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DESCRIPTION PROCEDE DE COULEE CONTINUE D'UN RUBAN METALLIQUE La présente invention concerne la coulée continue d'un ruban métallique dont la fabrication est particulièrement commode, qui comprend une structure de solidification unidirectionnelle et qui est caractérisée par une longueur sensiblement plus grande que le diamètre ou l'épaisseur, tel que par exemple une bande ou un fil métallique.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un procédé pour la coulée continue d'une bande ou d'un ruban métallique avec alimentation en métal fondu amené sur la surface d'une base ou d'un support de solidification-se déplaçant d'une manière généralement.:continue, dans une direction à un endroit situé le long de son parcours, ce procédé étant caractérisé par le préchauffage de la base de solidification en amont de l'emplacement destiné à recevoir le métal fondu jusqu'à une température supérieure au point de fusion du métal,
afin d'empêcher ainsi le métal coulé de former des noyaux ou des amorces de cristallisation au contact de la surface de support et de refroidir le métal jusqu'à l'état solide sur la-dite surface de support lorsque celle-ci s'écarte de l'endroit d'alimentation de manière à donner aux rubans métalliques solides résultants une structure à solidification unidirectionelle excellente pour faciliter la mise en oeuvre ultérieure.
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Les progrès rapides de l'industrie électronique ont donné lieu récemment à une tendance continue à réduire les dimensions et améliorer la précision des machines et les accessoires utilisés pour celles-ci. Cette tendance s'est accompagnée-d'une recherche de matériaux capables de remplir leur fonction de manière satis- faisante, mais avec des épaisseurs ou des largeurs toujours réduites et une qualité toujours meilleure. Plus particulièrement, il est apparu le besoin de conducteurs fins et de feuilles fines réalisés en, matériaux métalliques présentant une structure de solidification unidirectionnelle exempte de porosités grossières, de bulles ou de joints de grains de cristaux susceptibles de retenir les dépôts d'impureté.
On sait généralement que, si un ruban métallique est soumis à déformation à froid, tel que laminage à froid ou étirage à froid, il subit également un écrouissage et finalement une rupture le long des joints de grains de cristaux primaires qui se sont formés au cours de la solidification du ruban métallique. Par conséquent, il est hautement souhaitable que les rubans métalliques servant de matière première pour les conducteurs extrêmement fins ou les feuilles extrêmement minces présentent une texture exempte de joints de grains de cristaux primaires susceptibles de provoquer l'apparition de fissures au cours du travail décrit ci-dessus.
La présente invention a pour but de proposer un procédé capable de produire en continu un ruban métallique présentant une structure de solidification unidirectionnelle et convenant très bien pour subir une déformation, comme par laminage ou étirage, et qui ne contient pas de défauts internes tels que porosités grossières et bulles, par une opération extrêmement simple d'introduction du métal liquide par une tuyère sur la surface d'une base ou d'un support de solidification qui est déplacée en continu dans une direction.
Jusqu'à présent, on a produit des rubans métalliques sur une large
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échelle pour la fabrication de bandes amorphes en amenant en con- tinu du métal fondu par une tuyère sur la.surface d'une base ou d'un support de solidification refroidie, ayant la forme d'un cylindre ou d'un tambour en rotation dans une direction, ceci permettant au métal fondu d'être refroidi et solidifié immédia- tement.
La mène méthode est utilisée également en général pour la fabrica- tion de bandes métalliques minces, outre les rubans métalliques amorphes précités. La bande métallique obtenue de cette manière présente toutefois une structure polycristalline parce que le métal forme des noyaux ou des amorces de cristallisation au contact de la surface du support de solidification refroidie.
D'autre part, les cristaux ainsi produits sont susceptibles de crottre dans des directions parallèles, essentiellement perpendicu- laires à la surface du support de solidification. Vu que la bande métallique à structure polycristalline est susceptible de provo- quer des fissures le long des joints de grains de cristaux, au cours du travail ultérieur, la fabrication de feuilles extrememt minces et la transformation en conducteurs extrêmement fins n'a pu' être réalisée qu'avec de grandes difficultés.
Plus particulièrement une bande en alliage ayant un large interval- le de température de solidification est très susceptible de provo-. quer des fissurations le long des joints de grains des cristaux.
On a constaté qu'il est donc difficile de réaliser une séparation en douceur de la bande en cet alliage, du support de solidifica- tion incurvé, sans provoquer des fissures dans la bande.
