Brevet FR2898525A1 — publié le 20070921

B07-0640FR 1 Société dite : Aleris Aluminum Koblenz GmbH Distributeur destiné à un procédé de coulée de métal à haute température Invention de : VAN SCHOONEVELDT Hugo KIEFT René BAL Dico Priorité d'une demande de brevet européen déposée le 20 mars 2006 sous le n 06 075 688. 9 2 DISTRIBUTEUR DESTINE A UN PROCEDE DE COULEE DE METAL A HAUTE TEMPERATURE L'invention est relative à un distributeur destiné à un procédé de coulée de métal en fusion pour obtenir un lingot de métal, comprenant un fond et une paroi de forme globalement rectangulaire, la paroi comportant une première et une seconde parties formant parois longitudinales et une première et une seconde parties formant paroi transversale, le fond ayant une zone d'entrée dans laquelle, en service, le métal à haute température est introduit dans le distributeur et au moins une ouverture de fond, et les première et seconde parties formant paroi transversale ayant respectivement une première ouverture avant et une seconde ouverture avant. Ce distributeur est souvent utilisé dans l'industrie de l'aluminium pour mouler de l'aluminium en fusion sous la forme de lingots d'une configuration voulue. Le distributeur est placé à l'intérieur d'un moule de coulée et du métal en fusion est introduit dans le distributeur, surtout par l'intermédiaire d'un canal de coulée. Le distributeur a pour fonction de réguler la vitesse et la recirculation ainsi que les processus de solidification du métal en fusion dans le moule dans le but d'obtenir un lingot homogène. La forme la plus courante d'un distributeur est une poche en forme de 20 caisson en tissu de verre textile. Le fond et les parois sont en tissu de verre, lequel, en raison de sa densité de tissage, est imperméable au métal en fusion. Les divers orifices sont couverts de tissu de verre textile ouvert, qui sert de filtre pour empêcher la pénétration d'inclusions dans le lingot. Un problème posé par le distributeur en forme de poche souple selon la 25 technique antérieure est que, en raison de sa souplesse, il est difficile de maîtriser le passage du métal en fusion du distributeur au moule. En particulier, la macroségrégation, dans laquelle les concentrations des additifs et des éléments d'alliage changent dans la section transversale du lingot, est une préoccupation. La macroségrégation résulte d'une agitation insuffisante du métal en fusion dans le moule, du 30 fait d'une maîtrise insuffisante de l'écoulement à travers les divers orifices du distributeur et de la forme instable de la poche pendant la coulée. Un autre problème posé par la poche souple est qu'elle ne peut servir à mouler qu'un seul lingot, après quoi la poche doit être mise au rebut. Il en résulte des coûts élevés et un gaspillage, ce qui n'est pas souhaitable d'un point de vue 35 écologique. 3 La présente invention vise à réaliser un distributeur qui assure une meilleure maîtrise de l'écoulement dans le moule lorsqu'on coule un métal à haute température pour former un lingot. La présente invention vise également à réaliser un distributeur qui empêche 5 ou au moins réduise les écoulements indésirables dans le moule. La présente invention vise aussi à réaliser un distributeur pouvant servir à mouler plusieurs lingots. La présente invention vise en outre à réaliser un distributeur qui empêche ou au moins réduise la macro-ségrégation dans le moule. 10 Ces objectifs et d'autres objectifs et avantages sont atteints grâce à un distributeur qui, selon l'invention, est caractérisé en ce que le distributeur comprend en outre une première et une seconde plaques déflectrices, la première plaque déflectrice s'étendant entre l'ouverture du fond et la première partie formant paroi longitudinale et la seconde plaque déflectrice s'étendant entre l'ouverture du fond et 15 la seconde partie formant paroi longitudinale, ce qui constitue la raison pour laquelle le fond et la paroi sont en matière rigide. Les plaques déflectrices guident l'écoulement du métal en fusion. En choisissant avec soin la position et la forme des plaques déflectrices, on peut maîtriser l'écoulement dans la ou chacune des ouvertures du fond. 20 Comme le fond et la paroi sont en matière rigide, la forme du distributeur est stable et constante pendant la coulée. Dans une première forme de réalisation du distributeur selon l'invention, la matière rigide est une matière réfractaire, éventuellement renforcée par des fibres de verre. 