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Dispositif de refroidissement à double jet pour moule de coulée semi-continue
verticale.
Domaine de l'invention
L'invention concerne le domaine de la fabrication de demi-produits tels que
les
plaques de laminage et les billettes de filage en alliages d'aluminium par
coulée
semi-continue verticale.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif et un procédé de
refroidissement
direct, à double rangée de jets, assurant une trempe progressive et continue
du
produit en cours de solidification, et notamment pendant la phase de démarrage
de la
coulée, de façon à maîtriser et minimiser le phénomène de cambrure, et
autorisant un
laminage à chaud, ou filage, ultérieur sans sciage préalable du pied de
coulée, et ce
sans déchirures ou criques.
La lingotière peut ou non comporter, sur sa surface travaillante, un insert en
graphite
afin d'améliorer l'état de surface en régime permanent.
Les produits peuvent être destinés à la fabrication de toute application sous
forme de
tôles, bandes, profilés ou pièces de forge obtenues par extrusion,
Etat de la technique
Les plaques de laminage et les billettes de filage sont typiquement fabriquées
par
coulée dans un moule, ou lingotière, vertical et positionné sur une table de
coulée au
dessus d'une fosse ou puits de coulée.
Le moule est à section rectangulaire dans le cas des plaques ou circulaire
dans le cas
des billettes, à extrémités ouvertes, à l'exception de l'extrémité inférieure
fermée en
début de coulée par un faux fond qui se déplace en descendant grâce à un
descenseur
au cours de la coulée de la plaque ou billette, l'extrémité supérieure étant
destinée à
l'alimentation en métal.
Le moule et le faux fond définissent la cavité dans laquelle le métal est
coulé.
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Au démarrage du processus de coulée, le faux fond se trouve dans sa position
la plus
haute dans le moule. Dès que le métal est versé et refroidi, typiquement au
moyen
d'eau, le faux fond est descendu à une vitesse prédéterminée. Le métal
solidifié
s'extrait alors par la partie inférieure du moule et la plaque ou billette est
ainsi
.. formée.
Ce type de moulage dans lequel le métal extrait du moule est refroidi
directement par
impact d'un liquide de refroidissement est connu sous le nom de coulée semi-
continue, typiquement verticale, à refroidissement direct.
En coulée semi-continue, la difficulté réside dans la réussite du passage de
la vitesse
nulle du début de formation du produit à la vitesse de régime permanent. Ce
passage
se traduit par une déformation du pied de plaque, connue de l'homme du métier
sous
le nom de cambrure. Si elle est trop prononcée, ce qui se produit lorsque le
pied est
refroidi trop violemment, la cambrure peut engendrer ce que l'homme du métier
appelle des pissures , qui peuvent parfois dégénérer en pendaison , c'est-
à-dire
un coincement de la plaque dans son moule. La cambrure associée à un régime de
refroidissement inadapté peut aboutir, de façon moins catastrophique, à la
cassure du
pied ou à des fentes dans le pied. Ces cassures ou fentes sont tout à fait
nuisibles car
elles peuvent se propager en régime permanent conduisant de ce fait au rebut
du
produit, sinon et pour le moins, elles empêchent le laminage à chaud de la
plaque
sans sciage du pied pour restaurer l'intégrité du produit. Enfin une cambrure
qui
n'entraîne aucun rebut de coulée se traduit toutefois par des variations de
section du
produit qui peuvent empêcher le laminage des produits sans sciage du pied.
Pour limiter la cambrure il est connu de l'homme du métier qu'il faut extraire
moins
de chaleur du produit pendant la phase de démarrage de la coulée qu'en régime
permanent. Pour cela différentes technologies ont été développées (pulsation,
injection de CO2 dans l'eau de démarrage, utilisation de lingotières en Vé et
de faux-
fonds galbés). Les techniques les plus performantes consistent à réduire
suffisamment le débit de refroidissement au démarrage pour obtenir un régime
de
caléfaction stable, qui extrait beaucoup moins de chaleur que le régime
d'ébullition
nucléée ou le régime de ruissellement. Par ailleurs il est connu que la
vitesse de
cambrure est une fonction croissante de la vitesse de démarrage, ce qui
conduit à
démarrer la coulée à une vitesse qui est généralement inférieure à la vitesse
de coulée
de régime permanent. Il est donc connu de l'homme du métier que les paramètres
les
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plus importants sont la vitesse de remplissage et la température de coulée,
une faible
extraction de chaleur au début de la phase de démarrage en utilisant une
quantité
d'eau suffisamment faible et d'efficacité thermique adaptée en relation avec
sa
qualité, le choix approprié de la vitesse de démarrage en regard du débit
d'eau initial,
enfin le choix, en fin de phase de démarrage, de la rampe de montée en vitesse
de
coulée et d'accroissement du débit d'eau de refroidissement qui permettent
d'atteindre les paramètres de vitesse et de refroidissement adaptés au régime
permanent de coulée en garantissant la bonne santé du pied et la minimisation
de sa
cambrure.