D'une manière totalement différente de la méthode classique de pro- duction d'une bande métallique à structure polycristalline par introduction de métal fondu sur la surface d'un support de solidi- fication refroidi ayant la forme d'un cylindre en rotation dans une direction afin de permettre au métal fondu de se solidifier au contact de la surface, la présente invention concerne un procédé
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pour produire un ruban métallique ayant une structure de solidifica- tion unidirectionnelle et convenant parfaitement pour la mise en oeuvre ultérieure en maintenant la surface du support de solidifica- tion à une temperature supérieure au point de fusion du métal, ceci en-pêchant le métal fondu de former des noyaux de cristallisation au contact de la surface de support.
D'autres objectifs. et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à l'examen de la description détail- lée ci-après et en se référant aux figures en annexe qui représen- tent respectivement:
La figure 1 un diagramme explicatif du principe du procédé de la présente invention.
La figure 2 une vue latérale en coupe longitudinale représen- tant les parties essentielles d'un appareil classique pour la coulée continue d'une bande métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle et en utilisant un cylindre comme surface de solidification.
La figure 3 une vue latérale en élévation en coupe longitudi- nale représentant les parties essentielles d'un appareil classique pour la coulée continue d'une bande métallique ayant une structure de solidification unidirectionnelle et en utilisant une courroie sans fin comme support de solidification.
- Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé pour produi- re facilement, et en continu, un ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle en déplaçant en continu un sup- port de solidification dans une direction, en préchauffant la sur- face du support de solidification de façon à ce qu'il soit mainte- nu à une température supérieure au point de fusion du métal au point d'introduction de celui-ci, en amenant le métal liquide sur la surface de solidification et en refroidissant ultérieurement le
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métal fondu ainsi amené, tandis que la surface s'écarte du point d'introduction du métal.
Le terme "support de solidification" utilisé ici se rapporte à un dispositif - et. à une surface conçue pour recevoir et solidifier le métal fondu qui est amené. Pour produire une bande métallique, le support de solidification peut avoir la forme d'une plaque lisse, plate et allongée, d'un rouleau ou d'une courroie sans fin. Pour produire un fil ou un conducteur métallique, le support de solidi- fication peut avoir la forme d'une plaque lisse plate et allongée d'un rouleau ou d'une courroie sans fin. Pour produire un conduc- teur ou un fil métallique, le support de solidification peut présenter également la forme d'un moule comportant une ou plu- sieurs rainures ou d'un cylindre dont la périphérie présente une ou plusieurs rainures.
Le principe de la présente invention sera décrit maintenant en se référant à la figure 1. Dana l'appareil représenté à la figure 1, un support de solidification 1 est réalisé en graphite, un ma- tériau réfractaire ou un métal à point de fusion élevé et est dis- posé de manière à se déplacer à une vitesse fixe dans la direction de la flèche. Une tuyère 2 est utilisée pour amener un métal fondu sur le support 1. cette tuyère étant connectée à un réservoir d'alimentation de métal fondu (non représenté). Un dispositif de chauffage 3 est utilisé pour chauffer la tuyère 2 et est constitué d'un élément chauffant à résistance électrique ou d'une bobine d'induction à haute fréquence. La sortie de la tuyère 2 est main- tenue toujours à une température dépassant la température de soli- dification du métal coulé.
Un dispositif de chauffage 4, tel qu'un -brûleur à gaz, est utilisé pour chauffer la surface du support de solidification en amont de la tuyère 2 et peut être constitué d'un élément de chauffage à résistance, d'une bobine d'induction à haute fréquence ou d'un faisceau d'électrons. Le métal fondu 5 est amené en continu depuis le réservoir d'àlimentation du métal fondu vers l'intérieur de la tuyère 2. Le jet d'eau de refroidissement est indiqué par 6. En variante, le refroidissement peut être assuré par un gaz ou un brouillard de refroidissement. Le ruban de
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métal solide enlevé du support 1 est désigné par 7.
Le support de solidification 1 est maintenu en mouvement en direc- tion de la flèche, et le brûleur à gaz 4 est disposé de façon à chauffer sa surface à une température dépassant la température de solidification du métal coulé. Lorsque le métal fondu sortant de la tuyère 2 est amené sur la surface de support et est refroidi par le jet d'eau de refroidissement 6, les cristaux du ruban métallique 7 croissent de préférence dans la direction longitudi- nale du ruban métallique, si bien que l'on obtient une structure de solidification unidirectionnelle dans le ruban métallique ainsi produit.
