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La présente invention est relative à un procede
de coulee continue verticale a grande vitesse de l'aluminium
et de ses alliages, notamment sous forme de billettes et de
plaques dont la plus petite dimension n'excède pas 150 mm.
L'homme de l'art conna~t depuis longtemps le pro-
cedé de coulee verticale dans lequel un metal a l'etat
liquide est moulé en continu par passage de haut en bas dans
une lingotiere sans fond, refroidie, pour former des
billettes ou des plaques de longueur plus ou moins grande.
Au cours des decennies, cette technique a ete
perfectionnee en vue d'en ameliorer ]es performances a la
fois sous l'angle capacite de production et qualite.
Dans la recherche d'obtention de vitesses de coulee
plus grandes, on s'est heurté a des problèmes de défauts de
surface physiques: peau irreguliere, et chimiques: ségrega-
tions inverses qu'on a resolu d'abord de façon peu satisfai-
sante en soumettant les produits couIes a des operations
intermediaires de scalpage. Puis, differents amenagements
concernant les matériaux des lingotieres et leur lubrifica-
tion, les dispositifs de refroidissement, le programme de
coulée, ont permis de reduire et meme de supprimer, dans
certains cas, ce scalpage.
Plus recemment, et en vue, notamment, d'obtenir des
produits directement utilisables a la transformation, on a eu
recours a des dispositifs particuliers de mise en forme tels
que, par exemple, le dispositif dans lequel la lingotière est
surmontee d'une rehausse, sorte de reservoir de metal liquide
de section voisine de celle du produit coule et de hauteur
variable constituee par un materiau refractaire et isolant.
Un tel dispositif conduit a l'obtention de produits
ayant un etat de surface amélioré; toutefois, suivant le
type d'alliage coule, on constate qu'il y a une vitesse opti-
mum a ne pas depasser, sinon, il se produit un arrachement
de la peau. Certes, en associant ces rehausses à des lingo-
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tières de faible hauteur, on parvient ~ limiter ce défaut,
mais un tel couplage n'est pas applicable a des plaques
d'épaisseur voisines de 150 mm car, en raison de leur defor-
mation au moment du demarrage, elles peuvent endommager la
rehausse notamment lorsque celle-ci a un diamètre inferieur
à celui de la lingotiere.
Dans ces conditions, il apparalt que, si on veut
couler des billettes de ~ 100 mm, de bonne qualite, même
avec une lingotiere de 1,5 cm de hauteur, on peut au mieux
atteindre avec l'alliage le plus convenable une vitesse de
300 mm/mn, ce que confirme d'ailleurs le brevet fransais n
2 249 728.
Une autre façon de reduire l~apparition de defauts
à la surface des produits coules consiste à effectuer le
moulage en dehors de tout contact avec une lingotiere. On y
parvient en faisant passer le metal liquide au centre d'un
inducteur qui cree un champ electromagnetique et engendre
ainsi des forces qui contribuent à donner au liquide une
forme definie. Cette forme est alors maintenue en solidi-
fiant le metal par arrosage direct au moyen d'un fluide calo-
porteur.
Un tel procede a, sans conteste, permis d'ameliorer
notablement l'état de surface des produits coules et de re-
duire fortement l'apparition des segregations inverses,
toutefois, il presente certains inconvénients. C'est ainsi
que son application necessite le maintien d'une hauteur
constante de metal liquide au-dessus de l'interface avec le
metal solidifie. Pour y parvenir, on met en oeuvre un ensem-
ble busette-flotteur plus ou moins encombrant et dont la mise
en place devient particulièrement g8nante lorsqu'on a pour
objectif de couler des pieces dont l'une des dimensions ne
depasse pas 150 mm. De plus, si l'on veut augmenter la vi-
tesse de coulée au-delà de certaines valeurs, on provoque des
turbulences au niveau de cet ensemble qui se traduisent par
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des deformations du ménisque du métal et l'apparition d'on-
dulations ~ la surface du produit coulé. En outre, ces
déformations peuvent amener le niveau du métal en fusion sur
la trajectoire du fluide caloporteur ou conduire a la forma-
5 tion d'une peau qui sera encore mince au moment o~ elle
échappera a l'action du champ et, de ce fait, se déchirera
sous l'effet de la pression métallostatique, ou encore pro-
voquer la refusion de cette peau, autant de conséquences
qui auront pour effet d'accro~tre les défauts de surface
sans parler des dangers encourus par le personnel a cause
des risques d'explosion.
