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~:2SlEi6~
L,a présente invention concerne un procedé de
réglage du niveau de la ligne de con-tact de la surface libre
du métal avec la lingotière dans une coulée verticale.
Lors de la fabrica-tion de semi-produits métallur-
giques par coulee de métaux ferreux ou légers comme l'alumi-
nium et ses alliages, l'homme de l'artcherche à ob-tenir des
lingots, des billettes, des plaques, etc..~ ayant la
meilleure homogénéité physique et chimique possible, ceci
afin d'éviter l'apparition de certains défauts lors de la
transformation ultérieure de ces produits en feuilles, Eils,
etc...
Or, la plupart des procédés de coulée utilisés
actuellement dans l'industrie donnent lieu, lors du passage
du métal de l'état liquide à l'état solide, à la formation
de défauts d'homogénéité plus ou moins importants, dûs
essentiellement à des conditions de refroidissement
différentes d'un point à l'autre des produits coulés. C'est
ainsi que dans la coulée en lingotière à passage vertical où
le métal est successivement refroidi indirectement par l'in-
termédiaire de la lingotière, puis directement par une lamed'eau, on constate la présence sur les semi-produits d'une
couche externe dite "couche corticale primaire". Cette
couche dont la structure et la composition diffèrent de
celles de la partie interne du semi-produit, résulte du
refroidissement indirect du métal au contact de la lingo-
tière. Par ailleurs, d'autres hétérogénéités beaucoup moins
prononcées, mais toutes aussi gênantes peuvent apparaitre,
telles que les "picots" ou petites piqûres dues notamment à
une dispersion dans la masse métallique de la couche d'oxyde
qui se forme à la surface du métal liquide en contact avec
l'atmosphère.
Certes, l'homme de l'art n'est pas resté inactif
devant ces problèmes et il a apporté un certain nombre de
solutions plus ou moins satisfaisantes visant à supprimer ou
"~:
. :
~25 EiEi6~1
tout au moins à diminuer l'import~nce de ces hé-térogénéités.
C'es-t ainsi que dans le brevet français 1 509 962,
l'homme de l'ar-t a préconise l'utilisat:Lon de la coulée
élec-tromagnétique, technique dans laquelle grâce au
confinement du métal à l'aide de forces d'ori~ine électro-
magnétique, on peut supprimer la lingotière et évi-ter ainsi
l'apparition de la couche corticale puisqu'il n'y a plus de
refroidissement indirect.
On arriv0 ainsi à améliorer l'homogénéité des
semi-produits~
Toutefois, cette technique présente les inconvé-
nients suivants:
- il faut équiper le métier de coulée avec une
installation électrique relativement complexe et chère à
cause de la nécessité de disposer de courants de fréquence
non industrielle (500 à 4000 Hz) pour créer un champ de
confinement convenable,
- le risque d'hétérogénéité par picots est accru en
raison, d'une part de l'absence de lingotière et donc de
l'augmentation de la surface de métal liquide susceptible
d'être oxydé, d'autre part du phénomène de brassage de la
masse liquide causé par le champ de confinement qui
contribue fortement à la dislocation du film d'ox~de e-t à sa
dispersion dans le métal,
- il est souvent difficile de créer un confinement
convenable lors du démarrage de la coulée électromagnétique,
- la sécurité du personnel peut être mise en cause
quand on coule l'aluminium et ses alliages car en cas de
défaillance électrique, le métal liquide n'étant plus
confiné se répand à l'extérieur de la lingotière et peut
entrer en contact avec le fluide de refroisissement direct
en provoquant une explosion.
D'autres solutions plus simples ont également été
proposées pour diminuer l'épaisseur de la couche corticale.
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~2S~E;6~
Par exemple, le breve-t francais 1 398 526 enseigne l'emploi
d'une bande de EiberErax ( fiberfrax est une marque de
commerce) collee sur la lingotière de fa~on à réduire la
hau-teur de métal en contact avec la lingotière, e-t donc de
réduire les effects dûs au refroidissement indirect.