Ceci peut être obtenu avec des lingotières connues sous l'appellation de
Waterhole (moules à trous) dont l'architecture intérieure et les diamètres
de trous
permettent d'atteindre de très faibles débits tout en garantissant une très
bonne
uniformité du débit le long du moule.
Ces moules comportent soit une rangée horizontale de trous, soit deux rangées
superposées.
La demande WO 2005/092540A1 et les brevets US 7,007,739 B2, US 5,518,063, US
5,582,230, et US 5,685,359, de Wagstaff Inc. divulguent un système
d'arrosage
séquentiel, d'abord avec une première rangée de trous à 22 d'incidence, qui
permet
d'obtenir le régime de caléfaction au démarrage, puis en lui superposant une
deuxième rangée de jets issus de trous à 45 qui mettent fin à la caléfaction
et
assurent un refroidissement suffisant en régime permanent. La forte
différenciation
entre le régime à une rangée de jets à faible incidence et le régime à
arrosage par les
deux jets dont un à forte incidence est explicitement revendiquée par
Wagstaff
Inc. .
Chacun de ces deux systèmes (à une ou deux rangées telles que ci-dessus)
présente
des inconvénients :
- Les moules du type Waterhole à une rangée de trous permettent
effectivement
d'obtenir un régime de caléfaction à faible débit linéique, mais ils sont très
sensibles
à la qualité de l'eau. En effet, d'une part le débit linéique minimal
accessible avec
une seule rangée de trous n'est pas aussi faible que lorsque la moitié
seulement des
trous arrose le produit, comme dans les moules de Wagstaff Inc.
commercialisés
sous les noms de EpsilonTm ou LHCTm (ce dernier à insert en graphite
sur les
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faces travaillantes). Par conséquent le point de fonctionnement de ces moules
à une
rangée de trous est, par construction, plus proche de la transition vers
l'ébullition
nucléée, soit du point dit de Leidenfrost sur la courbe de Nukiyama connue de
l'homme du métier, c'est-à-dire qu'une faible variation de débit le long du
moule, de
température de l'eau ou de qualité de l'eau, peut aisément faire basculer le
point de
fonctionnement de la caléfaction vers l'ébullition nucléée. C'est pourquoi ces
moules
ne peuvent pas être correctement utilisés lorsque l'eau est trop froide, ou
lorsque elle
est sujette à des variations saisonnières de qualité.
- Les moules à refroidissement séquentiel ( EpsilonTm et LHCTm de
Wagstaff Inc. ) sont, quant à eux, beaucoup moins sensibles à la qualité de
l'eau,
car leur point de fonctionnement est plus éloigné du point de Leidenfrost du
fait du
très faible débit de démarrage lorsque seulement la moitié des trous arrose le
produit,
qui plus est à faible incidence. Cependant cette technologie présente
plusieurs
inconvénients :
.. - Le premier inconvénient de cette technologie, qui revendique
explicitement la
différenciation entre le premier et le deuxième régime d'arrosage, est le
phénomène
de double cambrure. En effet, une première cambrure se produit lors du
démarrage
avec la première rangée de jets à incidence de 22 . Mais une seconde cambrure
se
produit lors de l'activation des jets à 45 . Il faut savoir que le phénomène
mécanique
de cambrure ne s'arrête pas brusquement, mais continue à faire sentir ses
effets
jusque tard au cours de la coulée, soit à lm de longueur de coulée et plus. Ce
système
d'arrosage séquentiel contribue à allonger significativement ce régime
transitoire
mécanique de cambrure. Lors du laminage à chaud ultérieur de la plaque, cela
se
traduit par un risque de fissuration entre la première et la deuxième cambrure
et aux
.. rebuts de laminage qui en découlent. Ainsi les moules de l'art antérieur
ont ils été
optimisés sur le seul critère du recouvrement à la coulée et pas sur le
comportement
au laminage des pieds de plaque ainsi formés.
