Brevet FR2779673A1 — publié le 19991217

Mannecquin d'une installation de coulée continue en lingotière. L'invention se rapporte à un mannequin d'une installation de coulée continue en lingotière. Une partie d'une installation de ce type, représentée schématiquement sur la figure 1, comporte classiquement un répartiteur 1 qui fournit du métal en fusion, comme par exemple un acier, à une lingotière 3. La lingotière est un tube qui a une section définie, généralement de forme carrée, permettant d'obtenir par moulage des barres du matériau coulé, de grande longueur et d'un seul tenant. Avant le démarrage d'une coulée, la tête d'un mannequin est introduite dans la lingotière pour l'obstruer. Le mannequin est une poutre qui peut coulisser dans la lingotière, de manière à permettre, au début de la coulée, l'extraction du métal qui vient se solidifier au contact des parois de la lingotière et de la tête du mannequin. Le mannequin est classiquement entraîné par des rouleaux d'entraînement motorisés R qui exercent sur lui un effort de traction. Dès que les rouleaux d'entraînement sont en mesure d'assurer l'entraînement de la barre moulée, le mannequin est alors détaché de la barre. Pour assurer l'extraction du métal solidifié, la tête du mannequin est pourvue de moyens d'ancrage sur lesquels peut venir s'accrocher le métal solidifié, afin de transmettre à celui-ci l'effort de traction exercé sur le mannequin. On connaît un premier moyen d'ancrage, montré schématiquement sur la figure 2, qui est généralement utilisé dans les installations de coulée continue en courbe. La tête du mannequin 4 comporte un crochet 5 constituant un insert qui sera moulé dans le métal solidifié. Un couple de décrochage, repéré par la flèche F1, est exercé sur le mannequin pour libérer le crochet du métal solidifié. On connaît également d'autres moyens d'ancrage, représentés sur les figures 3 et 4, qui sont généralement utilisés dans les installations de coulée continue verticale. Comme le montre la figure 3, un trou conique taraudé 6 est réalisé dans la tête du mannequin 3. Le métal en fusion 2 pénètre dans le trou 6 afin de former une extrémité filetée de métal solidifié, ce qui assure l'accrochage du métal solidifié avec le filetage du mannequin. Pour décrocher le mannequin, on exerce sur lui un couple de dévissage repéré par la flèche F2. L'autre moyen d'ancrage (voir figure 4) est un clou 7 dont l'une de ses extrémités est verrouillée sur la tête du mannequin de manière connue en soi, comme par exemple par une vis pointeau 8, et l'autre extrémité du clou est pourvue d'une tête qui se retrouve moulée dans le métal solidifié. Pour décrocher le mannequin, on déverrouille la vis pointeau 8 pour libérer le clou 7. Les systèmes d'ancrage présentés n'assurent pas un ancrage fiable du métal solidifié avec la tête du mannequin. En effet, la couche périphérique du métal, en contact avec la tête du mannequin et les parois de la lingotière, forme en quelque sorte une peau de métal solidifiée dont le coeur n'est pas suffisamment refroidi et, de ce fait, est encore liquide. L'accrochage peut être fragile si le métal n'est pas suffisamment solidifié pour assurer une prise correcte et lorsque l'effort de traction est exercé sur le mannequin, cela peut provoquer un arrachement de l'accrochage. Il peut s'ensuivre un écoulement du coeur, encore liquide, du métal coulé dans l'installation de coulée continue, ce qui est dangereux et préjudiciable puisque les préparatifs de la coulée sont à refaire. C'est pourquoi on utilise de la mitraille M, comme par exemple des bouts de barre d'acier, pour accélérer le refroidissement du métal en fusion au niveau de la tête du mannequin. Mais, la mitraille provoque nécessairement une pollution locale du métal coulé. Cela induit une augmentation du taux de déchets de la barre coulée, notamment parce qu'il faut éliminer par découpe la partie polluée du métal. Les manipulations pour décrocher rapidement le mannequin ne sont pas simples à effectuer. Par ailleurs, l'utilisation systématique de la mitraille engendre un coût supplémentaire. L'invention a pour but de supprimer, ou au moins limiter, les problèmes évoqués ci-dessus et vise à améliorer la fiabilité de l'ancrage de la tête du mannequin avec le métal solidifié. Avec ces objectifs en vue, l'invention a pour objet un mannequin d'une installation de coulée continue en lingotière, la lingotière étant un tube dans lequel est versé un métal en fusion et qui est bouché, au démarrage de la coulée, par la tête du mannequin, caractérisé en ce que la tête du mannequin comporte une chambre débouchant dans une face supérieure d'une partie frontale de la tête, les parois de la chambre comportant des griffes qui sont mobiles transversalement entre une position avancée dans laquelle les griffes sont