Brevet FR2809643A1 — publié le 20011207

La présente invention concerne un procédé et dispositif pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux, notamment du magnésium liquide, dans les installations mettant en oeuvre ces métaux et leurs alliages. Il est connu, dans les machines de coulée mettant en oeuvre des métaux non ferreux, et notamment du magnésium fondu, de protéger la surface du métal fondu contre l'oxydation et l'inflammation en diffusant un gaz ou un mélange gazeux ayant des propriétés protectrices adaptées à la nature du métal. Les dispositifs assurant la diffusion du gaz de protection sont généralement constitués d'un réseau de tuyaux disposés au-dessus de la surface du métal à protéger qui sont pourvus d'orifices ou de buses de pulvérisation. Ces dispositifs sont généralement équipés d'éléments de couverture installés à l'intérieur d'une hotte afin de limiter les pertes de gaz par effets de convection dus à la température élevée de la surface du métal et aux déplacements de l'atmosphère environnante. Toutefois, ces systèmes restent assez ouverts, qui engendre une consommation de gaz importante. Ce phénomène est encore aggravé dans les machines de coulée de lingots ou de gueuse qui comportent des moules en mouvement et des organes de coulée encombrants et mobiles qui rendent encore plus difficile la couverture de la surface du métal fondu. Ces dispositifs utilisent les propriétés chimiques des gaz de protection qui forment par réaction avec le métal fondu une couche de composés métalliques à la surface dudit métal. Dans une application protectrice du magnésium, ces mélanges de gaz de protection comportent généralement des constituants gazeux tels que SF6, S02, ou BF3, dont les réactions chimiques avec le magnésium sont suffisamment importantes pour compenser la dispersion rapide du mélange gazeux vers l'atmosphère. Toutefois, ces constituants présentent de nombreux inconvénients car ils sont généralement corrosifs, coûteux et nuisibles à l'environnement. Il est par ailleurs possible d'utiliser d'autres mélanges gazeux ne comportant pas de tels gaz mais du C02, des gaz oxydants, des gaz inertes tels que l'argon des gaz lourds tels que le xénon des mélanges comportant des proportions variables de ces différents Mais la réaction chimique de tels mélanges avec le magnésium étant moins importante qu'avec les gaz cités précédemment, la couche protectrice créée en surface du métal fondu est moins efficace, et il faut alors considérablement augmenter les débits mis en oeuvre pour obtenir une protection suffisante. 4n voit donc que l'efficacité d'un dispositif de protection peut dépendre de deux facteurs 1) les réactions chimiques de certains constituants du mélange gazeux de protection avec le métal fondu à protéger ; 2) le remplacement de l'atmosphère ambiante, au voisinage de la surface du métal fondu, par un mélange gazeux de protection moins réactif chimiquement mais isolant la surface des effets des composants de l'air (principalement l'oxygène et l'azote). Les dispositifs existants utilisent de façon presque exclusive le premier de deux facteurs. La présente invention a pour objectif principal de mettre en oeuvre le deuxième facteur permettant ainsi d'utiliser avec efficacité des mélanges gazeux de moindre réactivité chimique. Elle exclut pas pour autant l'utilisation de mélanges plus réactifs ( S02, etc.) qui augmente l'efficacité et le rendement en terme de consommation. Ce but est atteint selon l'invention au moyen d'un procédé pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux coulé dans un moule éventuellement mobile en translation, caractérisé en ce qu' - on chasse l'air ambiant de l'intérieur du moule en y injectant avant introduction du métal, un mélange gazeux formant une atmosphère protectrice, - on coule le métal dans le moule sous atmosphère protectrice confinée, et - maintient le confinement de l'atmosphère protectrice en distribuant mélange gazeux dans le moule de façon continue de telle sorte que le flux gazeux perpendiculaire à la surface du métal fondu soit supérieur à la vitesse ascensionnelle de convection naturelle et que le débit de fuite du mélange gazeux soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant ' l'intérieur du moule. Selon un mode réalisation spécifique, on distribue le mélange gazeux sous forme de jets perpendiculaires à la surface du métal fondu en prenant soin de limiter la profondeur de pénétration desdits jets dans le métal à 1 mm. Selon une variante, lesdits jets sont produits par au moins une rampe pourvue d'orifices d'échappement régulièrement espacés. De préférence, le rapport des distances entre deux orifices d'échappement adjacents, d'une part, et entre chaque orifice et la surface libre du métal fondu, d'autre part, est compris entre 0,25 et 0,60 de façon à assurer une homogénéisation et une répartition satisfaisantes du mélange gazeux dans le moule. De même, le rapport de la distance entre deux orifices d'échappement adjacents au diamètre desdits orifices est compris entre 4 et 7. Selon une caractéristique avantageuse, on chasse l'air ambiant à l'intérieur du moule avec un débit d'injection du mélange gazeux tel que la vitesse du gaz au fond du moule soit supérieure ou égale à 0,3 m/s. Selon une autre caractéristique, le rapport des énergies cinétiques respectives du flux gazeux distribué et du flux gazeux déplacé par le moule est supérieur ou égal à 100. Un autre objet de l'invention est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini * dessus. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend - un capot dont les dimensions sont adaptées à celles du moule et qui porte au moins une rampe de distribution d'un mélange gazeux, - une goulotte centrale pour la coulée du métal, - un élément d'étanchéité pour limiter les fuites d'atmosphère protectrice, et - un élément pour positionnement dudit capot sur le moule. Selon une variante, ledit élément d'étanchéité est constitué d'un cordon périphérique formant joint, réalisé en un matériau résistant à des températures comprises entre 700 et 800 C, et destiné à venir en appui sur le pourtour du moule. Selon une autre variante, ledit élément de positionnement constitué d'une jupe latérale destinée à envelopper le pourtour moule. Selon encore une autre variante, le capot porte quatre rampes parallèles raccordées à un collecteur d'alimentation transversal. Le procédé de l'invention permet de maintenir et densifier l'atmosphère protectrice au contact du métal fondu selon un mode dynamique, en assurant un effet de barrière vis-à-vis des agents pyrogènes. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins sur lesquels - les figures 1A et 1B représentent respectivement des vues en coupe et de dessus d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention ; les figures 2 et 3 représentent des vues de détail en coupe de deux variantes de réalisation de l'invention. procédé de l'invention s'applique à la protection d'un métal fondu tel que du magnésium dans un moule fixe ou mobile. Le moule 1, représenté vide sur la figure 1A, reçoit un capot 2 qui est équipé d'un élément de positionnement tel qu'une jupe latérale 10 destinée à envelopper le pourtour du moule en vue d'assurer son centrage. Un élément d'étanchéité sous forme d'un joint venant en appui sur le pourtour 1 du moule permet de limiter les fuites de l'atmosphère protectrice vers l'extérieur. Le joint est ici constitué d'un cordon périphérique 4 réalisé avec un matériau réfractaire, éventuellement fibreux tout autre matériau résistant à la chaleur, les températures atteintes les métaux légers fondus se situant généralement dans la gamme de 700 à 800 C. Le capot 2 est équipé d'au moins une, et ici de quatre rampes 3 de distribution du mélange gazeux de protection. Les rampes 3 sont formées de tubulures percées d'orifices 5 qui sont, le cas échéant, munis de buses de pulvérisation. Les orifices 5 sont espacés régulièrement sur les rampes 3 selon un entraxe E1 et les rampes sont espacées entre elles selon entraxe E2. rampes 3 sont toutes raccordées à un collecteur d'alimentation transversal 7, l'ensemble du dispositif étant dimensionné de manière à assurer une répartition régulière de l'alimentation en mélange gazeux 8 dans les différents orifices 5. Le capot 2 est équipé d'une ouverture permettant le passage d'une goulotte de coulée du métal fondu 9. Cette ouverture peut également être munie d'un joint de même nature que celui du capot 4. Les orifices 5 de distribution du mélange gazeux sont donc situés à une distance H1 du fond du moule 1 vide et à une distance H2 de la surface libre du métal fondu après remplissage du moule 1. La structure du capot 2 peut être surélevée ou surbaissée comme montrent respectivement les figures 2 et 3 de façon ' ce que les distances respectives Hl et H2 permettent de respecter contraintes suivantes caractéristiques du procédé de l'invention I. Soit V1 la vitesse d'injection du gaz dans le moule à chaque orifice (5) et V2 la vitesse résultante à la distance H1 V 1 doit être suffisante pour que V2 soit supérieure ou égale à 3 mètre par seconde (à noter que pour V1 et H1 constants, V2 dépend diamètre des orifices 5 ) ce qui permet une chasse efficace de l'air ambiant avant l'introduction du métal fondu. II. H2 est déterminée de telle sorte que la vitesse V1' du flux gazeux frappant perpendiculairement la surface du métal soit supérieure égale à la vitesse ascensionnelle du gaz engendrée par la convection naturelle, ce qui permet d'éviter les phénomènes de stratification (à noter que cette vitesse ascensionnelle dépend de l'intervalle E2 entre les rampes 3). III. Pour V1' calculée précédemment, la hauteur de poinçonnement de la surface du métal fondu, dû à l'impact du jet, ne doit pas dépasser une valeur de 0,1 mm. IV. Le rapport El/H2 doit être entre 0,25 et 0,60 afin d'assurer bonne homogénéisation des constituants gazeux du mélange et une répartition suffisante de ceux-ci à la surface du métal fondu. V. Le rapport de l'écartement El des orifices au diamètre de ceux ' doit être compris entre 4 et 7. respect des conditions ci-dessus conduit à la détermination des valeurs de E1,E2,H1,H2,V1, ainsi qu'à celle du diamètre orifices 5. On en déduira la valeur du débit de mélange gazeux à injecter. L'ensemble des sections de fuite vers l'extérieur du moule constituées par les imperfections des joints 4 et les autres fuites possibles de construction (passage de la goulotte de remplissage métal, etc.) doit être calculé pour que, compte