Ces diffilcultes font que, dans le cas de billettes
de diamètre 150 mm, on parvient difficilement a des vitesses
de coulée supérieures ~ 300 mm/minute.
La demanderesse, ayant pour but d'arriver ~ couler
des billettes ou des plaques dont la plus petite dimension
n'exc8de pas lS0 mm a une vitesse supérieure a 500 mm/minute,
a cherché et mis au point un procédé qui permet de surmonter
les difficultés qui viennent d'etre signalées.
Ce procédé de coulée verticale en continu combine
l'utilisation d'une rehausse pour l'alimentation en métal
liquide, d'un inducteur électroma~nétique et d'un dispositif
de refroidissement direct pour la mise en forme du produit
à fabriquer. Il est caractérisé en ce que l~on r8gle la
position de la rehausse par un mouvement vertical par rapport
a l'inducteur qui crée le champ de manière à maintenir au
cours de la coulée une distance constante entre le plan de
base de la rehausse et le plan passant par le front de soli-
dification à la périphérie du produit coulé.
Ainsi, la demanderesse utilise une rehausse classi-
que de section voisine de celle du produit coulé, ouverte à
ses deux extrémités et dans laquelle le metal liquide est
amené jusqu'a une certaine hauteur au moyen d'un systame
d'alimentation approprié. A l'extérieur de cette rehausse,
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et dispose ~ peu pr2s ~ son niveau, se trouve un dispositif
annulaire de refroidissement qui arrose le produit coule
sur toute sa periphérie a une distance du plan de base de la
rehausse telle que la solidification s'amorce en-dessous de
S ce plan, et qu'il subsiste sur toute la section du produit
coule une zone de liquide non confinee.
C'est sur cette zone que s'exerce l'action du
champ cree par l'inducteur et qui a pour effet de contre-
balancer la pression metallostatique du liquide contenu dans
la rehausse et d'imposer au liquide non confine un profil
determine.
En fonctionnement, la solidification s'amorce a la
periphérie du produit suivant une ligne contenue dans un plan
généralement perpendiculaire à l'axe de la coulée si le dis-
positif de refroidissement est convenablement placé et elle
se propage de maniare a peu pres symétrique et progressive
vers l'interieur et le bas du produit jusqu'a ce que le con-
tact entre les phases liquide et solide se réduisent, a une
distance plus ou moins grande de la rehausse, à un point ou
à une portion de droite suivant la section du produit coulé.
~a limite entre les phases est appelée front de solidifica-
tion.
Un tel systeme ne permet pas d'atteindre les vi-
tesses de coulée souhaitées car le front de solidification
n'est pas stable et se déplace d'autant plus vers le bas que
la vitesse est grande. Il en résulte un allongement de la
zone de liquide non confiné tel que llaction du champ s'avere
insuffisante, ce qui conduit a la formation avant solidifica-
tion d'un profil anormal ou me~me a des coulures de metal.
La demanderesse a resolu ce problame en réglant la
position de la rehausse par un mouvement vertical par rapport
a l'inducteur de maniare a maintenir une distance constante
entre le plan de base de la rehausse et le plan passant par
le front de solidification a la périphérie du produit coulé.
Un tel reglage permet, en effet, lorsque le front a tendance
à s'eloigner de la rehausse, de maintenir la zone de liquide
non confiné ~ une hauteur compatible avec une géométrie
régu:Lière du produit. Cette hauteur est maintenue inférieure
à 15 mm et, de preference, à 10 mm sans être jamais nulle,
auquel cas la solidification s'effectuerait alors ~ l'inté-
rieur de la rehausse et condui;ait ~ l'apparition d'un mau-
vais état de surface.
La position de la rehausse étant ainsi liée à celle
du front, il faut d'abord repérer cette dernière. On peu-t
faire ce repérage avec tout moyen connu de l'homme de l'art
comme, par exemple, des sondes, ou en se servant de relations
mathématiques qui donnent la position du front par rapport
au point d'impact de l'eau en fonction de la vitesse de cou-
lée. Puis, on regle la position de la rehausse en la dépla-
sant verticalement à l'aide d'un système quelconque qui peut
8tre asservi au moyen de repérage de la position du front.