Le front de solidification du ruban métallique 7, c'est-à-dire l'interface solide/liquide est située toujours dans l'intervalle entre le côté de sortie de la tuyère 2 et le support de solidifica- tion 1 comme le montre la figure 1. Le ruban métallique peut obte- nir ainsi une structure de solidification unidirectionnelle parfaite, ce qui évite la formation de noyaux de cristallisation nouveaux depuis les cotés latéraux de celui-ci, du fait que la température de la surface du support de solidification 1 sous la tuyère est maintenue supérieure à celle du ruban métallique au contact de la surface précitée et grâce au réglage des températu- res du métal fondu de la tuyère et de la surface de support.
La figure 2 est une vue latérale en élévation en coupe longitudina- le des parties essentielles d'un appareil classique pour la pro- duction d'un ruban métallique présentant une structure de solidifi- cation unidirectionnelle dans lequel un cylindre est utilisé comme support de solidification conformément au principe de la présente invention.
Dans l'appareil représenté à la figure 2, le support de solidifica- tion 11 a la forme d'un cylindre et est conçu de manière à tourner dans la direction de la flèche. Une tuyère 12 utilisée pour l'ali- mentation en métal fondu est chauffée par un dispositif de chauf- fage 13 jusqu'à une température dépassant la température de soli- dification du métal coulé. Un brûleur à gaz 14 est disposé de ma-
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nière à qhauffer la surface du support de solidification 11 à l'endroit d'amenée du métal'fondu jusqu'à une température dépassant la température de solidification du métal coulé. Le métal fondu est désigné par 15, le jet d'eau de refroidissement par 16 et le ruban de métal coulé solidifié par 17. Un couteau 18 sert à séparer le ruban métallique 17 du support de solidification 1.
Le métal fondu, qui est amené de la tuyère 12 à la surface chauf- fée du support de solidification 11, est solidifié de préférence à l'extrémité de guidage de la bande métallique 17 et.peut prendre ainsi une structure de solidification unidirectionnelle. Le ruban métallique solidifié ainsi obtenu peut donc être séparé de la surface du support de solidification 11 sans provoquer de fissure, et en utilisant le couteau 18 pour être repris alors sur un rouleau (non représenté).
La figure 3 est une vue latérale en élévation en coupe longitudi- nale des parties essentielles d'un 'appareil pour la production d'un ruban métallique conforme au principe de la présente inven- tion, en utilisant une courroie sans fin comme support de solidifi- ' cation. Le support de solidification 21 présente donc la forme d'une courroie métallique sans fin et sa surface est revêtue d'une revetement réfractaire servant à protéger la surface de la cour- roie .contre la réaction avec le métal fondu. Les rouleaux 29, 30 permettent de déplacer la courroie métallique en direction de la flèche. Un brûleur à gaz 24 chauffe la courroie métallique 21.
Le métal fondu 25 amené par la tuyère 22 à la courroie métallique chauffée 21 est solidifié de préférence à l'extrémité de guidage d'un ruban métallique 27 qui est refroidi par un jet d'eau de refroidissement 26. Le ruban métallique 27 est entraîné sur des rouleaux de. guidage 31 pour être repris par une bobineuse (non représentés?. Un chevalet de support pour la courroie est désigné par 32. En variante, celui-ci peut être remplacé par des rouleaux de guidage.
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Dans 'le procédé de la présente invention, la formation de nouveaux noyaux cristallins dans le métal fondu en contact avec la surface du support de solidification est complètement empêchée par le chauffage de la surface de la base de solidification, le nombre de cristaux se formant initialement dans le ruban de métal diminuant par suite de leur compétition en cours de croissance lorsque se produit la coulée du ruban métallique. Il en résulte que les cris- taux tendent à former finalement un seul cristal. Cette inventioon permet donc d'obtenir, non seulement un procédé permettant la pro- duction d'un ruban métallique présentant une structure de solidi- fication unidirectionnelle, mais également un procédé susceptible de produire facilement un ruban métallique constitué d'un seul cristal.
D'autre part, si l'on coule en continu un alliage de com- position eutectique, le procédé de la présente invention peut per- mettre de produire facilement un ruban métallique dont la struc- ture est constituée de cristaux eutectiques columnaires disposés régulièrement dans une direction ou une structure constituée d'un seul cristal eutectique..