tenu du débit d'alimentation en gaz de protection 8 calculé précédemment, le débit fuite du mélange gazeux vers l'extérieur soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant vers l'intérieur du moule et que, par conséquent, chaque zone du moule soit maintenue en légère surpression. Le procédé s'adapte également à la coulée de lingots ou de gueuses en continu ou semi-continu telle qu'elle est couramment pratiquée dans l'industrie. Dans ce cas, en plus de toutes les conditions précédentes, le dispositif doit satisfaire à la condition supplémentaire suivante. VI. Le rapport des énergies cinétiques respectives du flux gazeux distribué et du flux gazeux déplacé par le moule doit être supérieur ou égal à 100 de façon à éviter toute perturbation l'injection. Il a été mené une série d'expériences dans lesquelles des lingots ont été coulés avec un dispositif selon l'invention réalisé conformément aux contraintes exprimées plus haut. Ces expériences ont été menées en coulant du magnésium fondu ainsi que des alliages de magnésium de type AZ91D. résultats ont été très satisfaisants y compris en utilisant des mélanges gazeux chimiquement peu réactifs constitués, par exemple de - 78% de C02 - 21% d'argon - 0,9% d'oxygène - 0,1 de Xénon ou encore de - 79% de C02 - 20% d'argon - 1 % de krypton. Il a également ' " mené une série d'expériences sur un convoyeur de coulée lingots en grandeur réelle, équipé d'un dispositif conforme aux critères de la présente invention. Là encore les résultats obtenus ont été très satisfaisants avec des mélanges gazeux de même type que ceux décrits ci-dessus. Dans ces expériences, les paramètres utilisés avec succès ont été les suivants El= 33 mm E2 = 135 mm V 1 = 1 m/s Hl = 90 mm H2 = 20 mm dans la zone coulée puis 57 mm dans la zone de refroidissement - diamètre des orifices de distribution = 5 mm - nombre d'orifices rampe = 20 - débit de gaz d'une rampe pour la coulée d'un lingot de 8Kg = 24 drn3 /mn - profondeur de pénétration des jets de gaz dans le métal liquide = 0,05 mm - rapport E1/H2 = 0,58 - rapport - distance des orifices sur diamètre = 6,6 - V2 = 0,37 m/s - rapport des énergies cinétiques flux distribué sur flux déplacé = 131 REVENDICATIONS 1. Procédé pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux coulé dans un moule éventuellement mobile en translation, caractérisé en ce qu' - on chasse l'air ambiant de l'intérieur du moule en y injectant avant introduction du métal, un mélange gazeux formant une atmosphère protectrice, - on coule le métal dans le moule sous atmosphère protectrice confinée, et - maintient le confinement de l'atmosphère protectrice en distribuant mélange gazeux dans le moule de façon continue de telle sorte que le flux gazeux perpendiculaire à la surface du métal fondu soit supérieur à la vitesse ascensionnelle de convection naturelle et que le débit de fuite du mélange gazeux soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant à l'intérieur du moule. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on distribue le 'lange gazeux sous forme de jets perpendiculaires à la surface du métal fondu en prenant soin de limiter la profondeur de pénétration desdits jets dans le métal à 0,1 mm. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits jets sont produits par au moins une rampe pourvue d'orifices d'échappement régulièrement espacés. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport des distances entre deux orifices d'échappement adjacents, d'une part, et entre chaque orifice et la surface libre du métal fondu, d'autre part, est compris entre 0,25 et 0,60 de façon ' assurer une homogénéisation et une répartition satisfaisantes du mélange gazeux dans le moule. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le rapport de distance entre deux orifices d'échappement adjacents au diamètre desdits orifices est compris entre 4 et 7. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on chasse l'air ambiant à l'intérieur du moule avec un débit d'injection du mélange gazeux tel que la vitesse du gaz au fond du moule soit supérieure ou égale à 0,3 m/s. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport des énergies cinétiques respectives du flux gazeux distribué et du flux gazeux déplacé par le moule est supérieur égal à 100. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un capot (2) dont les dimensions sont adaptées à celles du moule (1) qui porte au moins une rampe de distribution (3) d'un mélange gazeux, - une goulotte centrale (9) pour la coulée du métal, - un élément d'étanchéité pour limiter les fuites d'atmosphère protectrice, et - un élément pour le positionnement du capot (2) sur ledit moule (1). Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément d'étanchéité est constitué d'un cordon périphérique (4) formant joint, réalisé en un matériau résistant à des températures comprises entre 700 et 800 C, et destiné à venir en appui sur le pourtour moule (1). 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé ce que ledit élément de positionnement est constitué d'une jupe latérale destinée à envelopper le pourtour du moule. 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le capot (2) porte quatre rampes parallèles raccordées à un collecteur d'alimentation transversal (7).