- Le deuxième inconvénient a trait au bombé de pied, prolongé du fait du très
faible
débit d'arrosage pendant la première phase de démarrage de coulée.
- Le troisième inconvénient est l'incompatibilité de cette technologie avec la
coulée
d'alliages dits durs. En effet, ceux ci sont souvent caractérisés par une
forte
sensibilité à la crique à chaud d'une part, et par le fait que des contraintes
très élevées
y apparaissent rapidement lors du refroidissement. Il est impératif de limiter
tous les
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gradients de température locaux qui peuvent se traduire par des contraintes
internes
localement très élevées. Or, d'une part la phase d'arrosage à très faible
débit est
propice à la crique à chaud, et ce pour deux raisons : le temps excessif passé
par le
métal de surface dans la zone dangereuse de fraction solidifiée (présence
d'une
5 fraction liquide résiduelle fragilisante) avant l'impact situé très bas
des jets à 22 , et
l'espacement excessif entre les jets à 22 qui créent des gradients thermiques
locaux
propices à l'initiation de criques, d'autre part l'application brutale d'un
deuxième
arrosage à forte incidence après le régime à faible incidence crée précisément
les
conditions d'apparition d'un gradient thermique local très élevé et des
contraintes qui
l'accompagnent.
Problème posé
La présente invention se propose d'apporter une solution au problème de double
.. cambrure et de qualité du pied de plaque, sans les inconvénients qui ont
été notés
pour les solutions existantes, entre autres et en particulier pour les
alliages durs.
Elle vise à optimiser le démarrage de la coulée non seulement sur un critère
de
recouvrement lors du démarrage, mais aussi sur un critère d'aptitude à la
transformation ultérieure par laminage à chaud.
Elle vise également à élargir le domaine d'applicabilité à tous les types
d'alliages
d'aluminium.
On notera à ce titre que tous les alliages d'aluminium dont il est question
dans ce qui
suit sont désignés, sauf mention contraire, selon les désignations définies
par
Aluminum Association dans les Registration Record Series qu'elle publie
régulièrement.
Objet de l'invention
L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement d'un moule de coulée
semi
continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage ou
billettes de
filage (3), constitué de deux rangées de trous, disposées sur l'ensemble du
périmètre
interne de la cavité du moule, dans sa partie inférieure de sortie de la
plaque ou
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billette (3), chacune des rangées de trous étant située à proximité d'un plan
perpendiculaire à l'axe vertical dudit moule, caractérisé en ce que:
a) Les deux rangées de trous sont reliées à une seule et même chambre de
liquide de refroidissement (2) aménagée dans le corps dudit moule,
b) La première rangée desdits trous, soit la plus haute dans le moule
vertical,
ou encore la plus en amont pour ce qui est de la distribution du liquide, est
reliée à
ladite chambre (2) au moyen de canaux permettant la projection (4) dudit
liquide de
refroidissement sur ladite plaque ou billette (3) avec un angle d'incidence de
32
+13/-5, et de préférence 5, degrés par rapport à l'axe vertical du moule,
I() c) La deuxième
rangée desdits trous, soit la plus basse dans le moule vertical,
ou encore la plus en aval pour ce qui est de la distribution du liquide, est
reliée à
ladite chambre (2) au moyen de canaux permettant la projection (5) dudit
liquide de
refroidissement sur ladite plaque ou billette (3) avec un angle d'incidence de
22 5
degrés par rapport à l'axe vertical du moule,
d) Les trous de la deuxième rangée, la plus basse ou encore en aval pour ce
qui est de la distribution du liquide, sont disposés sensiblement sur la
médiatrice de
l'intervalle entre deux trous de la première rangée, soit la plus haute ou la
plus en
amont, relativement à l'axe vertical du moule.
