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LINGOTIERE A METAUX A REFROIDISSEMENT RAPIDE ET LINGOTS
SUSCEPTIBLES D'ETRE OBTENUS A~JEC CELLE-CI
Domaine de (invention
La présente invention concerne la fonderie des métaux non ferreux, notamment
l'aluminium et ses alliages. Elle concerne tout particulièrement les lingots
de métal,
notamment les lingots empilables, et les lingotières qui permettent de les
obtenir.
Etat de la technique
Les lingots de métal sont produits par verse de métal liquide dans une
lingotière de
forme déterminée. Le métal liquide se refroidit, se solidifie et donne un
lingot ayant
la forme du volume intérieur de la lingotière.
Les lingots ont, pour la plupart, une forme qui permet leur stockage par
empilage et
la m~.nutea~tion des enapilegx~ents ~bte~us. Les empilements peuvent ètxe
stabilisés p~
une ou plusieurs sangles. En général, les lingots sont également dotés de
moyens
pour limiter de volume des empilements et pour les auto-stabiliser. Ces moyens
sont
typiquement des éléments de verrouillage ("interlocking means" en anglais),
tels que
des éléments en saillie (tétons, bossages, plots,...) et des éléments en creux
(encoches, rainures,...), qui coopèrent pour permettre ~. chaque lingot d'être
retenu
par les lingots voisins. Plusieurs formes de lingots et de lingotières ont été
proposées,
telles que celles décrites dans le brevet français FR 1 310 651 (correspondant
au
brevet américain US 3 161 477) de Pechiney, le brevet américain US 3 570 664
de
l'American Magnesium Co., les brevets américains US 3 498 451 et US 3 671 204
de
Ormet Corp., le brevet français FR 2 068 802 (correspondant à la demande
britannique GB 1 315 134) d'Intalco Aluminum Corp., le brevet d'Union
soviétique
SU 1 065 076 de l'Institut de recherches scientifiques et d'études techniques
de
l'U.R.S.S. pour l'industrie de l'aluminium, du magnésium et des électrodes, et
la
demande française FR 2 678 185 de Sollac.
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Problème posé
La vitesse du processus de fabrication des lingots par refroidissement et
solidification
des lingots est un facteur déterminant de la productivité d'une fonderie.
Ainsi, dans
les chaînes de production industrielle de lingots de métal, l'évacuation de la
chaleur
du métal contenu dans les lingotières est généralement accélérée à l'aide d'un
fluide
de refroidissement, typiquement de l'eau, qui est mis en contact thermique
avec la
surface extérieure des lingotières. Toutefois, compte tenu de l'augmentation
permanente de la capacité de production des usines de production de métal,
notamment des usines de production d'aluminium par électrolyse, la fabrication
des
lingots peut devenir une étape limitant la production d'une usine. Il y a par
conséquent une recherche permanente de solutions pour accélérer la fabrication
des
lingots, tout en préservant la qualité des lingots obtenus et la. possibilité
de les
empiler de manière stable.
Description de (invention
L'invention a pour objet une lingotière à métaux, destinée à la fabrication de
lingots
par refroidissement et solidification d'une masse de métal liquide de volume
initial
Vo, comportant une surface intérieure de refroidissement S destinée à
l'évacuation
de tout ou partie de l'énergie thermique dégagée par la masse de métal liquide
lors de
son refroidissement et de sa solidification, et caractérisée en ce que la
surface de
refroidissement S possède une forme telle que, lors de la contraction du
volume Vo
de métal provoquée par son refroidissement et sa solidification, le métal
reste en
contact avec au moins 10 % de la surface S.
De préférence, le métal reste en contact avec au moins 15 % de la surface S,
et de
préférence encore au moins 20 % de la surface S.
Dans sa recherche de solutions au problème posé à l'invention, la demanderesse
a
constaté que, de manière inattendue, le temps de refroidissement effectif des
lingots,
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depuis la verse du métal liquide dans la lingotière jusqu'à l'extraction du
lingot
solidifié, était en fait nettement plus long que ne le prévoyaient les
estimations à
partir de calculs thermiques et que l'importance de ce phénomène dépendait
fortement de la forme même de la lingotière. Elle a alors eu l' idée que le
rallongement du refroidissement était en fait en grande partie attribuable à
un
problème de contact thermique entre le métal et la lingotière et a noté que,
contre
toute attente, la contraction du métal lors de sa solidification produit, en
de nombreux
endroits, une légère séparation entre le lingot et la surface intérieure de la
lingotière.