Cependant, cette réduc-tion de hauteur ne peut être fixée une
fois pour toutes, car elle dépend notamment de la vi-tesse de
coulée. Aussi, quand ce paramètre varie, il faut soit
changer de lingotière, soit tout au moins modifier la
hauteur de la bande. Ce qui confère un manque de souplesse
à une solution n'apportant en définitive qu'une suppression
partielle des hétérogénéités.
Dans le brevet français 1 496 241, on supprime les
inconvénients du refroidissement indirect en utilisant une
lingotière en graphite non refroidie, mais on se heurte
alors à des problèmes d'entretien et de changement fréquent
de la lingotière dus à la fragilité de ce matériau.
Une autre solution consiste à mettre en oeuvre des
lingotières à surface intérieure striée au moyen desquelles
on réduit de plus de 30~ l'épaisseur de la couche corticale
quand on coule de l'aluminium 1050 par exemple. Toutefois,
outre l'usinage de ces lingotières qui en augmente
sensiblement le prix, on retrouve les inconvénients dûs à
l'adaptation de la lingotière, et ici des stries, à chaque
vitesse de coulee.
On conna~t encore la coulée en charge avec
rehausse, dite "HOT TOP", mais elle a aussi l'inconvénient à
la fois de conduire à une solidification périodique du
ménisque, cause de pe-tits replis à la surface des semi-
produits et de s'accompagner de difficultés lors dudémarrage.
Enfin, plus récemment, le brevet français 2 417 357
a revendiqué un procédé dans lequel on fait varier la
longueur axiale de la partie de la lingotière en contact
1:
.,
avec le métal llqu:ide en mettant en oeuvre une manchette
glissant sur la pa:roi lnterieure de la lingotière. Un tel
système à llincovén:ient lors cl'une solidification
in-tempes-tive du mé-ta:L de conduire à une adhérence entre la
lingotière et la manchette provoquant ainsi un arrachement
des pièces en présence au moment où l.'on procède au
mouvement de glissement.
C'est pourquoi, la demanderesse consciente des
problèmes posés par ces techniques a, dans le but d'obtenir
des semi-produits homogènes dans lesquels llépaisseur de la
couche corticale est pratiquement nulle, le grain est affiné
et la peau est exempte de picots, cherché et mis au point un
procédé qui présente par rapport à ceux de l'art antérieur,
les avantages suivants:
- utilisation dlinstallations électriques moins
compliquées que celles imposées par la coulée électromagné-
tique,
- passage aisé de la phase de démarrage de la coulée au
régime de croisière,
- adaptation facile à des variations de paramètres tels
que la vitesse de coulée puisque le procédé ne nécessite
aucune modification du matériel tel que le changement de
lingotière,
- application à n'importe quel type de lingotière
classique,
- absence de tout dispositif dans lequel on met des
pièces en mouvement,
- risques d'explosion par fuite de métal liquide moins
grands qu'avec la coulée électromagnétique.
Pour parvenir à ce résultat, la demancleresse est
partie des observations suivantes:
- d'une part, le démarrage de la coulée est d'autant
plus facile que le niveau de métal dans la lingotière est
haut. En effet, avec un niveau bas, le flotteur qui règle
le niveau et l'alimen-ta-tion en métal de la lingot.ière se
rapp.roche du :Eront de so:Lidifica-tion et ri.sque, pour des
semi-produits de petites dimensions, d'être bloqué par une
solidifi.cation intempestive du metal. et de ne plus pouvoir
assurer sa fonction. De mêmes, le phénomène de cambrure qui
se manifeste avec les semi-produits de grande largeur
interdit également un démarrage en niveau bas,
- d'autre part, en régime de croisière, il est préféra-
ble de couler avec une hauteur de métal dans la l.ingotière
la plus faible possible car on limite ainsi la hauteur de
contact de métal avec la paroi de la lingotière et de ce
fait on réduit l'épaisseur de la zone corticale qui, comme
on l'a vue plus haut, est essentiellement due au
refroidissement du métal par l'intermédiaire de la
lingotière.
il failait donc, partant d'une lingotière
classique avec ses contingences, c'est-à-dire tout en
gardant dans la lingotière une hauteur de métal constante
puisque fixée par la position du flotteur et suffisante pour
ne pas gener le fonctionnement du flotteur, pouvoir limiter
le plus possible la hauteur de contact du métal avec la
surface de la lingotière ce qui revenait en somme à trouver
un moyen de régler le niveau de la ligne de contact de la
surface libre du métal liquide avec la paroi de la
lingotière.