Selon un mode de réalisation préférée, les deux rangées de trous et lesdits
canaux
sont organisés par rapport à la chambre de liquide de refroidissement (2) pour
pouvoir distribuer simultanément ledit liquide avec des débits et des vitesses
sensiblement égaux sur les deux rangées de trous, tant pendant la phase de
démarrage
que pendant le régime permanent de la coulée. Ceci est obtenu en utilisant des
trous
de diamètre sensiblement égaux sur une même rangée et entre les deux rangées.
De préférence, les deux rangées de trous dudit dispositif de refroidissement
sont
disposées l'une par rapport à l'autre de façon à produire des jets (4 et 5)
qui, s'ils
sont tendus, forment, à tout instant de la coulée, tant pendant le démarrage
que
pendant le régime permanent, des impacts sur la surface sensiblement verticale
contenant la face travaillante du moule, espacés l'un de l'autre d'une
distance
comprise entre 10 et 40 mm selon la direction verticale.
Encore préférentiellement, le diamètre de chacun desdits trous de chaque
rangée est
de 3 1 mm.
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Avantageusement, l'espacement entre deux trous adjacents sur une même rangée
est
compris entre 10 et 30 mm.
L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre dudit
dispositif de
refroidissement tel que décrit auparavant pour la coulée semi-continue
verticale à
refroidissement direct de plaques de laminage ou billettes de filage (3), et
tel que le
débit total d'eau de refroidissement pour l'ensemble des trous des deux
rangées, soit
le débit quittant la chambre de liquide de refroidissement (2), est compris
entre 0.3 et
0.8 l/min par cm linéaire de périmètre de moule, au début de la phase
transitoire de
démarrage de la coulée, phase pendant laquelle le débit de liquide de
refroidissement
et la vitesse de coulée n'ont pas atteint leur valeur de régime permanent
telle que
décrite au paragraphe État de la technique , puis est porté au débit voulu
pour le
régime permanent de coulée typiquement de 1 l/cm/min ou plus.
Plus préférentiellement, ledit débit d'eau au début de la phase transitoire de
démarrage de la coulée est compris entre 0.4 et 0.6 l/cm/min.
.. De manière avantageuse, le liquide de refroidissement est amené
simultanément sur
l'ensemble des trous des deux rangées pendant la phase de démarrage de la
coulée,
de telle sorte que le phénomène de cambrure se produit de manière progressive,
répartie et continue, tout en étant minimisé du fait du débit dudit liquide.
Selon un mode de réalisation particulier, le procédé de mise en oeuvre dudit
dispositif
de refroidissement pour la coulée semi-continue verticale de plaques de
laminage (3)
utilise un moule de coulée muni d'un faux fond plat dont les rebords sont
compris
dans un plan sensiblement horizontal.
Selon un mode de réalisation encore plus avantageux, il utilise un moule de
coulée
muni d'un faux fond galbé, ou encore un moule de coulée muni d'un faux fond
plat
avec rebord incurvé, de manière, dans les deux cas, à ce que le milieu des
faces du
produit soit soumis, pendant la phase de démarrage de la coulée, au
refroidissement
direct par le liquide de refroidissement avant que les régions de la face de
laminage
les plus éloignées du milieu de face ne soient encore sorties du moule.
Enfin, ledit procédé de mise en uvre dudit dispositif de refroidissement pour
la
coulée semi-continue verticale à refroidissement direct de plaques de laminage
ou
billettes de filage (3) peut utiliser un moule de coulée muni, sur sa surface
travaillante, d'un insert en graphite (1).
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Description des figures
La figure 1 représente la longueur de caléfaction en millimètres, obtenue dans
le cas de l'exemple 1, en fonction du débit linéique initial de démarrage de
la coulée,
en 1/cm de périmètre de moule et par minute, pour trois types de moules de
même
format 2600 x 350 mm:
Un moule à une seule rangée de trous à incidence de jet de 300 (repéré 30,
symboles
carrés),
Un moule à deux rangées de trous à incidences respectivement de 45 et 22
activés
simultanément (repéré 45/22, symboles circulaires)
Un moule à deux rangées de trous à incidences respectivement de 32 et 22 ,
selon
l'invention (repéré 32/22, astérisques).