Bien que faible, cette sëparation crée une lame d'air qui réduit sensiblement
les
échanges thermiques entre le lingot et la paroi de lingotière. Les échanges
thermiques
ne se font alors pratiquement plus que sur des surfaces très restreintes à
l'interface
entre le lingot et la lingotière.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la lingotière à métau~~
est
caractérisée en ce que la surface de refroidissement comprend au moins un
élément
de surface plan Si, formant de préférence tout ou partie du fond de la
lingotière, en ce
qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à
chaque
élé~xaent, de surface Si tel que t~us les segments de droite L~ relia~.a~t
t~ut p~int l'~ de la
surface de refroidissement S au point C passent uniquement à l'intérieur de
la,
lingotière, et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de
surface Si est au
moins égale à 10 % de la surface de refroidissement S.
De préférence, l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est
au moins
égale à 15 % de la surface de refroidissement S, et de préférence encore au
moins
égale à 20 % de la surface de refroidissement S.
L'invention a également pour objet un lingot en métal, susceptible d'être
obtenu avec
une lingotière selon l'invention, comportant une surface moulée Sm et une
surface
brute Sb, et caractérisé en ce que la surface moulée Sm comprend au moins un
élément de surface plan Si, en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan
Pi
tangent à (élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les
segments de
droite D reliant tout point R de la surface moulée Sm au point C passent
uniquement
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à l'intérieur du lingot, et en ce que l'aire totale de (élément, ou des
éléments, de
surface Si est au moins égale à 10 % de la surface moulée Sm.
La surface moulée Sm correspond à la partie de la surface totale du lingot qui
a été
mise en forme par la lingotière, à savoir la surface initiale So. Le reste de
la surface
du lingot, ou surface brute Sb, correspond typiquement à la partie supérieure
de la
masse de métal liquide initiale.
De préférence, l'aire totale de (élément, ou des éléments, de surface Si est
au moins
égale à 15 % de la surface moulée Sm, et de préférence encore au moins égale à
% de la surface moulée Sm.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'une lingotière selon
l'invention pour la
fabrication de lingots en métal.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de lingots en métal
utilisant une lingotière selon l'invention.
L'invention est particulièrement adaptée à la fabrication de lingots en métal
non
ferreux, notamment en aluminium, en alliage d'aluminium, en magnésium, en
alliage
de magnésium, en zinc ou en alliage de zinc.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures annexées et de la
description
détaillée ci-dessous qui en décrivent un mode de réalisation préféré.
Les figures 1 et 2 illustrent, vues en section longitudinale, deux lingotières
typiques
de l'art antérieur et l'effet de la contraction du métal au cours de son
refroidissement
et de sa solidification.
La figure 3 représente une lingotière selon l'invention.
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S
La figure 4 illustre, vue en section longitudinale, une lingotière selon
l'invention et
l'effet de la contraction du métal au cours de son refroidissement et de sa
solidification.
La figure 5 illustre des profils de lingotières selon des variantes de
l'invention.
Description détaillée de l'invention
Comme le montrent les figures annexées, une lingotière (1) comprend
typiquement
une paroi (2), généralement en métal etlou en matériau réfractaire, et une
ouverture
(3) apte à permettre l'admission de métal liquide dans la lingotière. La paroi
(2)
définit un fond (4), des parois latérales (2') et des parois d'extrémité (2").
La paroi (2)
possède une surface intérieure (5) et des éléments de forme (6, 7, 8) destinés
à
donner une forme déterminée au lingot. Ces éléments de forme permettent
d'obtenir,
notamment, des éléments de verrouillage ou de manutention du lingot.
Le métal liquide (10) remplit initialement un volume Vo et entre en contact
avec la
par~i (2) sur une partie So de la surf~.ce intérieure de refroidisserxaent ~.
Le rapp~rt
entre l'aire Ao de la surface So et le volume Vo du métal liquide est alors
élevé, soit
typiquement de l'ordre de 0,5 cm 1. Au cours du refroidissement et de la
solidification, le métal se contracte (occupant un volume Vo' plus faible que
Vo) et
se détache de la paroi en plusieurs endroits, formant ainsi des lames d'air
(9).
Comme le montrent les figures 1 et 2, dans le cas des lingotières de l'art
antérieur,
l'aire Ar de la surface de contact résiduelle Sr est nettement plus faible que
l'aire
initiale Ao. La demanderesse estime que l'aire de la surface résiduelle
obtenue avec
les lingotières de l'art antérieur est nettement inférieure à 10 % de faire
initiale
(typiquement de (ordre de 5 %). Par conséquent, une faible réduction du volume
Vo
conduit à une augmentation considérable de la résistance thermique.
