Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE DE FABRICATION DE PRODUITS METALLIQUES THIXOTROPES
PAR COULEE CO..11NU~ AVEC BRASSAGE ELECTROMAGNETIQUE
EN COURANT POLYPHASE
DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR
L'invention est relative à un procédé de fabrication de produits
métalliques thixotropes par coulée continue de plaques ou de billettes de
section circulaire, elliptique ou polygonale.
Un produit métallique thixotrope est un produit métall~que présentant une
phase primaire non dendritique constituée en particulier de dendrites
dégénérées en nodules à peu près sphériques.
10 Ces produits thixotropes procurent lors de leur mise en forme des
a-antages par rapport aux produits classiques:
l'énergie de mise en forme est plus faible, la durée de refroidissement
plus courte, la retassure réduite, l'usure des moules et filières
atténuée.
Plusieurs brevets enseignent des moyens d'obtention de produits
métalliques thixotropes:
Le brevet US 3948650 téquivalent au brevet franSais 2141979) décrit un
20 procédé de coulée consistant à élever la température d'une composition
jusqu'à l'état liquide, à refroidir pour provoquer une solidification
partielle et à agiter énergiquement le mélange liquide-solide pour briser
les dendrites et les transformer en nodules dégénérés sensiblement
sphériques représentant jusque environ 65% en poids de la composition
25 initiale.
Le brevet US 4434837 décrit un dispositif d'agitation électromagnétique
appliqué à la coulée continue de métal thixotrope dans lequel un stator à
deux pôles crée un champ magnétique tournant dans un plan perpendiculaire
30 à l'axe de la lingotière et dirigé vers cet axe. L'interaction de ce champ
avec le courant induit dans le métal parallèlement à cet axe génère des
forces électromagnétiques situées dans un plan horizontal et tangentielles
~9~
2 2033233
à la lingotière entraînant un taux de cisaillement d'au moins
500 sec~1.
Le brevet US 4457355 décrit une lingotière formée de deux
parties de conductibilité thermique différente et le brevet
européen EP 71822 une lingotière formée d'une succession de
tôles isolantes et conductrices.
Le brevet US 4482012 décrit une amélioration consistant à
10 utiliser une lingotière formée de deux chambres reliées entre
elles par un joint non conducteur, dont la première joue le
rôle d'échangeur de chaleur et dans le brevet US 4565241, on
a préconisé des conditions d'agitation telles que le rapport
du taux de cisaillement au taux de solidification soit compris
entre 2.103 et 8.103.
L'art antérieur rappelé ci-dessus et en particulier les
conditions fixées au taux de cisaillement montrent que le
problème essentiel rencontré par les inventeurs est que les
20 forces électromagnétiques appliquées au métal en cours de
solidification soient suffisantes pour briser les dendrites
déjà formées et les transformer en nodules. La dégénérescence
des dendrites en nodules est obtenue par effet mécanique
uniquement, et non pas par effet thermique. En effet, les
forces appliquées aux dendrites sont, dans le cas de billettes
rondes, tangentielles à des cercles concentriques centrés sur
l'axe de la lingotière. Or, ces cercles sont, en raison de
la symétrie de révolution de la lingotière et du produit
coulé, des isothermes.
La présente invention consiste à obtenir la transformation des
dendrites en nodules en provoquant une refusion de la surface
de ces dendrites par un transfert en continu de la zone froide
où elles se forment vers une zone plus chaude. Il s'agit donc
selon l'invention d'un effet essentiellement thermique.
,.~ ~.
3 2033233
Selon la présente invention, il est prévu un procédé de
fabrication par coulée continue de produits métalliques
thixotropes et, en particulier, de produits en alliage
d'aluminium, dont une partie au moins de la phase primaire est
sous forme de nodules provenant de dendrites dégénérées, dans
lequel on verse le métal liquide dans un moule obturé à sa
partie aval par un fond mobile et constitué de deux parties
de même axe:
a) une partie amont, dite zone chaude dont la paroi est
réalisée en matériau isolant thermique au moins sur sa
face interne;
b) une partie aval, dite zone froide dont la paroi,
réalisée en matériau conducteur thermique est refroidie
par un fluide de refroidissement de faSon à provoquer
dans le métal liquide l'apparition de cristaux
primaires, la formation au contact de la paroi refroidie
d'une croûte solide et d'un front de solidification
permettant l'extraction progressive du produit à l'aide
du fond mobile,
20 caractérisé en ce que l'on dispose autour des zones chaude et
froide du moule une série d'inducteurs constitués de bobinages
annulaires ayant pour axe l'axe du moule et alimentés en
courant polyphasé avec un ordre des phases tel que s'établisse
à l'intérieur du moule un champ glissant parallèle à l'axe du
moule se déplaSant dans un sens ou dans l'autre ou
alternativement dans un sens puis dans l'autre, engendrant des
forces électromagnétiques entraînant le métal dans des
mouvements dans des plans passant par l'axe du moule et
assurant le transfert des cristaux dendritiques de la zone
30 froide vers la zone chaude et vice-versa pour provoquer une
refusion superficielle de ces cristaux et leur dégénérescence
en nodules.
