateur. Une troisième partie 19 de l'ensemble de confinement couvre une zone en aval du dispositif de coulée. Dans cette zone, le même principe de distribution de gaz protecteur de couverture que pour les parties 15 et 17 est appliqué. La longueur utile de cette partie 19 est égale ou supérieure à la distance au bout de laquelle la surface du lingot sera solidifiée et présentera une température inférieure à 400 C. Pour diminuer la longueur de cette zone, l'invention prévoit d'intégrer à la couverture un dispositif de refroidissement, par exemple par absorption du rayonnement thermique de la surface du lingot. L'efficacité de ce dispositif de refroidissement est prévue ajustable de façon à maîtriser le refroidissement en limitant la vitesse de refroidissement de la surface. En effet, un refroidissement trop rapide risquerait de conduire à la création de retassures. Gr&ce à l'ensemble de confinement selon l'invention, on assure une protection plus efficace du métal liquide de l'oxydation et de l'inflammation, on contrôle le refroidissement de la surface du lingot, en diminuant ainsi la durée de mise sous protection gazeuse de celui-ci, et on optimise la consommation du gaz protecteur. On comprendra que la description ci-dessus a été donnée à simple titre d'exemple, sans caractère limitatif, et que des modifications ou des adjonctions constructives pourraient y être apportées sans sortir du cadre de l'invention déterminé par les revendications annexées. 9 2781395 REVENDICATIONS 1. Système pour couler un métal liquide non ferreux dans une succession de moules (13) disposés à des écartements constants, caractérisé en ce qu'il comprend: - un dispositif de coulée constitué par un auget de coulée et une roue de coulée (11), le dit auget de coulée comprenant un bac (1) alimenté en métal liquide à la sortie du four et un bec de coulée (10) disposé à la sortie dudit bac (1), et la dite roue de coulée (11) comprenant sur sa périphérie une succession de godets (12) dont l'espacement correspond au pas entre les dits moules (13), chaque godet (12) venant successivement en regard du bec de coulée (10) pour recevoir le flux de métal liquide provenant du bac (1) et le déposer dans le moule (13) situé sous le dit godet (12), et - un ensemble de confinement (15,17,19) recouvrant la zone qui entoure le dispositif de coulée pour protéger le métal liquide de l'oxydation et de l'inflammation, caractérisé en ce que le bac de coulée (1) est équipé d'un dispositif de réglage du débit de métal vers le bec de coulée (10), ce dispositif de réglage pouvant être asservi à une mesure du niveau de métal liquide dans les moules (8) ou dans le bec de coulée (5). 2. Système pour couler un métal liquide selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit ensemble de confinement (15,17,19) comprend, en amont du dispositif de coulée et à l'intérieur d'un espace fermé (16), un premier ensemble de distribution de gaz inertant pour remplacer l'air atmosphérique contenu dans les moules (13) situés en amont par du gaz protecteur. 3. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dit ensemble de confinement comprend, autour du 2781395 dispositif de coulée, un second ensemble de distribution de gaz inertant disposé à l'intérieur d'un système de couverture (18) dont la forme épouse celle du dispositif de coulée. 4. Système pour couler un métal liquide selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dit système de couverture (18) comporte des parties amovibles et des parties transparentes ou équipées de dispositifs de vision. 5. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dit ensemble de confinement (15,17,19) comprend, en aval du dispositif de coulée, une zone couverte de distribution de gaz protecteur, la dite zone étant d'une longueur supérieure ou égale à la distance au bout de laquelle le lingot contenu dans le moule (13) est solidifié et se trouve à une température inférieure à 4000C. 6. Système pour couler un métal liquide selon la revendication 5, caractérisé par un système de refroidissement intégré à la dite zone pour en diminuer la longueur, le dit système de refroidissement pouvant être réglable pour limiter la vitesse de refroidissement du métal. 7. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bac de coulée (1) est équipé d'un dispositif de réglage du débit de métal (8) vers le bec de coulée (10), ce dispositif de réglage pouvant être asservi à une mesure du niveau de métal liquide dans les moules (13) ou dans le bec de coulée (10). 8. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dit bac (1) de l'auget de coulée est fermé et équipé intérieurement d'un dispositif anti-oxydation par injection d'un mélange gazeux protecteur. 9. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 11 2781395 que le bac de coulée (1) comporte un dispositif de mesure du niveau de métal liquide 9 auquel est asservi le dispositif d'alimentation du bac 1 en métal liquide, pour assurer un débit de métal liquide au bec de coulée (10) aussi constant que possible. 10. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bac de coulée (1) comporte un système de chauffage, notamment électrique, assurant un préchauffage jusqu'à fusion du métal liquide avant le début de la coulée. 11. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bec de coulée (10) est d'une largeur qui n'est pas supérieure au pas entre les moules (13), la forme de l'extrémité du dit bec (10) assurant avec celle de la roue de coulée (11) un minimum de discontinuité dans l'écoulement du métal. 12. Système pour couler un métal liquide selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il s'applique particulièrement au magnésium.