Selon l'invention, il est possible de maintenir une surface de contact élevée,
en dépit
de la contraction du métal, grâce à l'utilisation d'une forme appropriée de la
surface
intérieure de la lingotière. De préférence, la forme est telle que, lors de la
contraction
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du volume Vo de métal provoquée par son refroidissement et sa solidification,
le
métal reste en contact avec au moins 10 % de la surface de refroidissement S.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la lingotière à métaux
(1), qui est
destinée à la fabrication d'un lingot (11) par refroidissement et
solidification d'une
masse de métal liquide (10), comporte une paroi (2) et une ouverture (3),
ladite paroi
(2) définissant un fond (4) et une surface intérieure (5) dont une partie S,
dite surface
de refroidissement, est apte à évacuer tout ou partie de l'énergie thermique
dégagée
par la masse de métal (10) au cours de son refroidissement et de sa
solidification,
ladite paroi (2) comportant au moins un élément de forme (6, 7, 8) destiné à
former
au moins un élément de verrouillage, un élément d'empilement ou un élément de
manutention sur le lingot (11), et est caractérisée en ce que la surface de
refroidissement S comprend au moins un élément de surface plan Si formant tout
ou
partie du fond (4) de la lingotière ( 1 ), en ce qu'il existe au moins un
point C sur un
plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous
les
segments de droite D reliant tout point R de la surface de refroidissement S
au point
C passent uniquement à l'intérieur de la lingotière (1), et en ce que l'aire
totale de
l'élén~ent9 ~u des éléments9 de surface ~i est au a~~ins égale ~, 10 % de 1~
surface de
refroidissement S.
En d'autres termes, les segments de droite D ne touchent aucun autre point de
la
surface S, sauf ceux des éléments de surface Si.
De préférence, l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est
au moins
égale à 15 % de la surface S, et de préférence encore au moins égale à 20 % de
la
surface S.
L'impact de la contraction du métal provoquée par le refroidissement et la
solidification du métal liquide (10), qui est initialement en contact avec une
partie So
de la surface de refroidissement S, peut être visualisée, de manière
approximative,
par une contraction homothétique de la surface So, d'une quantité K
relativement
faible par rapport au point C. On voit sur la figure 4 que, dans une
lingotière selon
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l'invention, la contraction ne génère pas d'intersection entre la surface
contractée So'
ainsi obtenue et la surface So initiale et permet de maintenir pratiquement
inchangée
l'aire de chaque surface Si du fond (4) (dans le cas illustré à la figure 4,
le fond
comporte deux surfaces Si, qui sont identifiées par les repères S1 et S2 à la
figure 3).
En fait, la contraction homothétique maintient la surface contractée So' en
contact
avec le ou les éléments de surface Si par glissement dans leur plan Pi.
Lorsqu'il y
plus d'un élément de surface Si, le point C se trouve à l'intersection des
plans
respectifs P1, Pa,..., tel qu'illustré à la figure 3.
L'effet de la gravitation est pris en compte par le fait que le ou les
éléments de
surface Si sont situés au fond de la lingotière. En pratique, le point C est
de
préférence tel que le centre de masse du volume contracté Vo', correspondant à
la
surface contractée So', est au point le plus bas possible par rapport au sens
d'utilisation normal de la lingotière, c'est-à-dire qu'il n'est pas possible
de déplacer
1 S verticalement vers le bas la surface contractée So' sans produire une
intersection
entre So' et la surface intérieure (5) de la lingotière. En d'autres termes,
la
contraction homothétique laisse la surface contractée So' au niveau
gravitationnel le
plus bas pax rapp~rt au sens d'utilisation de la lingotière. Les lingotières
sel~~
l'invention permettent ainsi de maintenir une surface de contact résiduelle
nettement
plus grande que les lingotières de l'art antérieur.
La valeur exacte de la quantité K, appelée « rapport d'homothétie », n'est pas
critique pour le fonctionnement de l'invention, du moment qu'elle est
représentative
des valeurs de contraction thermiques obtenues avec les métaux. Il est
suffisant
d'utiliser un rapport d'homothétie K inférieur à environ 1 % pour déterminer
les
formes de surface de refroidissement appropriées. Les contractions de volume
du
métal, de Vo à Vo', représentées dans les figures annexées ont été
volontairement
exagérées afin de mieux illustrer le principe de l'invention.