25 Un distributeur en matière rigide peut facilement, après qu'un lingot a été coulé, être débarrassé des restes d'aluminium qui y sont demeurés. Le distributeur peut être réutilisé de nombreuses fois, ce qui permet une économie d'argent et limite la pollution de l'environnement. Dans une autre forme de réalisation, la première et la seconde plaques 30 déflectrices sont en matière rigide. Dans cette forme de réalisation, les plaques déflectrices ne se déforment pas pendant la coulée, ce qui contribue encore à améliorer la maîtrise de l'écoulement dans le moule. 4 Les plaques déflectrices rigides peuvent également être facilement nettoyées après chaque coulée et peuvent être réutilisées pour un certain nombre de coulées. Dans une forme de réalisation préférée, la première et la seconde plaques déflectrices s'étendent en biais dans la direction d'une partie formant paroi transversale. De préférence, les plaques déflectrices délimitent un espace ou une fente près de la partie formant paroi transversale. La configuration en biais des plaques déflectrices accroît la résistance à l'écoulement dans la direction du rétrécissement. Un résultat de cette configuration est que la vitesse de l'écoulement du métal en fusion au voisinage de la ou de chaque ouverture du fond est réduite, ce qui contribue à accroître l'écoulement dans la ou chaque ouverture du fond dans la direction du moule. L'accroissement de la résistance à l'écoulement provoque également un accroissement du niveau du bain d'aluminium dans le distributeur entre les plaques déflectrices dans la direction oblique, et donc également à une plus grande pression hydrostatique au niveau du fond et au niveau de la fente entre les plaques déflectrices à l'emplacement de la partie en biais à proximité de la partie formant paroi transversale. La plus grande pression hydrostatique accroît l'écoulement à travers la ou chaque ouverture du fond et la quantité de métal passant par la fente dans la direction de l'ouverture de la paroi transversale. La plus grande pression hydrostatique a un effet d'autostabilisation et d'autorégulation sur la quantité de métal passant par les ouvertures du distributeur et par la fente. Une autre forme de réalisation du distributeur selon l'invention est caractérisée en ce que la première et la seconde plaques déflectrices sont pourvues d'un passage près de la zone d'entrée pour permettre au métal à haute température de s'écouler dans la direction des parties formant parois longitudinales, chacune des première et seconde parois longitudinales étant pourvue d'au moins un orifice latéral de sortie. Avec le distributeur selon la technique antérieure, le métal à haute température quitte le distributeur par les ouvertures des parties formant paroi transversale et du fond. Le ménisque du métal à haute température dans le moule entre les parois latérales du moule et la paroi du distributeur a une température inférieure à celle du métal à haute température entrant dans le moule par l'ouverture du fond. Ce métal à haute température a une densité spécifique inférieure à celle du métal à haute température au niveau du ménisque et a donc tendance à s'élever. Cela crée un flux de métal chaud dans le moule sur le fond du distributeur. Cependant, pour empêcher la macro-ségrégation, il est souhaitable que le métal à haute température qui pénètre 5 dans le moule par l'ouverture du fond pénètre dans le métal en fusion dans le moule et s'élève dans la zone dite pâteuse le long de l'enveloppe solidifiée de métal dans le moule. Dans cette situation, le flux montant fait revenir dans la direction du ménisque du métal très pur solidifié, notamment des particules d'aluminium qui ont plongé jusqu'au point le plus bas de la masse d'aluminium en fusion. Dans le cas où il y a un écoulement notable de métal en fusion à peu de distance sous le fond dans la direction du ménisque, le métal très pur, tel que des particules d'aluminium, n'est pas entraîné dans la direction du ménisque mais reste au centre. Il y a alors une grande différence de composition chimique entre le centre du lingot et les parois latérales de celui-ci. Cette forme de réalisation de l'invention empêche ou réduit cette ségrégation. L'écoulement de métal à haute température quittant le distributeur par les ouvertures de la paroi longitudinale du distributeur est dirigé vers la paroi longitudinale du moule et réchauffe le ménisque, ce qui élève la température de celui-ci et supprime une différence de masse spécifique entre le métal en fusion du ménisque et celui du centre du moule. Cela supprime une montée de métal à haute température le long de la paroi longitudinale du moule en