Ce moyen consiste, selon l'invention, à appliquex
au liquide en COUL'S de solidification un champ magnétique
périodique d'intensité variable et de direction sensiblement
parallèle à l'axe de la lingotière et à adapter son
intensité en fonction du niveau souhaité.
En e~fet, il a été constaté qu'en pla~ant autour
de la lingotière une bobine circulaire constituée par un
circuit électrique formé d'un ou de plusieurs enroulements,
et en l'alimentant avec un courant alternatif de tension
6~
industrielle suffisante, on parvenait à modifier le profil
du ménisque metallique et notamment à faire varier le niveau
de cette l:igne de contact du métal avec la lingotière et ce
d'autant plus que les varia-tions de la tension d'alimenta-
-tion et corréla-tivement de l'in-tensité du champ creé,
etaient grandes.
Ainsi, en faisant croître l'intensité du champ, on
pouvait abaisser le niveau et par suite dim.inuer la hauteur
de la ~one contact métal-lingotière ou au contraire en la
faisant décroitre, on pouvait élever ce niveau et par suite
augmenter cette hauteur.
L'intérêt d'un tel procédé est donc de permettre
de réduire à volonté la hauteur de contact métal-lingotière
et par suite l'épaisseur de la couche corticale simplement
avec une bobine alimentée par un courant de fréquence
industrielle 50 ou 60 Hz en sachant que toute défaillance
électrique n'aura pour répercussion que de faire varier la
hauteur de métal dans la lingotière, c'est-à-dire que tout
risque de fuite de métal liquide sera écarté ce qui n'est pas
le cas dans la coulée électromagnétique.
De plus, la présence d'une lingotière, tout en
limitant la possibilité d'oxydation du métal liquide au
niveau du ménisque, empêche, par le contact qu'elle a avec
le métal, tout déplacement du film d'oxyde vers la paroi
latérale et donc tout risque de picot à la surface du semi-
produit.
De plus, le champ appliqué au métal a également
pour effet de créer des forces à llintérieur du liquide qui
homogénéisent le refroidissement et tendent à provoquer un
affinage du grain de coulée.
La bobine qui crée le champ magnétique a de
préference une forme symétrique de celle de la lingotière,
de sorte qu'elle crée un champ de direction sensiblement
parallèle à l'axe de la lingotière. Elle est disposée le
,t, ~ ' ~
~25~6~
long de cet axe de manière que la ~one où le champ exerce
une action maxlmurn se situe à un n:iveau de la lingotière
compris entre la deml et le tiers de sa hauteur à par-tir de
la base.
Un tel procédé permet, lors d'une opéra-tlon de
coulée, d'effectuer un démarrage normal dans les meilleures
conditions possibles, c'est-à-dire avsc une hauteur élevée
de métal dans la lingotière. Pour cela, on fait décroître
l'intensité du champ jusqu'à l'annuler éventuellement de
manière à supprimer toute modification du niveau normal du
métal. Par la suite, pour passer en régime de croisière, on
fait croitre l'intensité du champ jusqu'à atteindre une
hauteur minimum consuidant à une épaisseur minimale de la
couche corticale. La valeur maximum du champ admissible est
détectée facilement par apparition lorsqu'on la dépasse, de
déformation de la surface du produit coulé.
Il suffit donc de déterminer cette valeur au cours
du démarrage d'une coulée test et de la reconduire ensuite
pour toutes les coulées du meme type.
Cette valeur correspond généralement au moment où
le niveau atteint par la ligne de contact correspond au
niveau à laquelle se place la ligne d'intersection entre le
front de solidification du au refroidissement indirec-t et le
front de solidification dû au refroidissement direct en
2S coulée classique. La hauteur de contact se trouve alors
pratiquement réduite à une ligne circulaire et la couche
corticale inexistante.