De préférence, la coulée continue se fait verticalement, ou
elle se fait horizontalement.
3a 2033233
Selon la présente invention, il est également prévu un
dispositif pour la coulée continue de produits métalliques
thixotropes comportant un moule obturé à sa partie aval par
un fond mobile et constitué de deux parties de même axe:
- une partie amont, dite zone chaude dont la paroi est
réalisée en matériau isolant thermique au moins sur sa face
interne;
- une partie aval, dite zone froide dont la paroi, réalisée
en matériau conducteur thermique est refroidie par un fluide
10 de refroidissement, un système de déplacement du fond mobile
permettant l'extraction progressive du produit, caractérisé
en ce que sont disposés autour des zones chaude et froide du
moule une série d'inducteurs constitués de bobinages
annulaires ayant pour axe l'axe du moule et alimentés en
courant polyphasé avec un ordre des phases tel que s'établisse
à l'intérieur du moule un champ glissant parallèle à l'axe du
moule se dépla,cant dans un sens ou dans l'autre ou
alternativement dans un sens puis dans l'autre, engendrant des
forces électromagnétiques situées dans des plans passant par
20 l'axe du moule.
L'axe du moule peut être vertical, ou horizontal.
De préférence, la paroi interne de la lingotière située dans
la zone froide est munie sur toute sa périphérie et à sa
partie la plus en amont d'une bague en graphite de même axe
que celui de la lingotière. La paroi interne de la lingotière
située dans la zone froide peut être traversée sur toute sa
périphérie et à sa partie la plus en amont par des crayons en
30 graphite qui amènent le lubrifiant à la paroi interne de la
lingotière.
Des modes de réalisation seront maintenant décrits à titre
d'exemples non limitatifs, en se référant aux dessins
attachés, dans lesquels:
- la Fig. 1: représente une demi-coupe verticale de l'appa-
3b 2033233
reil de coulée continue destiné à la mise en oeuvre de
l'invention;
- la Fig. 2: représente le bobinage d'un inducteur triphasé;
- la Fig. 3: représente le bobinage d'un inducteur triphasé
selon la présente invention;
- la Fig. 4: représente un mode de refroidissement d'une
lingotière selon l'invention; et
- la Fig. 5: représente un autre mode de refroidissement
d'une lingotière selon l'invention.
L'invention consiste à imprimer à ce métal liquide en cours
de solidification un mouvement représenté par la flèche de la
figure 1, assurant un transfert des cristaux primaires de la
zone froide vers la zone chaude en un temps inférieur ou égal
à 1 seconde pour provoquer une refusion en surface des
cristaux dendritiques et les transformer en nodules dégénérés.
Ce mouvement de transfert est assuré par un ou plusieurs
inducteurs polyphasés dont la disposition est expliquée ci-
20 après.
L'appareil de coulée continue destiné à la mise en oeuvre de
l'invention est représentée en demi-coupe verticale sur la
figure 1. Il s'agit d'un exemple illustrant un cas
particulier de réalisation de l'invention celui d'une coulée
verticale; des dispositifs analogues, ayant les mêmes
fonctions se retrouvent dans un autre mode de réalisation de
l'invention celui d'une coulée horizontale.
30 On décrira successivement le dispositif destiné à la coulée,
à la solidification et à l'extraction du métal puis le
dispositif électromagnétique destiné à assurer la circulation
du métal.
Le dispositif de coulée, solidification et extraction est
proche de celui utilisé pour la coulée continue en charge (ou
.~;
-
20 33233
3c
avec rehausse) des métaux et en particulier de l'aluminium.Il comprend:
a) une partie chaude réalisée en matériau isolant thermique
I ~lui colltienL
/
/
/
~3~33
le métal liquide 2. Le matériau isolant est du type utilisé couramment
en fonderie pour la confection de goulottes et de busettes.
b~ une partie froide reliée à la partie chaude de manière étanche au métal
liquide. Cette partie froide comprend comme élément essentiel une
lingotière 3 en métal conducteur de la chaleur refroidie
extérieurement. Ce refroidissement peut être assuré par un film de
fluide de refroidissement, généralement de l'eau, 5 pro-enant d'une
boîte à eau 6, tel que représenté sur la figure 1. Il peut aussi être
assuré directement par une chambre d'eau accolée de manière connue à la
lingotière. Dans ce dernier cas, on formera de préférence des jets ou
une lame d'eau au bas de l'ensemble chambre d'eau-lingotière qui
viendront assurer par ruissellement le refroidissement direct du
produit en cours de coulée. Cette lingotière peut être munie, à sa
partie supérieure d'un anneau de graphite 4 jouant un rôle de
lubrifiant vis-à-vis du métal coulé, en complément d'un agent de
lubrification dont il s'avère parfois nécessaire de revêtir la paroi
interne de la partie aval pour faciliter la coulée de certains métaux.