La figure 2 représente la variation de la température de surface des plaques
de l'exemple 1, mesurée sensiblement à mi-largeur en sortie du moule, en C,
en
fonction du même débit et pour les mêmes moules repérés de la même façon que
précédemment.
On y distingue trois zones : la zone I sans caléfaction, la zone II à
caléfaction stable
et bonne santé du pied de coulée, la zone III avec caléfaction mais
fissuration à
chaud du pied.
La figure 3 représente l'évolution de la cambrure, obtenue dans le cas de
l'exemple 1, en millimètres, en fonction du débit linéique initial de
démarrage de la
coulée, en l/cm linéaire de périmètre de moule et par minute, pour trois types
de
moules identiques aux précédents et repérés de la même façon.
La figure 4 représente la taille des cellules de solidification, en um, en
fonction de la distance à la peau de coulée, en mm, obtenues en régime
permanent
sur une plaque de l'exemple 2. Les symboles en astérisque sont relatifs au
moule à
deux rangées de trous d'incidences 32 et 22 et à insert graphite, selon
l'invention,
les symboles en cercle à un moule LHCTM de Wagstaff à deux rangées de
trous
d'incidences 45 et 22 .
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La figure 5 représente les formes typiques de bandes obtenues par laminage à
chaud d'un pied de plaque (seule une demi-largeur est dessinée), à gauche à
partir
d'une plaque coulée avec un moule selon l'invention, à droite avec un moule
LHCTM
de Wagstaff 45/22 à refroidissement séquentiel pendant la phase de
démarrage de
constitution du pied.
La figure 6 représente une vue en coupe d'un moule selon l'invention, muni
d'un insert en graphite 1 sur la face travaillante, son unique chambre à eau
en 2, la
plaque coulée 3 étant représentée à l'extrémité gauche inférieure de la coupe,
en
grisé uniforme, avec les deux faisceaux incidents à 32 et 22 de liquide de
refroidissement, respectivement 4 et 5.
Dans ce mode de réalisation, la chambre comporte une cloison ou diaphragme 6,
muni(e) d'au moins un orifice 7 de façon à régulariser le débit de liquide
délivré.
Description de l'invention
Pour que le produit soit tout d'abord arrosé par un débit très faible, on
utilise le
système de deux rangées de jets.
Mais la demanderesse a constaté qu'il suffit de diviser le débit entre deux
rangées de
jets activées simultanément pour obtenir l'effet de caléfaction souhaité.
Point n'est
besoin d'une activation séquentielle des deux rangées de jets (4 et 5). Elles
sont donc
activées simultanément afin d'éviter l'inconvénient noté pour l'arrosage
séquentiel, à
savoir un phénomène trop marqué de double cambrure et la prolongation exagérée
du
régime mécanique transitoire de démarrage qui donne naissance à un bombé de
pied
prolongé.
L'angle d'incidence des jets est un paramètre essentiel de l'invention.
L'incidence de la première rangée de jets qui arrose le produit est la plus
directe. Or
la demanderesse a constaté que plus cette incidence est directe, moins le
domaine de
débits dans lequel la caléfaction est stable est étendu. La première rangée de
jets (4)
qui arrose le produit doit donc avoir une incidence de l'ordre de 32 +13 -5,
et de
préférence 32 5 , pour permettre l'établissement d'un régime stable de
caléfaction.
La deuxième rangée de jets (5) doit donc avoir une incidence encore plus
faible, et
telle que la distance d'impact entre les deux rangées de jets soit suffisante
pour que le
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régime de caléfaction ait le temps de s'établir. Deux rangées de jets trop
proches sont
en fait équivalentes à une rangée unique de jets. Typiquement la deuxième
rangée de
jets (5) a une incidence de l'ordre de 22 5 de façon à ce que la distance
verticale
entre les impacts des jets issus de chacune des deux rangées soit comprise
entre 10 et
5 40 mm.
Ainsi obtient-on un effet de trempe progressive spatialement avec un
refroidissement
modéré, obtenu par une première rangée, puis par une deuxième rangée de jets
une
vingtaine de millimètres plus bas. La progressivité spatiale de la trempe peut
être
améliorée dans le sens latéral par l'utilisation de faux fonds galbés ou à
rebords
10 incurvés.