engagées dans la chambre et une position retirée dans laquelle les griffes libèrent entièrement le volume de la chambre. Préférentiellement, le mannequin comporte un accumulateur de chaleur s'étendant vers le bas à partir de la partie frontale, l'accumulateur de chaleur étant constitué d'une masse d'un matériau à forte conductibilité thermique pour évacuer et accumuler, à distance de la partie frontale, le flux de chaleur engendré lors de la solidification du métal en fusion. Par ailleurs, la face supérieure de la partie frontale est préférentiellement ondulée pour augmenter, dans une direction longitudinale, sa surface de contact. L'invention permet donc d'accroître l'échange thermique entre le métal en fusion et la tête du mannequin en augmentant les surfaces de contact. Cette disposition permet d'accélérer sensiblement le refroidissement et la solidification du métal en fusion, et donc, de supprimer l'utilisation systématique de mitraille. L'accumulateur de chaleur peut par exemple être réalisé dans un bloc en cuivre ou en alliage de cuivre. De manière à éviter une détérioration de la partie frontale de la tête du mannequin, principalement provoquée par la température élevée du métal en fusion en contact avec la partie frontale, l'accumulateur de chaleur est massif, c'est à dire qu'il peut diffuser rapidement, à partir de la partie frontale, le flux de chaleur vers l'intérieur du mannequin. Cette disposition permet de maintenir la température de la partie frontale à un niveau de température acceptable. Selon un mode de réalisation préféré, les parois de la chambre sont constituées de deux mâchoires qui sont montées articulées sur le mannequin autour d'axes de pivotement parallèles, entre une position ouverte et une position fermée dans laquelle les mâchoires sont appliquées l'une contre l'autre, et dans lesquelles sont réalisées des empreintes formant conjointement la chambre. Préférentiellement, dans ce mode de réalisation, la face supérieure des mâchoires est incurvée pour augmenter, dans une direction transversale, sa surface de contact et, par ailleurs, la tête du mannequin comporte une broche formant un puits de chaleur pour évacuer les calories du métal en fusion contenu dans la chambre. La tête du mannequin forme un moule qui est réalisé en deux parties, c'est à dire par les deux mâchoires articulées, qui sont maintenues en contact l'une contre l'autre par des verrous. Le plan de joint du moule est un plan de symétrie pour les mâchoires. Les empreintes, qui forment conjointement la chambre, sont réalisées dans chacune des mâchoires. Au début d'une coulée, les mâchoires sont en position fermée et l'empreinte du moule est remplie de métal en fusion qui est suffisamment refroidi par la partie frontale de la tête et par la broche pour assurer une solidification rapide. La partie frontale de la tête, le fond de la chambre et la broche pourront être réalisés dans du cuivre ou dans un alliage de cuivre. L'extraction de la barre coulée est assurée par les griffes. Pour décrocher le mannequin, on déverrouille les verrous, manuellement ou par des moyens de commande automatiques, pour permettre le basculement des deux mâchoires. Par ailleurs, la tête du mannequin peut comporter des sondes de mesure de température. Les sondes de températures, comme par exemple un thermocouple, seront disposées et agencées pour permettre une mesure de la température du métal solidifié et le degré de solidification du métal coulé, par exemple au niveau de la face supérieure du mannequin et à l'intérieur de la chambre. Cette disposition va permettre de surveiller la température de la tête du mannequin et en conséquence, de pouvoir déterminer l'instant opportun à partir duquel on va pouvoir exercer l'effort de traction sur le mannequin. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va être faîte à titre d'exemple d'un mannequin d'une installation de coulée continue en lingotière conforme à l'invention. On se reportera aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue de face d'une partie d'une installation de coulée continue, - les figures 2 à 4 illustrent différents exemples de moyens d'ancrage des mannequins selon l'état de la technique connu, - la figure 5 est une vue schématique en perspective écorchée de la tête du mannequin selon l'invention, - la figure 6 est une vue de droite de la tête du mannequin de la figure 4, - la figure 7 est une vue de dessus de la tête du mannequin de la figure 4, - la figure 8 est une vue de face en coupe de la tête du mannequin de la figure 4, montrant les mâchoires dans les positions extrêmes d'utilisation, c'est à dire la position fermée et la position ouverte qui est repérée par un trait en pointillé, - les figures 9 et 10 sont des vues de face de la tête du mannequin de la figure 4, montrant