empêchant de ce fait une macro-ségrégation préjudiciable. Une autre forme de réalisation du distributeur selon l'invention est caractérisée en ce que le fond est pourvu d'un déflecteur placé en aval, pendant 25 l'utilisation, de l'ouverture du fond. En particulier dans une forme de réalisation du distributeur ayant une pluralité d'ouvertures du fond, les ouvertures du fond étant placées les unes derrière les autres dans le sens de l'écoulement principal du métal, la vitesse du flux de métal en fusion le long du fond dans la direction de la paroi transversale est si grande que 30 le métal à haute température a tendance à dépasser au moins la première ouverture, vue dans le sens de l'écoulement, et ne pénètre pas dans l'ouverture. Le déflecteur freine localement l'écoulement du métal en fusion et le dirige dans l'ouverture du fond en face du déflecteur. De la sorte, le déflecteur contribue à un mode d'écoulement voulu du métal en fusion depuis le distributeur vers le moule. 6 L'effet du déflecteur peut être encore amélioré dans une forme de réalisation dans laquelle, pendant l'utilisation, le déflecteur est incliné dans la direction amont de l'écoulement de métal à haute température. Dans une autre forme de réalisation, le déflecteur a une section transversale globalement triangulaire. La section transversale triangulaire donne au déflecteur une grande résistance mécanique pour supporter les forces exercées par l'impact du flux de métal à haute température, et en même temps cette forme crée l'écoulement voulu autour du déflecteur pour diriger le métal à haute température jusqu'à l'ouverture du fond à l'avant. En coupe transversale, la partie supérieure du lingot en cours de coulée présente une partie solidifiée délimitant une cavité remplie de métal en fusion. La zone de transition, dans le moule, entre la partie solidifiée et le bain de métal en fusion, également appelée zone pâteuse, est un mélange de métal solide et de métal en fusion. Pour éviter la macro-ségrégation, il est souhaitable de remuer le bain et le métal dans la zone pâteuse. Des essais ont démontré qu'un brassage efficace peut être obtenu avec une forme de réalisation du distributeur selon l'invention, qui est caractérisée en ce que le 20 fond, dans la zone d'entrée, est pourvu d'au moins un trou traversant. Lors de la coulée de certains métaux en fusion, notamment l'aluminium en fusion, une partie du métal en fusion s'oxyde forcément par contact avec l'air et forme souvent des particules solides qui ne doivent pas entrer dans le lingot. Pour empêcher que des particules solides n'entrent dans le lingot, une autre 25 forme de réalisation de l'invention est caractérisée en ce qu'au moins un, de préférence la totalité des ouvertures, orifices de sortie ou trous traversants du distributeur soient couverts par une fine toile métallique. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un 30 mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés sur lesquels : la Fig. 1 représente une moitié d'un distributeur symétrique selon la technique antérieure ; la Fig. 2 représente schématiquement une moitié d'un distributeur 35 symétrique selon l'invention ; 7 la Fig. 3 représente schématiquement une partie d'un distributeur qui, selon une forme de réalisation de l'invention, est muni d'un déflecteur ; la Fig. 4 représente schématiquement une partie d'un distributeur qui, selon une forme de réalisation de l'invention, est muni d'un déflecteur d'une forme différente ; et la Fig. 5 représente schématiquement une partie d'un distributeur qui, selon une forme de réalisation de l'invention, est pourvu d'un déflecteur d'une forme encore différente. Sur les figures, les mêmes repères désignent des éléments identiques ou un élément ayant une fonction égale ou identique. Sur la Fig. 1, le repère 1 désigne globalement un distributeur selon la technique antérieure. Le distributeur est en tissu de verre textile. Un canal de coulée 2, qui ne fait ordinairement pas partie d'un distributeur, atteint le distributeur 1. Sur la Fig. 1, seulement une moitié du distributeur 1 et du canal de coulée 2 est représentée. Les deux éléments sont symétriques par rapport à un plan passant par les lignes 3 et 5. Le fond 6 est pourvu d'une pluralité d'ouvertures 7, 8 et 9 de fond. Une première partie formant paroi avant 10 est munie de premières ouvertures avant 11 et 12. Pendant l'utilisation, du métal en fusion tel que de l'aluminium en fusion est fourni, par exemple depuis un four de fusion (non représenté) au distributeur via le canal de coulée 2. Le métal