La demanderesse a également trouvé que le dépalce-
ment de la rehausse pouvait être combiné avec un mouvement
du dispositif de refroidissement.
Il faut d'abord savoir que la zone d'impact du
fluide caloporteur, particulierement quand ce dernier est de
l'eau, doit etre située en dehors de la zone de liquide non
confiné, sinon il y a réaction chimique avec l'aluminium et
risque d'explosion. Aussi, le jet de fluide est-il dirigé
vers la partie solide du produit.
En régime équilibré, le front de solidification
s'établit a une distance constante au-dessus de la zone
d'impact; on peut donc régler la position du front en jouant
sur le déplacement du dispositif de refroidissement.
Lorsqu'on augmente la vitesse de coulée, on a vu
que le front descendait; si l'accélération est faible, on
reste proche des conditions d'équilibre et le front de soli-
dification peut être maintenu en laissant le dispositif de
refroidissement immobile; par contre, si l'acceleration est
qrande, on desequilibre le système et on est oblige de
dep:Lacer vers le bas le dispositi~ de refroidissement pour
eviler d'arroser la zone liquide. De preference, la limite
sup~rieure de la zone arrosee par le fluide du dispositif
est située à une distance du front comprise entre 1 et 6 mm.
Le régime de croisi~re etant atteint, on peut
remonter progressivement le dispositif pour faire remonter
le front a une position voisine du milieu de l'inducteur
qui est la plus favorable à la coulee. La rehausse ayant
ete descendue, comme on l'a vu plus haut, pour maintenir la
zone de liquide non confine à une hauteur constante, on peut
maintenant la remonter en suivant le deplacement du front
vers le haut. On retrouve ainsi progressivement les posi-
tions initiales de la rehausse et du dispositif de refroi-
dissement et on peut à nouveau proceder à une nouvelle acce-
leration.
Ainsi, la combinaison des deux mouvements permet
une augmentation plus grande de la vitesse.
Le mouvement du dispositif peut ici aussi etre
obtenu par tout moyen convenable.
Les reglages de distance indiques plus haut sont
assez precis et necessitent donc d'avoir des zones d'impact
bien delimitees. Ceci est de preference realise au moyen de dispositif
délivrant des lames d'eau peripheriques, d'epaisseur infe-
rieure au millimètre, faisant un angle faible avec la verti-
cale et compris entre 10 et 30. Il faut aussi propulser
le fluide a une grande vitesse de manière à eviter les
phenomenes de calefaction; on applique, en general, une
pression suffisante pour avoir au moins 1 m/sec.
Neanmoins, on ne peut debiter en cet endroit une
quantite de fluide suffisante pour atteindre une solidifica-
tion complète. C'est pourquoi, on complète le refroidisse-
ment au moyen d'un etage supplementaire.
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Cet etage peut comprendre tout dispositif distri-
buteur de lames et de gouttelettes. Toutefois, les exigences
sur la précision de l'impact sont moins grandes. On peut,
par exemple, utiliser des lames de 2 mm d'épaisseur dirigées
vers le bas suivant un angle supérieur à 45 et se propa-
geant a une vitesse supérieure a 3 m/sec.
Au cours de la coulée, le niveau de liquide dans
la rehausse peut varier de façon à avoir au-dessus du front
de solidification, a la périphérie du produit, une hauteur
comprise entre 20 et 80 mm.
L'invention sera mieu~ comprise à l'aide du dessin
accompagnant la présente demande et qui représente un en-
semble de coulée pour mise en oeuvre du procede selon l'in-
vention.
On y voit:
- la rehausse (1) mobile, presentant une partie superieure
elargie de manière à faciliter le montage du système d'ali-
mentation busette-flotteur(2) et une partie inferieure de
section voisine de celle du produit coule,
- l'inducteur (3), generateur du champ electromagnetique
qui agit sur la zone du métal liquide (4) situee en-
dessous de la rehausse,
- le dispositif de refroidissement (5) mobile place autour
de la rehausse qui envoie une lame d'eau (6) peripherique
au-dessous du front de solidification (7),
-.un etage.complementaire de refroidissement (8) place en-
dessous de l'inducteur et qui delivre un jet de fluide (9).