les verrous, - la figure 11 est une vue montrant une variante de réalisation du verrouillage des mâchoires, - les figures 12 et 14 sont des vues schématiques de variantes de réalisation de la tête du mannequin, la figure 13 est une vue schématique de la tête du mannequin, montrant l'utilisation de sondes de mesure de la température. On ne reviendra pas ici sur la description des figures 1 à 4 (montrant schématiquement une partie d'une installation de coulée continue et différents systèmes d'ancrage connus) qui a été faite en introduction lors de la présentation de la technique connue. La figure 5 représente l'intérieur de la lingotière 3 de l'installation de coulée continue, selon une coupe longitudinale. Classiquement, la lingotière est un tube dans lequel est versé un métal en fusion 2 afin d'obtenir par moulage des barres d'acier qui seront ensuite découpées pour obtenir des billettes. Avant le démarrage d'une coulée, la lingotière est obstruée par la tête 9 du mannequin 3, celui-ci étant monté coulissant dans la lingotière pour assurer par la suite l'extraction du métal solidifié. La tête du mannequin comporte deux mâchoires 90 qui constituent les deux parties d'un moule et qui sont réalisées pour leur plus grande partie dans un acier inoxydable réfractaire, tel que celui couramment désigné Z8CN25-20. L'acier utilisé permet d'assurer la résistance mécanique des mâchoires, particulièrement en résistant aux déformations sous des températures élevées, et d'empêcher l'oxydation. Le plan de joint du moule, désigné P, est un plan de symétrie pour les deux mâchoires. Chaque mâchoire est montée pivotante, par l'une de ses extrémités, sur le mannequin autour d'un axe de pivotement A constitué par un arbre cylindrique 91. Comme le montre plus précisément les figures 9 et 10, les deux mâchoires 90 peuvent basculer autour des axes de pivotement entre une position fermée, dans laquelle les deux mâchoires sont appliquées l'une contre l'autre et maintenue dans cette position par des verrous 10, et une position ouverte. Pour permettre le basculement des deux mâchoires lors de l'ouverture, les bords latéraux 40 du mannequin 4 sont chanfreinés. L'articulation de chaque mâchoire est réalisée comme une charnière (voir figure 6). Cette disposition permet de disposer d'un nombre important de sections d'arbre, repérées Sc, sur lesquelles s'exercent les contraintes de cisaillement, de manière à répartir la contrainte de cisaillement uniformément sur l'arbre 91 lors de l'application de l'effort de traction Ft sur le mannequin. Une chambre 92, formée de deux demi-chambres qui sont réalisées dans chaque mâchoire 90 et qui constituent conjointement la dite chambre lorsque les deux mâchoires sont en position fermée, constitue l'empreinte du moule, d'une forme générale paralélépipédique. La chambre débouche dans la face supérieure 930 de la partie frontale 93 de chaque mâchoire (voir figure 7). Des griffes 94, permettant la transmission de l'effort de traction au métal solidifié, sont formées par des saillies s'étendant à partir des parois de la chambre. Au démarrage de la coulée, la chambre est remplie de métal en fusion afin de réaliser une connexion entre la tête du mannequin et le métal qui vient se solidifier au contact de celle-ci (voir figure 8). Comme le montre également cette figure, pour assurer le démoulage de l'extrémité de la barre qui vient d'être coulée, afin de permettre l'ouverture des mâchoires, la face supérieure 930 de la partie frontale 93, une face 920 du fond de la chambre, ainsi que des parois de celle-ci, sont incurvées. Pour accélérer la solidification du métal en fusion au contact de la tête du mannequin, la partie frontale 93 de la tête est une couche d'un matériau à forte conductibilité thermique, comme par exemple du cuivre ou un alliage de cuivre contenant du chrome et du zirconium. Par ailleurs, le fond de la chambre est également réalisé dans un matériau à forte conductibilité thermique, par exemple identique à celui de la partie frontale. La face supérieure de la partie frontale de chaque mâchoire est ondulée de manière à augmenter, dans une direction longitudinale (repérée par la flèche L au bas de la figure 5), la surface de contact avec le métal en fusion, afin de favoriser les échanges thermiques. Par ailleurs, la face supérieure de chaque machoire est incurvée, dans une direction transversale (repérée par la flèche T au bas de la figure 5) pour augmenter également la surface de contact et assurer le décrochage de la tête du mannequin. La partie frontale 93 de chaque mâchoire 90 et le fond de la chambre 92 sont par exemple des éléments préfabriqués rapportés qui sont fixés sur les machoires, de manière connue en soi. A titre d'exemple, on pourra utiliser un système de fixation de type tenon- mortaise, comme