en fusion quitte le distributeur 1 par les ouvertures 7, 8 et 9 du fond et les premières ouvertures avant 11 et 12. Le flux passant par les premières ouvertures avant 11 et 12 est dirigé vers l'un des petits côtés d'un moule de coulée rectangulaire et fournit du métal en fusion aux petits côtés et aux angles du moule de coulée. On a constaté que, dans la pratique, il est difficile de maîtriser l'écoulement de métal fondu par les diverses ouvertures 7, 8, 9, 11 et 12 d'un distributeur en tissu de verre textile. En particulier, la répartition de la quantité de métal en fusion passant par chacune des ouvertures du fond est un problème. En raison de la maîtrise insuffisante des quantités, une macro-ségrégation risque de survenir dans le lingot moulé. La Fig. 2 représente un distributeur dans lequel est mise en oeuvre la présente invention. 8 Le repère un désigne à nouveau globalement un distributeur utilisable dans un procédé de coulée de lingot de métal tel qu'un lingot d'aluminium. Le distributeur est fabriqué en matière réfractaire et se présente sous la forme d'un caisson rigide d'allure rectangulaire. Le distributeur est pourvu d'ouvertures 7, 8 et 9 de fond et de premières ouvertures avant 11 et 12. En outre, le distributeur comporte des orifices latéraux de sortie 13 et 14 dans la première paroi longitudinale 20 et des orifices de sortie latéraux 15 et 16 dans la seconde paroi longitudinale 21. Lors de l'utilisation, du métal en fusion tel que l'aluminium en fusion arrive au distributeur 1, dans la zone d'entrée 30, à partir d'un four de fusion (non représenté) via le canal de coulée 2. Une première partie du métal en fusion entrant dans le distributeur pénètre dans l'espace entre les plaques déflectrices 17 et 18. Un premier effet des plaques déflectrices est que seulement une partie du métal en fusion entrant dans le distributeur est disponible pour passer par les ouvertures du fond. Une seconde partie du métal en fusion entrant dans le distributeur pénètre dans l'espace entre la première paroi longitudinale 20 et la plaque déflectrice 17 et dans l'espace entre la seconde paroi longitudinale 21 et la plaque déflectrice 18. En raison de la configuration rétrécie des plaques déflectrices 17 et 18, le niveau du métal en fusion dans l'espace entre les plaques déflectrices 17 et 18 augmente dans la direction oblique. Par conséquent, la pression hydrostatique au fond s'accroît de l'ouverture 7 du fond à l'ouverture 9 du fond en passant par l'ouverture 8 du fond. L'augmentation de la pression hydrostatique accentue l'écoulement par les ouvertures 8 et 9 du fond de la forme de réalisation de l'invention en comparaison de l'écoulement par les ouvertures 8 et 9 du fond du distributeur selon la technique antérieure. Par conséquent, le distributeur contribue à une meilleure répartition de l'écoulement par les ouvertures du fond du distributeur selon l'invention en comparaison du distributeur selon la technique antérieure. Une proportion de la première partie passe par la fente 22 entre les plaques déflectrices 17 et 18 du côté de la partie oblique et quitte le distributeur par les premières ouvertures avant 11 et 12 en direction d'une paroi courte d'un moule de coulée (non représenté). 9 Des essais et des simulations mathématiques ont démontré que le flux dans le moule a tendance à être dirigé le long du fond du distributeur puis à s'élever le long des grands côtés du moule de coulée (non représenté). Pour limiter cette montée du flux, la première paroi longitudinale 20 est pourvue d'orifices de sortie latéraux 13 et 14 et la seconde paroi longitudinale 21 est pourvue d'orifices de sortie latéraux 15 et 16. Une proportion de la seconde partie du flux de métal en fusion entrant dans l'espace entre les plaques déflectrices et les parois longitudinales quitte le distributeur par les orifices de sortie latéraux 13, 14, 15 et 16 et supprime la montée du flux. De la sorte, les orifices de sortie latéraux offrent la possibilité de stabiliser et de maîtriser davantage l'écoulement du métal en fusion dans le moule de coulée. Le fond est également pourvu de trous traversants 26 et 27 qui sont ménagés dans la zone d'entrée 30 sous le canal de coulée 2. Le métal en fusion quittant le distributeur par les trous traversants 26 et 27 pénètre dans le moule dans une direction sensiblement verticale et a un effet de brassage avantageux sur la masse de métal en fusion dans le moule de coulée, plus particulièrement sur la "zone pâteuse" qui constitue la zone de transition entre le métal liquide et le métal