Pour la mise en oeuvre de la présente invention et pour éviter de courir le risque que le métal fondu ne forme des noyaux de cris- tallisation, la tuyère chauffée doit être maintenue le plus près possible de la surface de la base de solidification. D'autre part, la vitesse de refroidissement du ruban métallique doit être réglée de façon à ce que la température de la surface du support de soli- dification au front de solidification du ruban métallique soit maintenue de manière à ne pas descendre en dessous de la tempéra- ture de solidification du métal coulé.
Comme le matériau constituant la surface du support de solidifica- tion à utiliser pour mettre en pratique le procédé de la présente invention doit être une substance incapable de réagir avec le métal fondu, il peut être choisi parmi les caoutchoucs résistant à la chaleur, le graphite, les matériaux réfractaires et les métaux résistant à la chaleur, tels que l'acier inoxydable, lorsque le ruban
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métallique est constitué d'un métal à bas point.de fusion tel que l'étain ou un alliage de plomb.
Quand le ruban métallique est un métal à point de fusion élevé tel que aluminium, cuivre ou alliage ferreux, on peut choisir comme substance réfractaire inca- pable de réagir avec les oxydes fondus du métal constituant le ruban métallique une substance choisie parmi les matériaux réfrac- taires, tels que càrbure de silicium, nitrure de silicium, nitrure de bore, alumine, magnésie et zircone. Pour permettre une utilisa- tion efficace pour le procédé de la présente invention, le support de solidification doit comporter uniquement un élément transpor- teur en métal et un revêtement déposé sur la surface de l'élément transporteur et réalisé en matériaux réfractaire incapable de réagir avec le métal fondu.
En particulier, lorsque le support de solidification doit se présenter sous forme d'une courroie sans fin, on peut prévoir une courroie métallique comportant un re- vêtement de substance réfractaire ou de carbone incapable de réagir avec le métal fondu et qui peut être utilisé avantageu- sement pour empêcher le collage du ruban métallique à la courroie sans fin qui pourrait, sinon, se produire.
Pour produire un ruban métallique à point de fusion élevé et afin d'empêcher le métal de s'oxyder au cours de la fusion ou au cours de l'introduction du métal fondu, il suffit de maintenir l'orifice de la tuyère enveloppé et protégé, si nécessaire, par un gaz iner- te tel que par l'argon ou par l'azote ou bien par un gaz réducteur tel que l'hydrogène ou le monoxyde de carbone.
Pour chauffer la tuyère et le support de solidification, on peut utiliser un élément chauffant à faible résistance tel que, par exemple, nichrome ou carbure de silicium lorsque le ruban métal- lique doit être constitué d'un métal à bas point de fusion tel que étain, zinc, plomb ou aluminium. Lorsque le ruban métallique doit être constitué d'un métal à haut point de fusion, on peut utiliser un élément chauffant à haute résistance tel que tantale, tungs- tène, molybdène, platine ou carbure de silicium. Comme dispositif de chauffage on peut utiliser une bobine d'induction chauffante à
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haute fréquence à brûleur à gaz ou à éléments chauffants à faisceaux d'électrons.
Le front de solidification du ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle obtenu par le procédé de la présente invention ne peut pas former des noyaux de cristallisa- tion au contact de la surface du support de solidification si la surface du support en dessous de l'extrémité de sortie de la tuyère est chauffée à une température supérieure à la température de solidification. De ce fait le ruban de métal coulé peut présenter une structure de solidification parfaitement unidirec- tionnelle. Par conséquent, le ruban métallique est d'excellente qualité et est exempt de défauts tels que porosités fines ou grossières, bulles de gaz et ségrégations macroscopiques du métal.
Cette invention peut donc être considérée comme un dispositif remarquable pour la production, par une simple opération et avec grande facilité, de matériaux tels que les matériaux magnétiques qui doivent présenter une structure dé solidification unidirec- tionnelle ainsi que les feuilles très minces et les fils très fins.
Le procédé de la présente invention permet d'éliminer facilement les défauts de coulée tels que porosités grossières et bulles de gaz qui sont inévitables quand on utilise les méthodes de coulée classiques. Si le métal fondu entraine une substance non-métalli- que quelconque, cette substance est contenue dans le ruban métalli- que ainsi produit. Pour que le ruban métallique final soit de haute qualité et exempt de matières étrangères de ce genre, ces matières étrangères doivent être éliminées du métal fondu d'une manière appropriée avant la solidification. A cet effet, il est nécessaire que le métal fondu traverse un tamis en métal réfractai- re ou un filtre en céramique poreuse, soit à l'intérieur de la tuyère, soit à un endroit précédant la tuyère.