montré schématiquement sur la figure 8, dans lequel des tenons formant une partie mâle, qui sont réalisés sur les éléments préfabriqués, peuvent s'emmancher dans des mortaises d'une largeur déterminée, formant une partie femelle, réalisées dans les machoires. Pour assurer la liaison mécanique du montage, on pourra utiliser une technique d'emmanchement à chaud qui consiste à dilater la partie femelle en la chauffant puis à y engager la partie mâle, celle-ci étant d'une largeur sensiblement supérieure à celle de la partie mâle et, dès que l'assemblage est réalisé, de laisser l'ensemble refroidir, de manière qu'un effort de compression s'exerce sur les flancs latéraux des tenons lors du refroidissement de la mortaise. L'ajustement entre les différents éléments sera déterminé de manière à éviter le démanchement du montage décrit ci-dessus, en cours d'utilisation normale et, principalement, sous les températures importantes d'utilisation. En cas d'usure excessive, on pourra procéder au démontage de la partie frontale de chaque mâchoire et le fond de la chambre pour les remplacer ou procéder à un rechargement, c'est à dire de déposer des couches successives de soudure sur les parties des mâchoires en contact avec le métal en fusion, puis d'usiner celles-ci afin de les mettre en forme. L'épaisseur de la partie frontale et du fond de la chambre doit être suffisante, de manière à former un accumulateur de chaleur massif dans un matériau à forte conductibilité thermique. De manière spécifique à l'invention, la chaleur dégagée par le métal en fusion ne s'accumule pas au niveau de la face supérieure de la partie frontale de chaque mâchoire, afin d'éviter la détérioration et la déformation du matériau directement au contact du métal en fusion. Le flux de chaleur tend à diffuser à l'intérieur de la partie frontale massive, ainsi que dans le fond. Cette disposition permet de maintenir la température de la partie frontale à un niveau de température acceptable. Par ailleurs, également de manière spécifique à l'invention, on utilise une broche 11 de forme cylindrique qui constitue un puits de chaleur permettant d'améliorer efficacement l'évacuation des calories, afin de solidifier encore plus rapidement le métal en fusion qui est versé dans la chambre, au démarrage de la coulée. Pour favoriser les échanges thermiques, l'extrémité de la broche est en forme d'une demi-sphère, afin d'augmenter la surface de contact. La broche 11 est réalisée dans un matériau à forte conductibilité thermique, comme par exemple du cuivre ou un alliage de cuivre Il est à noter qu'une broche similaire à celle de qui vient d'être décrite peut également s'appliquer aux mannequins de la technique antérieure. En effet, la broche peut être directement incorporée dans l'extrémité d'un mannequin connu de l'état de la technique, par exemple sous la forme d'un bloc d'un matériau à forte conductibilité thermique, comme par exemple du cuivre ou alliage de cuivre, de manière à accélérer le refroidissement du métal en fusion. Lorsque les deux mâchoires sont appliquées l'une contre l'autre, le plan de joint est suffisamment étanche pour empêcher toute fuite de métal en fusion, de manière à éviter les perturbations résultantes, et empêcher en particulier toute soudure susceptible de se former sur des éléments mobiles et qui serait très nuisible, par exemple, lors de l'ouverture des mâchoires. Il est à noter que les axes d'articulation des mâchoires, tels que représentés sur les dessins, sont situés à distance du plan de joint et sont protégés contre toute projection de métal en fusion, ce qui permet d'éviter le problème évoqué ci-dessus. Comme le montrent les figures 9 et 10, on utilise deux verrous 10 qui sont situés latéralement de chaque coté de la tête. Les verrous sont insérés dans des logements 95 qui sont réalisés dans les mâchoires et y sont montés pivotant, par l'une de leurs extrémités, autour d'un axe de pivotement B. La commande de déverrouillage de chaque verrou est manuelle, c'est à dire que l'on utilise un outil approprié qui peut s'engager dans une encoche 101 réalisée dans le verrou, afin d'y exercer un effort pour faire pivoter le dit verrou. L'autre extrémité du verrou comporte un crochet 102 qui s'engage en position de verrouillage avec un premier épaulement 951 réalisé dans le bord du logement. La dite extrémité du verrou comporte également une butée 103 qui coopère avec un deuxième épaulement 952, réalisé dans le bord du logement, lors de l'ouverture des deux mâchoires pour en limiter le débattement angulaire (voir figure ). La fermeture et l'ouverture des deux mâchoires peut aussi s'effectuer de manière automatique, c'est à dire en utilisant des moyens de commande, tels que ceux représentés à titre d'exemple sur la figure 11. Pour cela, on pourra utiliser