Mais l'invention consiste aussi à obtenir un effet de trempe progressive
temporellement, grâce à une augmentation progressive et simultanée du débit
d'eau
sur les deux rangées de jets, qui permet d'éviter le phénomène
particulièrement
marqué de double cambrure inhérent à la technologie de jets séquentiels.
.. Cela permet également de guérir les points de faiblesse vis-à-vis de la
crique à chaud
qui sont situés entre les jets de la première rangée du fait de leur
espacement. Ces
points chauds sont rapidement refroidis par la deuxième série de jets à faible
incidence, disposés sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre les
jets de la
première rangée, ce qui permet une trempe progressive de la surface du métal.
La demanderesse a constaté que l'utilisation de rangées de jets d'incidence 32
et 22
permettait d'obtenir un régime de caléfaction stable pour des eaux froides
(jusqu'à
10 C) et pour des débits linéiques significativement plus élevés (jusqu'à 0.6
l/cm/min) que pour les technologies existantes. Le régime de démarrage obtenu
est
ainsi extrêmement robuste, garantissant un taux de recouvrement proche de 100
% à
la coulée. Il a de plus été montré lors du laminage à chaud de plaques non
sciées
l'absence complète de criques en extrémité et en rives, grâce à l'intégrité de
la
semelle et à l'absence de perturbation de la section liée à un phénomène
exagéré de
double cambrure.
La demanderesse a de plus constaté que, lors de la coulée d'alliages durs, les
fentes
de surface en régime permanent, observées dans le cas d'un moule à simple
rangée
de jets, sont éliminées avec un moule à deux rangées de jets à 32 et 22
d'incidence.
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Dans ses détails, l'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-
après, qui
n'ont toutefois pas de caractère limitatif
Exemples
Exemple 1
Des plaques de laminage au format 2600 mm x 350 mm en alliage du type AA7449
ont été coulées avec des moules à trous pour refroidissement par eau (
Waterhole )
de différents types :
Un moule à une seule rangée horizontale de trous de diamètre 3.2 mm
espacés entre eux de 6 mm, avec une incidence de jet d'eau de refroidissement
sur la
plaque en sortie de moule de 30 par rapport à l'axe vertical. Des débits
linéiques
d'eau de refroidissement, au démarrage de la coulée, de 0.45 à 0.51 1 par cm
linéaire
de périmètre de moule /min. ont été testés. Le débit a ensuite été accru pour
atteindre
1 l/cm/min. en régime permanent.
Un moule à deux rangées de trous horizontales superposées, activées
simultanément, tous les trous ayant un diamètre de 3.2 mm et étant espacés
entre eux
sur chaque rangée de 12 mm, et tel que les impacts des jets issus de ces deux
rangées
soient distants les uns des autres selon l'axe vertical de 18 mm, chacun des
trous de
la rangée inférieure étant disposé sensiblement sur la médiatrice de
l'intervalle entre
deux trous de la rangée supérieure.
L'incidence, ici simultanée, des jets d'eau de refroidissement sur la plaque
en sortie
de moule, était de 45 et 22 par rapport à l'axe vertical.
Des débits linéiques totaux (soit pour l'ensemble des trous des deux rangées)
d'eau
de refroidissement, au démarrage de la coulée, de 0.55 à 0.60 1 par cm
linéaire de
périmètre de moule /min. ont été testés. Le débit a ensuite été accru pour
atteindre 1
I/cm/min. en régime permanent.
Un moule selon l'invention, à deux rangées de trous horizontales
superposées, tous les trous ayant un diamètre de 3.2 mm et étant espacés entre
eux
sur chaque rangée de 12 mm, chacun des trous de la rangée inférieure étant
disposé
sensiblement sur la médiatrice de l'intervalle entre deux trous de la rangée
supérieure.
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Les incidences des jets d'eau de refroidissement, activés simultanément, sur
la
plaque en sortie de moule étaient de 32 et 22 par rapport à l'axe vertical
créant des
impacts séparés verticalement d'une distance de 18 mm.
Des débits linéiques totaux (soit pour l'ensemble des trous des deux rangées)
d'eau
de refroidissement, au démarrage de la coulée, de 0.45 à 0.60 1 par cm
linéaire de
périmètre de moule /min. ont été testés. Le débit a ensuite été accru pour
atteindre 1
1/cm/min. en régime permanent.