Suivant le type d'alliage coulée, on sait qu'on
sera amené à couler à des vitesses différentes. Le procédé
selon l'invention permet de modifier l'intensité du champ
pour l'adapter aux variations de vitesse et de déterminer
comme précédemment la valeur maximum de l'intensité
admissible pour chacune de ces vitesses.
L7invention sera mieux comprise à l'aide de la
,,. , ; ~
~.2S~
figure join-te qui represente en coupe verticale deux demi-
lingot:ieres dont celle de gauche est utilisée suivant l'art
antérieur et cel:Le de droite suivant le procédé de
l'invention.
On distingue une busette d'alimentation l en métal
liquide, un flotteur 2 de régulation de niveau, une
lingotière 3 refroidie directement par un fluide 4 qui
refroidit ensuite le métal 5 directement au point 6. La
demi-lingotière de droite est équipée d'une bobine 7 qui est
alimentée sous une tension alternative 8 afin de créer le
champ magnétique de direction 9 et de provoquer
llabaissement du niveau de la ligne de contact de la surface
du métal avec la lingotière d'un point 10 dans la coulée de
l'art antérieur au point 11 suivant l'invention, point qui
est situé au niveau de l'intersection 12 du front de solidi-
fication 13 résultant du refroidissement indirect et du
front 14 résultant du refroidissement direct. On voit ainsi
qu'on a réduit la hauteur de contact du métal avec la
lingotière d'une hauteur h1 à une hauteur h2 extrêmement
petite qulon peut assimiler au point 11.
L'invention peut être illustrée à l'aide des
exemples d'application suivants:
Dans une lingotière en aluminium de diamètre
320 mm, de hauteur 100 mm, on a coulé un alliage dlaluminium
du type 2214 suivant les normes de l'Aluminum Association, à
la vitesse de 60 mm/minute. Le flotteur réglait le niveau
de métal à mi-hauteur de la lingotière et le fluide de
refroidissement entrait en contact avec la peau de la
billette coulée à 1 cm environ en-dessous de la base de la
lingotière.
Dans un premier essai, la coulée a été effectuée
dans les conditions de l'art antérieur et un examen micro-
graphique de différentes sections de la billette a montré
que la couche corticale avait une épaisseur moyenne de
~,
~5~
18 mm.
Une serie d'essai.s a éte ensuite réalisée au cours
de Laquelle la lingotière a éte entourée par une bobine
annulaire de d.iamè,tre intérleur 372 m~, exterieur 465 mm, de
hauteur 48 mm, ~ormée par 120 tours de fil cle cuivre émaillé
de diamètre 3,35 mm et alimentée par un courant alternati~
de 50 HZ.
Chacun des essais a été mené sous une tens.ion
électrique différente et on a mesuré les épaisseurs
corticales ~noyennes correspondantes ainsi que la ta.ille des
grains par la méthode des intersections.
Les résultats figurent dans le tableau ci-après:
en volts O50 100 150 130
_ _ __
Epaisseur
lB 16 13 9 0
en ~m 500 ~ 300 1:0
On constate donc que l'application du procédé selon l'invention conduit
à une réduction progressive de l'épaisseur de la couche corticale à mesure
que l'on augmente la tension électrique aux bornes de la bobine dans des
proportions telles que cette épaisseur devient nulle pour une tension de
180 volts.
Simultanément, la taille des grains diminue de telle sorte qu'à partir
d'un métal qui présente des grains de 500 ~m en coulée classique, on ob-
tient suivant l'invention des grains de 180 ~m en ~oyenne.
~ ~<
~2~i E;61~
Par aillellrs, on ne note la présence d'aucun picot.
La présente invention trouve son application dans la coulée de semi-
produits metallurgiques notamment en aluminium et ses alliages tels que,
S par exemple, les alliages au lithium et dans lesquels on veut obtenir à
la fois une zone corticale d'épaisseur pratiquement nulle, un grain fin
sans ajout préalable d'agents d'affinage comme l~ATSB et une absence de
picots.
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