l'extrémité en forme de came 130 d'une tringle qui peut coulisser axialement, selon la direction du mannequin, dans un logement réalisé au niveau de la séparation entre les deux mâchoires. En coulissant, la came peut venir au contact des parois du logement, ce qui assure l'écartement ou le rapprochement des mâchoires selon le sens de déplacement de la came (flèches F4). La figure 12 montre une variante de réalisation de la forme de la chambre 92. Celle-ci peut donc avoir une forme en entonnoir dont les parois sont ondulées pour assurer la liaison entre le métal solidifié la tête du mannequin et, par ailleurs augmenter les surfaces de contact. La figure 14 montre une variante de réalisation simplifiée de la tête du mannequin. La chambre 92 est directement réalisée sous la forme d'un trou dans la partie frontale de l'extrémité du mannequin. La face supérieure 930 de la partie frontale 93 reste ondulée et courbe, pour assurer les fonctions précédemment décrites, et des vis 940 traversent sensiblement radialement la paroi de la chambre pour s'engager à l'intérieur de celle-ci. Les vis constituent les griffes pour transmettre au métal solidifié l'effort de traction exercé sur le mannequin. Pour décrocher le mannequin, les vis sont retirées de manière à libérer totalement le volume de la chambre. On utilise également la broche 11 pour assurer la solidification du métal en fusion versé dans la chambre. En vue d'assurer une surveillance de la température de la tête du mannequin et du degré de solidification du métal en fusion, pour déterminer par exemple le moment opportun pour appliquer l'effort de traction sur le mannequin, on pourra utiliser des sondes de mesures de la température, désignées ST, tels que des thermocouples. Il est à noter que des sondes de mesure similaires à celles décrites dans la présente invention pourront être utilisées dans des mannequins comportant un accumulateur de chaleur, c'est à dire une partie massive dans un matériau à forte conductibilité thermique, comme par exemple du cuivre ou alliage de cuivre. REVENDICATIONS 1. Mannequin (4) d'une installation de coulée continue en lingotière (3), la lingotière (3) étant un tube dans lequel est versé un métal en fusion (2) et qui est bouché, au démarrage de la coulée, par la tête (9) du mannequin (4), caractérisé en ce que la tête du mannequin comporte une chambre (92) débouchant dans une face supérieure (930) d'une partie frontale (93) de la tête, les parois de la chambre comportant des griffes (94, 940) qui sont mobiles transversalement entre une position avancée dans laquelle les griffes sont engagées dans la chambre et une position retirée dans laquelle les griffes libèrent entièrement le volume de la chambre. 2. Mannequin selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un accumulateur de chaleur (11) s'étendant vers le bas à partir de la partie frontale, l'accumulateur de chaleur étant constitué d'une masse d'un matériau à forte conductibilité thermique pour évacuer et accumuler, à distance de la partie frontale (93), le flux de chaleur engendré lors de la solidification du métal en fusion. 3. Mannequin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face supérieure (930) de la partie frontale est ondulée pour augmenter, dans une direction longitudinale (D), sa surface de contact. 4. Mannequin selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois de la chambre sont constituées de deux mâchoires (90) qui sont montées articulées sur le mannequin autour d'axes de pivotement (91) parallèles, entre une position ouverte et une position fermée dans laquelle les mâchoires sont appliquées l'une contre l'autre, et dans lesquelles sont réalisées des empreintes formant conjointement la chambre (92). 5. Mannequin selon la revendication 1, caractérisé en ce que des moyens de commande (13, 131) sont prévus pour faire pivoter les mâchoires. 6. Mannequin selon la revendication 4, caractérisé en ce que les griffes (94) sont formées par des saillies s'étendant à partir des parois de la chambre. 7. Mannequin selon la revendication 4, caractérisé en ce que la face supérieure (930) des mâchoires est incurvée pour augmenter, dans une direction transversale (T), sa surface de contact. 8. Mannequin selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une broche (11) formant un puits de chaleur pour évacuer les calories du métal en fusion (2) contenu dans la chambre (92). 9. Mannequin selon la revendication 4, caractérisé en ce que les mâchoires (90) sont maintenues en position fermée par des verrous (10) qui sont situés de part et d'autre de la tête et qui sont montés pivotant dans des logements (95) réalisés dans les mâchoires (90). 10. Mannequin selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête (9) comporte des sondes de mesure de la température (ST).