Les éléments de surface Si sont avantageusement inclinés d'un angle oc; par
rapport
au niveau normal N initial du métal liquide (10). Ledit niveau N est
typiquement
parallèle au bord extérieur (16) de l'ouverture (3) de la lingotière (1).
L'angle a; est
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de préférence inférieur à 30°, et de préférence inférieur à 20°,
afin d'optimiser le
volume du lingot tout en libérant un espace sous celui-ci qui permet de passer
une
sangle lors de l'empilement des lingots obtenus.
Afin de former les éléments de forme (6, 7, 8, 14, 15), la surface de
refroidissement S
comporte normalement plus de 5 éléments de surface distincts, à savoir au
moins
deux parois latérales (2'), deux parois d'extrémité (2") et un fond (4). Par
exemple, la
lingotière illustrée à la figure 3 comporte au moins 10 éléments de surface
distincts
(en incluant les parois latérales (2')).
La lingotière selon l'invention comporte typiquement un nombre pair d'éléments
de
surface Si. Le nombre d'éléments de surface Si est de préférence égal à 2 (tel
qu'illustré aux figures 3 et 4) afin de simplifier sa réalisation et d'obtenir
plus
facilement une Très grande surface de contact résiduelle. Les éléments de
surface Si
sont de préférence jointifs (tel qu'illustré à la figure 3) afm de permettre
de
maximiser la surface contact résiduelle.
L~, f gare 3 illustre aan mode de réalisation de l'in~renti~n~
p~.rtic~aliérernent
avantageux, dans lequel il y a deux éléments de surface Si, dénotée S1 et S~,
qui ne
sont pas dans le même plan et qui se croisent au point C. La figure 5 illustre
des
variantes de l'invention dans lesquelles le fond (4) comporte des éléments de
forme
supplémentaires (14, 15).
Les éléments de surface Si peuvent avoir des aires Ai différentes et être
inclinés d'un
angle a; différent. Afin de simplifier la réalisation et l'utilisation de la
lingotière
selon l'invention, celle-ci possède avantageusement un axe principal A et un
plan de
symétrie B perpendiculaire à son axe principal A, et le point C se situe dans
le plan
de symétrie B. Dans ce mode de réalisation, l'angle a; est le même pour les
éléments
de surface Si disposés symétriquement. Dans ce cas, le bord extérieur (16) de
(ouverture (3) de la lingotière (1) est de préférence sensiblement droit et
perpendiculaire au plan B et le niveau normal N initial du métal liquide (10)
est
sensiblement. parallèle audit bord extérieur ( 16).
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De préférence, aucun des angles entre les éléments de la surface intérieure de
la
lingotière n'est inférieur à 90° afm d'éviter de former des zones de
blocage du lingot
dans la lingotière qui gêneraient son extraction.
Les éléments de verrouillage comprennent typiquement des éléments en saillie
(tétons, bossages, plots,...) et des éléments en creux (encoches,
rainures,...), qui
coopèrent pour permettre à chaque lingot d'être retenu par les lingots
voisins. Les
éléments d'empilement comprennent typiquement des éléments en saillie ou en
creux
(tels que des enfoncements) qui permettent d'empiler les lingots de manière
optimale
et/ou qui permettent de placer des moyens de stabilisation de l'empilement,
tels que
des sangles. Les éléments de manutention comprennent typiquement des éléments
en
saillie et/ou en creux qui forment des moyens de préhension, tels que des
"oreilles"
ou des poignées.
L'invention a également pour objet un lingot (11) en métal comportant une
surface
moulée Sm et une surface brute Sb, comportant au moins un élément choisi parmi
les
éléments de verrouillage9 les éléments d'empilegnent et les éléments de
n~anute~ti~n4
et caractérisé en ce que la surface moulée Sm comprend au moins un élément de
surface plan Si, en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent
à
(élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de
droite D
reliant tout point R de la surface moulée Sm au point C passent uniquement à
l'intérieur du lingot (11), et en ce que l'aire totale de félëment, ou des
éléments, de
surface Si est au moins égale à 10 % de la surface moulée Sm.
Ainsi, à l'image du cas de la lingotière selon l'invention, une contraction
homothétique de la surface Sm, d'une quantité K déterminée par rapport au
point C,
ne génère pas d'intersection entre la surface contractée Sm' ainsi obtenue et
la
surface moulée Sm.
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De préférence, l'aire totale de (élément, ou des éléments, de surface Si est
au moins
égale à 15 % de la surface moulée Sm, et de préférence encore au moins égale à
20
de la surface moulée Sm.