La température de l'eau de refroidissement était de 15 2 C dans les trois
cas.
On a mesuré dans tous les cas la longueur de caléfaction en sortie de moule
par la méthode connue sous le nom de ISTM ( Ingot Surface Temperature
Measurement ) qui consiste à mesurer la température de surface de la plaque
en
piquant un thermocouple de contact sur ladite surface sous l'impact du jet
inférieur
de refroidissement, à enregistrer la température au cours d'une descente de 5
mm de
la plaque, puis à renouveler l'opération tout au long de la phase transitoire
de
démarrage de la coulée.
La courbe de température en fonction de la longueur de plaque coulée présente
un
palier à partir de l'origine dont la fin relativement brutale correspond à la
fin de la
caléfaction pour une longueur correspondant à la longueur de caléfaction
reportée
en ordonnée en figure 1 en fonction du débit linéique de démarrage.
On note que la caléfaction n'est obtenue, pour un moule à simple rangée de
jets à
incidence de 30 (repère 30), que pour un débit linéique de démarrage
inférieur ou
égal à 0.45 l/cm/min. Dans le cas des moules à double rangée de jets (repéré
45/22 et
selon l'invention repéré 32/22) celle-ci peut être obtenue pour des débits
linéiques de
démarrage jusqu'à 0.6 l/cm/min.
Ainsi, pour une température d'eau donnée, les moules à double rangée de jets
(activés simultanément) permettent d'obtenir une caléfaction stable pour des
débits
de démarrage plus élevés qu'un moule à simple rangée de jets. Il n'y a pas
d'influence significative des angles d'incidence sur la longueur coulée
affectée par la
caléfaction au démarrage.
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WO 2013/104846
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On a également mesuré la température de surface des plaques, sensiblement à
mi largeur en sortie de moule, par la méthode connue sous le nom de ISTM
déjà
mentionnée.
Sa valeur est reportée en ordonnée, toujours en fonction du débit linéique de
démarrage et pour les même moules que ci-dessus, en figure 2, où l'on
distingue trois
zones : la zone I sans caléfaction, la zone II à caléfaction stable et bonne
santé du
pied de coulée, la zone III avec caléfaction mais fissuration à chaud du pied.
On note que cette température est beaucoup plus stable en fonction du débit
d'eau
dans le cas du moule à double rangée de jets d'incidences 32 et 22 activés
simultanément, selon l'invention (repère 32/22), que dans celui du moule à
double
rangée de jets d'incidences 450 et 22 activés simultanément (repéré 45/22)
qui
donne lieu à fissuration à chaud du pied à faible débit (0.55 l/cm/min.), ce
qui réduit
la plage de fonctionnement à un domaine très restreint, et, dans le cas du
moule à
simple rangée de jets à 30 , qui ne permet pas d'obtenir de caléfaction stable
pour
des débits d'eau strictement supérieurs à 0.45I/cm/min à cette température
d'eau.
Cette forte sensibilité de la température de surface du produit au débit
linéique de
démarrage est attribuée par la demanderesse respectivement à la
déstabilisation du
film de caléfaction par les jets à 45 et au manque de progressivité du
refroidissement dans le cas du moule à simple rangée de jets à 30 .
Ainsi la configuration des moules de l'art antérieur, à double rangée de jets
d'incidences 45 et 22 (repère 45/22) est inadaptée à la coulée d'alliages
durs,
même en l'absence de séquencement des jets.
En comparaison le moule selon l'invention (repère 32/22) peut être utilisé
pour des
débits linéiques entre 0.4 et 0.6 l/cm/min, ce qui est particulièrement
avantageux car
cette large plage de débits permet notamment de compenser une variation
éventuelle
de température de l'eau.
En résumé, le moule selon l'invention permet d'obtenir une caléfaction stable
dans le
domaine de températures de surface de produit optimales et dans un large
intervalle
de débits de démarrage, ce que ne permettent pas les autres types de moule de
l'art
antérieur.
Enfin, on a mesuré et enregistré la cambrure obtenue sur la plaque à l'aide
d'une caméra vidéo . Sa valeur, soit la longueur dont se soulève le bord de
la
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plaque, est reportée en ordonnée en figure 3, toujours en fonction du débit
linéique
de démarrage et pour les mêmes moules que précédemment.