Suivant une technique de l'art antérieur, il est aussi possible
d'amener en continu par la lingotière un agent de lubrification qui
traverse l'anneau de graphite et assure ainsi une lubrification en
continu. Toujours dans la perspecti-e de lubrifier en continu, on peut,
au lieu d'utiliser un anneau de graphite, insérer dans la lingotière
des crayons de graphite qui débouchent sur la face interne de la
lingotière et sont connectés à leur autre extrémité à une chambre où le
lubrifiant est mis sous pression.
c)le système d'extraction constitué d'un fond obturant la partie
inférieure de la lingotière au démarrage, porté dans le cas d'une coulée
erticale, par un plateau animé d'un mouvement régulier ertical et vers
le bas, réglable selon les alliages et le format des produits coulés.
Dans le cas de la coulée horizontale, ce système est porté soit par un
tapis motorisé, soit par une table à rouleaux dont l'un est motorisé, un
rouleau presseur venant garantir l'entraînement.
Après le démarrage, le produit déjà solidifié sert de moule pour la
solidification du métal alimenté en continu et l'on arrive à un état
- ~33233
-
d'équilibre représenté sur la figure 1.
A partir de la lingotière se développe une enveloppe extérieure solidifiée
tandis qu'à l'intérieur du produit coulé s~établit un front de
solidification 7 ayant la forme approximative représentée sur la figure.
Au-dessous de ce front, le métal est complètement solide; au-dessus, dans
ce que l'on appelle le "marais", il y a un mélange de liquide et de
particules solides, généralement dendritiques, particules qui s'intègrent
progressivement au front de solidification en permettant à la partie
10 solide 8 de se développer et à la coulée de progresser.
- Le dispositif électromagnétique de brassage dont la combinaison a~ec le
dispositif de coulée constitue l'invention se compose de un ou plusieurs
inducteurs alimentés en courant polyphasé entourant l'ensemble du
15 dispositif de coulée, zône chaude et zône froide. En principe, on peut
utiliser n'importe quel type de courant à n phases, en pratique on
utilisera évidemment le courant triphasé: c'est ce qui est illustré sur la
figure 1.
Sur cette figure, six bobinages successifs: A,B, C, D, E, F ont été
20 représentés de haut en bas de la figure. Ces bobinages sont placés dans
des plans perpendiculaires à l'axe de coulée. Ils sont alimentés d'une
façon analogue à celle de l'alimentation des moteurs linéaires à induction
respectivement par les phases 1, -2, 3, -1, 2, -3 de manière à créer un
champ glissant vertical ascendant, descendant ou périodiquement ascendant
25 puis descendant, suivant l'ordre dans lequel sont alimentées les trois
phases. De manière classique, on utilise généralement une longueur de
bobinage qui soit un multiple du pas polaire, le pas polaire étant la
longueur des trois bobinages de la séquence élémentaire 1, -2, 3. Cela
signifie en pratique qu'on utilisera 6, 9, 12, 15..... bobinages mais rien
30 n'interdit en théorie de couper une séquence au milieu. De plus des moyens
sont connus de l'homme de l'art en électrotechnique consistant à utiliser
des bobinages particuliers aux extrémités en vue d'éliminer les effets de
bord dans les moteurs linéaires. L'interaction de ce champ glissant avec
les courants induits dans le métal engendre des forces qui induisent des
35 mouvements dans des plans passant par l~axe de la lingotière et donc du
produit coulé. Ces mouvements sont représentés schématiquement sur la
figure 1 par la flèche 10.
~3~2~31
Il est clair que ces mouvements permettent l'entraînement des dendrites
formées au voisinage du front de solidification et noyées dans le métal
encore liquide vers la partie supérieure plus chaude du marais où elles
subissent une fusion superficielle les transformant en nodules, puis de
5 nouveau vers la zône froide dans le sens de la flèche 11.
Les inducteurs triphasés A à F décrits ci-dessus peu~-ent être réalisés de
deux façons:
~-101) de façon classique avec des bobinages sous forme de galettes en fil de
-cuivre non refroidi ou en tube de cuivre refroidi, les différentes
galettes étant superposées et de préférence placées dans les encoches
d'une culasse magnétique feuilletée 12 destinée à canaliser les lignes
de force du champ magnétique. (figure 2). Les feuilles métalliques,
isolées électriquement les unes des autres, sont situées dans des
plans passant par l'axe du moule. Dans le cas où une chambre d'eau est
accolée à la lingotière pour assurer le refroidissement de celle-ci,
on peut placer les bobinages à l'intérieur de cette chambre. Ils sont
ainsi efficacement refroidis.