solidifié dans le moule de coulée. Comme représenté, les premières ouvertures avant 11 et 12 sont couvertes par un treillis fin 4, par exemple en fibres de verre. Le treillis sert de filtre pour les particules solides et lisse l'écoulement du métal en fusion par les ouvertures. Egalement, une ou plusieurs des ouvertures du fond, un ou plusieurs des orifices de sortie latéraux et un ou plusieurs des trous traversants peuvent être couverts par un treillis. La Fig. 3 représente schématiquement une partie d'un distributeur dans lequel un déflecteur 25 est employé sous la forme d'un déflecteur plat. Le déflecteur réduit la vitesse horizontale du métal en fusion près de l'ouverture 7 du fond et dévie une proportion de la première partie du métal en fusion entrant dans le distributeur dans une direction verticale, ce qui accroît donc la vitesse verticale du métal en fusion passant par l'ouverture 7 du fond pour entrer dans le moule. Il en résulte une stabilisation et une régulation accentuées de l'écoulement du métal en fusion dans le moule de coulée. La Fig. 4 représente une forme de réalisation de l'invention dans laquelle le déflecteur est incliné dans la direction opposée à la direction de l'écoulement horizontal du métal en fusion le long du fond du distributeur. En choisissant l'angle Io d'inclinaison du déflecteur, on peut donner à la vitesse verticale une valeur voulue en fonction de paramètres du processus. La Fig. 5 représente une forme de réalisation dans laquelle le déflecteur a une section transversale sensiblement triangulaire. Cette forme de réalisation offre l'avantage d'une grande résistance mécanique et d'une moindre perturbation de l'écoulement horizontal du métal en fusion en aval du déflecteur. REVENDICATIONS 1. Distributeur destiné à un procédé de coulée de métal en fusion pour former un lingot métallique, comprenant un fond (6) et une paroi de forme globalement rectangulaire, la paroi comportant une première et seconde parties formant parois longitudinales (20, 21) et une première et une seconde parties formant paroi transversale (10), le fond (6) ayant une zone d'entrée dans laquelle, en service, le métal à haute température est introduit dans le distributeur (1) et au moins une ouverture (7, 8, 9) de fond et les première et seconde parties formant paroi transversale (10) ayant respectivement une première ouverture avant (11) et une seconde ouverture avant (12), caractérisé en ce que le distributeur (1) comprend en outre une première et une seconde plaques déflectrices (17, 18), la première plaque déflectrice (17) s'étendant entre l'ouverture (7, 8, 9) de fond et la première partie formant paroi longitudinale (20) et la seconde plaque déflectrice (18) s'étendant entre l'ouverture (7, 8, 9) de fond et la seconde partie formant paroi longitudinale (21), grâce à quoi le fond (6) et la paroi sont en matière rigide. 2. Distributeur (1) selon la revendication 1, dans lequel les première et seconde plaques déflectrices (17, 18) sont en matière rigide. 3. Distributeur (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les première et 20 seconde plaques déflectrices (17, 18) s'étendent en biais dans la direction d'une partie formant paroi transversale (10). 4. Distributeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les première et secondes plaques déflectrices (17, 18) sont pourvues d'un passage près de la zone d'entrée pour permettre au métal à haute température de 25 s'écouler dans la direction des parties formant parois longitudinales (20, 21), et en ce que chacune des première et seconde parties formant parois longitudinales (20, 21) est pourvue d'au moins un orifice de sortie latéral (13, 14 ; 15, 16). 5. Distributeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fond (6) est pourvu d'un déflecteur (25) placé en aval, pendant 30 l'utilisation, de l'ouverture du fond. 6. Distributeur (1) selon la revendication 5, dans lequel le déflecteur (25) est incliné, pendant l'utilisation, en amont du flux de métal à haute température. 7. Distributeur (1) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le déflecteur (25) a une section transversale globalement triangulaire. 8. Distributeur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fond (6), dans la zone d'entrée, est pourvu d'au moins un trou traversant (26, 27). 9. Distributeur (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins un, de préférence la totalité, des ouvertures (7, 8, 9), orifices de sortie (13, 14 ; 15, 16) ou trous traversants (26, 27) du distributeur (1) sont couverts d'un treillis (4).