On y relève que la cambrure obtenue avec le moule selon l'invention (repère
32/22)
est significativement plus faible que celle obtenue avec les autres moules
pour des
débits de démarrage inférieurs à 0.6 1/cm/min, ce qui montre l'intérêt de la
trempe
progressive obtenue avec cette technologie d'arrosage à deux jets simultanés à
incidences optimisées.
Exemple 2
Des plaques de laminage au format 1810 mm x 510 mm en alliage du type AA3104
ont été coulées à la vitesse de 55 mm/min. avec des moules de deux types :
Un moule selon l'invention, à deux rangées de trous horizontales
superposées, activées simultanément (incidences 32 et 22 ), tous les trous
ayant un
diamètre de 3.2 mm et étant espacés entre eux sur chaque rangée de 12 mm, et
générant des impacts sur le produit distants verticalement d'environ 18mm,
chacun
des trous de la rangée inférieure étant disposé sur la médiatrice de
l'intervalle entre
deux trous de la rangée supérieure.
Le moule était muni d'un insert en graphite sur toutes ses surfaces
travaillantes.
Un moule LHCTM de Wagstaff , dont les impacts des jets étaient
également distants verticalement de 18 mm.
La température de l'eau de refroidissement était de 15 2 C.
On a mesuré, dans la partie de la plaque correspondant au régime permanent de
coulée, la taille des cellules de solidification à l'aide de l'algorithme
d'analyse
d'images p*, à différentes distances de la peau de coulée.
Cet algorithme p* est parfaitement décrit dans les publications de Ph. Jarry,
M.
Boehm et S. Antoine, Quantification of spatial distribution of as-cast
microstructural features. , Light Metals 2001, New Orleans, TMS. Proceedings
edités par J.L. Anjier, ainsi que de Ph. Jarry et A. Johansen,
Characterisation by
the p* method of eutectic aggregates spatial distribution in 5xxx and 3xxx
aluminium
alloys cast in wedge moulds and comparison with sdas measurements. ,
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WO 2013/104846
PCT/FR2013/000008
Solidification of Aluminum Alloys Symposium, Light Metals 2004, Charlotte,
TMS.
Proceedings édités par Men G. Chu, Douglas A. Granger et Qingyou Han.
Les résultats sont rapportés en figure 4, présentant la taille des cellules de
solidification, en ptm, en fonction de la distance à la peau de coulée, en mm,
les
5 symboles en astérisque étant relatifs au moule selon l'invention, les
symboles en
cercle au moule LHC du type Wagstaff .
On y constate que le moule selon l'invention permet d'obtenir une stiucture de
coulée, en périphérie de plaque, présentant des tailles de cellule comparables
(à 2 rn
près) à celles obtenues avec le moule LHCTM, et une épaisseur de zone
corticale
10 semblable, inférieure à 10 mm. La réponse métallurgique obtenue est donc
sensiblement identique à celle que permet le moule LHCTM.
Exemple 3
15 Des plaques de laminage aux formats 1670 mm x 610 mm et 1810 mm x 510
mm, en
alliage du type AA5182, ont été coulées avec les mêmes configurations de
moules
que pour l'exemple 2.
Les plaques ont ensuite été laminées à chaud sans sciage des pieds de coulée.
Les formes typiques des bandes obtenues sont représentées en demi-largeur en
figure
5, à gauche dans le cas de la plaque coulée avec un moule selon l'invention
(refroidissement par arrosage à deux jets simultanés à incidences optimisées
32 /22
et insert en graphite sur toutes les faces travaillantes), à droite avec un
moule LHCTM
de Wagstaff Inc. utilisé au démarrage avec un refroidissement séquentiel à
22 puis
45 .
On y observe que des criques de rives se sont produites dans ce dernier cas en
raison
des variations de section du produit liées aux deux cambrures générées, pour
la
première, par la première séquence d'arrosage à 22 d'incidence et, pour la
deuxième, par la superposition de la deuxième séquence à 45 d'incidence. La
plaque
produite par le moule selon l'invention présente une cambrure simple et
répartie qui
ne génère de ce fait aucune crique lors du laminage à chaud.