2) selon l'in~ention telle que représentée sur la figure 3:
Le bobinage est constitué de disques minces d'épaisseur de l'ordre du
mm en métal bon conducteur, du cuivre par exemple. Chaque disque 13 en
~- -forme d'anneau et muni d'une fente 14 constitue une spire du bobinage
(figure 3a). Pour constituer le bobinage, on empile les disques en
décalant -deux disques successifs d'un angle donné. Une feuille
~ - d'isolant 15 est interposée entre deux disques de cui-re successifs
sauf dans la zône entre les fentes de ces deux disques successifs. Il
y a donc dans cette zône une plage de contact assurant la liaison
- 30 électrique entre deux disques successifs et la continuité du bobinage.
(figure 3b).
Pour assurer le refroidisement des disques de cuivre, on a imaginé
deux solutions selon le mode de refroidissement de la lingotière.
Dans le cas de refroidissement par film d'eau de la lingotière, on
place les bobinages selon l'invention décrite ci-dessus dans une
2033233
chambre d'eau annulaire entourant les parties amont et at~al et
laissant le passage pour le film d'eau au niteau de la lingotière. Une
demi-coupe de cette chambre est représentée sur la figure 4.
La chambre est constituée d'une paroi intérieure, cylindrique ou
prismatique, selon la forme du produit coulé, en matière de préférence
isolante ou faiblement conductrice de l'électricité, mais en tout cas
amagnétique 16 et d'une paroi extérieure, à surface interne également
- cylindrique ou prismatique, qui peut être constituée d'une culasse
magnétique 12.
- La chambre d'eau est fermée à ses parties supérieure et inférieure par
deux pièces 13 et 19 réunies entre elles par un tirant fileté 20 dont
le rôle est d'assurer également le serrage des disques formant le
bobinage grâce à deux écrous 21 et 22. Sa partie centrale, au contact
avec les disques de cuivre est isolée.
Une arrivee d'eau 23 et une sortie 24 sont disposées respectivement en
bas et en haut de la chambre. Les empilages de disques de cuivre 13 et
d'isolant 15 sont disposés à l'intérieur de la chambre. Les disques de
cuivre et d'isolant sont percés de trous, judicieusement répartis pour
constituer les conduits de refroidissement 25 et permettre le passage
des tirants.
Dans le cas où le refroidissement de la lingotière est assure par une
~- 25 chambre d'eau, on peut tirer profit de cette solution en plaçant les
bobinages directement dans cette chambre. (Figure 5).
La paroi interne de la chambre est dans ce cas la lingotière elle-même
- 26 qui est retêtue en amont (Partie chaude) d'un materiau isolant
thermiquement 27 et en aval (Partie froide) d'un anneau en graphite
28. On retrouve la partie solide 29 du produit en cours de coulée
délimitée par le front 30. L'eau qui arrive en 31 sert non seulement à
refroidir les bobinages 32 par l'intermédiaire des perçages 33, et la
lingotière par passage dans l'interstice 34, mais aussi à former la
lame d'eau 35 qui ruisselle 36 sur le produit. Une vanne 37 située sur
lé circuit de sortie 38 du refroidissement du bobinage permet de
contrôler les quantités respectives circulant dans chacun des
-~ passages. Le reste de la technologie est similaire à ce qui a été
- 2033233
décrit pour la figure 4.
EXEMPLE.
Une billette de diamètre 150 mm en alliage d'aluminium du type AS7Go 3
5 (Al-7% Si-0,3% Mg ), modifié au strontium, a été coulée selon le procédé
décrit ci-dessus.
La vitesse de coulée était de 150 mm/minute. La température de coulée
était de 640C. La partie amont du moule était constituée d'un anneau de
lOmatériau réfractaire de diamètre interne 145 mm et de hauteur 100 mm. La
partie aval a~ait la forme classique d~une lingotière pour la coulée de ce
type d'alliage dans ce diamètre. Un moteur linéaire cylindrique de hauteur
totale de bobinage 180mm entourait ces deux parties. Il était constitué de
9 bobinages, chacun réalisé à l'aide de 15 disques de cuivre d'épaisseur 1
15 mm, de diamètre interne 200 mm et de diamètre externe 300 mm. L'ensemble
était alimenté en triphasé en montage étoile et la tension appliquée entre
phases était de 15 volts.
- Un examen micrographique au coeur de la billette a montré que l'on a
20 obtenu effectivement une structure dendritique dégénérée a~ec une taille
typique des globules ~oisine de 60 ~m.