5 Chaque élément de surface Si est avantageusement incliné d'un angle a; par
rapport
à la surface brut Sb du lingot, ce qui permet d'optimiser le volume du lingot
tout en
libérant un espace sous celui-ci qui permet de passer une sangle lors de
l'empilemént
des lingots. L'angle oc; est de préférence inférieur à 30°, et de
préférence encore
inférieur à 20°. La demanderesse a noté que l'espace libre ainsi obtenu
était
10 particulièrement avantageux car il permet d'utiliser une sangle en matériau
souple,
tel que le polyester, qui assure une bonne tenue de l'empilement, lorsque les
lingots
sont empilés, sans risquer qu'elle s'use lors de la manutention de
l'empilement. En
effet, en l'absence de cet espace libre, la sangle peut frotter sur le sol et
s'user par
abrasion. Il est généralement suffisant que la profondeur I~ de l'espace libre
sous le
lingot obtenu soit compris entre 6 et 12 mm pour un lingot d'une longueur
totale de
70 cm environ.
Le lingot ~elo~a l9in~eg~ti~n ~~ag~~perte t~ypique~nent pan g~~mbre pair
d'éléme~~t~ de
surface Si, et de préférence deux éléments de surface Si afin de simplifier sa
fabrication. Dans ce dernier cas, les deux éléments de surface Si sont
typiquement
jointifs.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le lingot possède un
axe
principal A et un plan de symétrie B perpendiculaire à son axe principal A, et
le point
C se situe dans le plan de symétrie B. Dans ce mode de réalisation, l'angle
oc; est le
même pour les éléments de surface Si disposés symétriquement. Le nombre
d'éléments de surface Si est de préférence égal à 2 (tel qu'illustré aux
figures 3 à 5).
Les éléments de surface Si sont de préférence jointifs (tel qu'illustré aux
figures 3 et
4).
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De manière à faciliter la manutention des lingots selon l'invention, ceux-ci
comprennent de préférence des éléments de manutention (13), typiquement deux
éléments d'extrémité, appelés « oreilles », tel qu'illustré à la figure 4.
Le lingot selon l'invention, qui est typiquement un lingot empilable, peut
être obtenu
avec la lingotière selon (invention.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de lingots en métal
dans
lequel on verse un volume Vo de métal liquide dans une lingotière selon
l'invention,
on soumet la lingotière à un flux de fluide de refroidissement (typiquement de
l'eau)
et on extrait le lingot après refroidissement et solidification du métal.
Le métal est typiquement de l'aluminium, un alliage d'aluminium, du magnésium,
un
alliage de magnésium, du zinc ou un alliage de zinc.
L'invention permet d'obtenir des lingots exempts de bulles et de fissures
provenant
de la retassure du métal lors de son refroidissement.
Elle permet également d'éviter le blocage des lingots dans la lingotière, par
contraction thermique. Le démoulage des lingots en est facilité, ce qui
contribue
également à accélérer les opérations de fabrication des lingots.
Essais
Des essais comparatifs ont été réalisés avec des lingotières en métal
similaires à
celles représentées à la figure 2 (art antérieur) et à la figure 3
(invention). Le métal
était de l'aluminium. Le volume de métal coulé était typiquement 23 et 28 kg.
Les temps de solidification étaient respectivement supérieurs à 350 s pour les
lingotières de l'art antérieur et de l'ordre de 335 s pour les lingotières
selon
l'invention. En outre, les temps de solidification obtenus avec des
lingotières de l'art
antérieur étaient très dispersées (écart type supérieur à 30 s), alors
qu'elles étaient
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peu dispersés avec les lingotières selon l'invention (écart type inférieure à
3 sec). Les
lingots obtenus avec les lingotières selon l'invention étaient généralement
exemptes
de retassures et de fissures.
La surface intérieure totale des lingotières (y compris les parois latérales
(2')) de fart
antérieur et selon l'invention était de 2300 cm2 environ. La demanderesse
estime que
la valeur de la surface de contact résiduelle était de 5 % environ de la
surface totale
pour les lingotières de l'art antérieur et de 20 % environ de la surface
totale avec les
lingotières selon l'invention.
Liste des repères numériques
1 Lingotire mtaux
2 Paroi
2' Parois latrales
2" Parois d'extrmit
3 Ouverture
4 Fond
Surface intrieure
6, 7, Elments de forme
~
9 Lames d'air
10 Mtal liquide
11 Lingot
12 Surface libre du mtal liquide
13 Elments de manutention
14, 15 Elments de forme
16 Bord extrieur de l'ouverture
de la lingotire