En fonctionnement, le système busette-flotteur
maintient le niveau de metal liquide (10) à une hauteur con-
venable tandis que l'on commande le deplacement de la rehausse
et du dispositif de refroidissement, de manière a arroser le
produit coule immediatement en-dessous du front, et a faire
remonter ce dernier quelle que soit la vitesse de coulee au
niveau du milieu de l'inducteur et a maintenir une distance
_ 7 _ .
~ P'~ 3
constante entre le plan de base de la rehausse et ledit
front.
L'invention est illustree a l'aide des exemples
non-restrictifs suivants:
EXEMPLE 1
Au moyen d'une installation comprenant une re-
hausse de diam~tre intérieur de 120 mm, de hauteur 80 mm,
un dispositif de refroidissement débitant 3 m3/heure d'eau
sous forme d'une lame d'épaisseur de 0,8 mm inclinée a 30
degres par rapport a la verticale, circulant a une vitesse
de 2,5 m/sec, un inducteur alimenté sous une tension de 10 V
avec une intensite de 4200 A ayant une frequence de 2000 Hz,
un dispositif de refroidissement complémentaire debitant
6 m3/heure d'eau sous forme d'une lame d'epaisseur de 1 mm
inclinee ~ 45 degres par rapport ~ la verticale, circulant
a une vitesse de 3,5 m/sec, on a coulé une billette de
120 mm diamatre d'un alliage d'aluminium 5754 a la vitesse
de 900 mm/minute en maintenant, entre le plan de base de la
rehausse et le plan passant par le front de solidification,
une distance de 13 mm et entre la limite supérieure de la
zone arrosée et le front de solidification, une distance
de 1 mm.
La hauteur du métal liquide au-dessus de front de
solidification repere a la péripherie du produit a varie
entre 30 et 50 mm.
EXEMPLE 2
Au moyen d'une installation comprenant une rehausse
de section interieure de 100 x 200 mm, de hauteur 80 mm, un
systame de refroidissement debitant 4 m3/heure d'eau sous
forme d'une lame d'épaisseur 0,7 mm inclinée à 15 degrés par
rapport à la verticale, circulant a une vitesse de 2,5 m/sec,
un inducteur alimente sous une tension de 18 V avec une in-
tensite de 6 300 A ayant une fréquence de 2 000 Hz, un dispo-
sitif de refroidissement complementaire débitant 15 m3/heure
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d'eau sous forme de deux lames d'épaisseur 1 mm inclinees à
45 deqrés par rapport à la verticale, circulant ~ une vi-
tesse de 3,2 m/sec, on a coulé une plaque de 100 x 200 mm
d'un alliage d'aluminium 1050 à la vitesse de 960 mm/minute
en maintenant, entre le plan de base de la rehausse et le
plan passant par le front de solidification, une distance de
8 mm et entre la limite supérieure de la zone arrosee et le
front de solidification, une distance de 2 à 3 mm.
EXEMPLE 3
Au moyen d'une installation comprenant une rehausse
de section interieure de 100 x 1 300 mm, de hauteur 80 mm, un
dispositif de refroidissement debitant 17 m3/heure d'eau sous
forme d'une lame d'epaisseur 0,7 mm inclinee a 15 degres par
rapport à la verticale, circulant à une vitesse de 2,4 m/sec,
un inducteur alimente sous une tension de 19 V avec une in-
tensite de 5 900 A ayant une frequence de 2 000 Hz, un dispo-
sitif de refroidissement complementaire debitant 80 m /heure
sous forme de yuatre lames d'epaisseur 1 mm inclinées à 45
degrés par rapport à la verticale, circulant à une vitesse
de 2,0 m/sec, on a coule une plaque de 100 x 1 300 mm d'un
alliage d'aluminium 1050 à la vitesse de 780 mm par minute en
maintenant, entre le plan de base de la rehausse et le plan
passant par le front de solidification, une distance de 14 mm
et entre la limite superieure de la zone arrosee et le front
de solidification, une distance de 4 mm.
La presente inven.tion permet de couler en continu
l'aluminium et ses alliages à des vitesses superieures à
500 mm/minute, sous forme de billettes ou de plaques dont la
plus petite dimension n'excède pas 150 mm et qui presentent
une surface ne necessitant aucun traitement de scalpage.