Le métal fondu amené à la tuyère est fondu d'avance dans le réser- voir d'alimentation de métal fondu et maintenu à une température fixe afin de pouvoir être fourni en continu avec un débit d'alimen- tation fixé et réglé et sous pression augmentée ou diminuée. Le
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métal peut être également fourni sous forme de poudre ou de fil introduits ainsi dans la tuyère où il est fondu et amené ensuite au support de solidification.
La largeur et l'épaisseur du ruban métallique peuvent être modi- fiées à volonté en changeant comme il convient la largeur des ex- trémités de sortie de la tuyère et la distance de la tuyère et le support de solidification.
L'invention sera décrite maintenant d'une manière plus détaillée en se référant à un exemple pratique.
Exemple 1: Dans l'appareil construit suivant la figure 1, du cuivre fondu est amené à une tuyère d'alumine ayant un diamètre intérieur de 3 mm à l'extrémité de sortie de celle-ci et chauffée à 1100 C. La tuyère est disposée de manière à ce.que son extrémité de sortie soit maintenue à une distance de 1 mm de la surface supérieure du support de solidification d'aluminium ayant la forme d'un ruban de 30 mm de largeur et de 2000 mm de longueur. Ce support de solidifi- cation se déplace à la vitesse de 200 mm/min. en direction d'un dispositif de refroidissement. Simultanément, la surface du métal fondu progressant sous forme d'une couche depuis la tuyère sur la surface du support de solidification est refroidie par du gaz argon refroidi à 5 C et injecté au débit de 10 1/mn obliquement dans une direction s'écartant de la tuyère.
Quand la surface du métal ruban ainsi obtenue est décapée et que la structure du ruban métallique,est examinée, on constate qu'il s'agit d'une structure de-solidification parfaitement unidirection- nelle. Ce résultat indique que le procédé de la présente invention est très efficace pour produire un ruban métallique à structure de solidification unidirectionnelle.
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Exemple 2 : Dans l'appareil disposé comme l'indique la figuré 2, il est prévu un cylindre rotatif dont la surface présente une rainure ayant une largeur de 8 mm et une profondeur de 3 mm, et qui est utilisé comme support de solidification; de l'étain fondu est amené à une tuyère de quartz ayant un diamètre intérieur de 1 mm à son ex- trémité de sortie et qui est chauffée à 25 . La tuyère est disposée au-dessus de la surface de la rainure pratiquée sur le cylindre rotatif, qui a été chauffé précédemment à 250 C. si bien que l'extrémité de sortie de la tuyère est maintenue à une distance de 1 mm du support de solidification. Le cylindre rotatif tourne à la vitesse de 100 mm/min. en direction d'un dispositif de refroidissement.
A ce moment, la surface du métal fondu progres- sant sous forme d'un ruban depuis la tuyère sur la surface du cylindre rotatif est refroidie par un fluide de refroidissement qui est insufflé obliquement dans une direction s'écartant de la tuyère.
Quand la surface de la bande métallique résultante, ayant une épaisseur de 2 mm et une largeur de 6 mm, est décapée et que la structure de la bande métallique est examinée, on constate que cètte structure de solidification est parfaitement unidirection- nelle. De plus, lorsque la bande de métal ainsi obtenue est lami- née pour obtenir une feuille métallique d'une épaisseur de 50 um, on n'observe aucune fissure à la surface de la feuille métallique ainsi formée. Le laminage de la bande métallique ainsi obtenue est facilement réalisé. Les résultats indiquent que le procédé de la présente invention est très efficace pour produire une feuille métallique continue.
La présente invention propose donc un procédé capable de couler un ruban métallique de faible diamètre ou de faible épaisseur, présen- tant de bonnes qualités de mise en oeuvre, directement au départ du métal fondu et par une opération très simple d'introduction du métal fondu sur un support de solidification déplacé dans une di-
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rection. Du point de vue des économies d'énergie et de main d'oeuvre également, ce procédé constitue une méthode réelle- ment remarquable et économique.
Bien que la présente invention ait été décrite en se référant à des modes de réalisation particuliers, il est bien entendu que de nombreuses modifications et variantes peuvent y être apportées sans se départir de l'esprit et du cadre de l'invention telle que décrite dans les revendications en annexe.