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" Procédé pour la coulée continue de barres, verges et fils ".
Les méthodes de.coulée continue des métaux se divident en deux classes principales : les procédés dans lesquels les surfaces moulantes accompagnent le métal dans son trajet durant la solidification, et les procédés où le métal en cours de solidification glisse dans un moule stationnaire. Les tôles ou les bandes qui sont relative- ment minces par rapport à leur largeur se coulent mieux dans des rouleaux cylindriques en rotation appartenant au premier groupe, tandis que les billettes, les barres ou
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les verges de section approximativement carrée ou ronde sont plus faciles à produire dans des moules tubulaires du second groupe, desquels le produit solidifié est ex- trait graduellement par la pesanteur ou par toute autre force extérieure.
Un caractère commun des deux groupes ci-dessus mentionnés, et qui se retrouve dans toutes les méthodes connues de coulée continue, consiste dans la solidifica- tion progressive de l'extérieur vers le centre du produit une pellicule solide est d'abord formée au contact des parois froides des rouleaux ou des moules, et l'on doit alors prendre grand soin d'éviter sa rupture jusqu'à ce qu'elle ait acquis une épaisseur suffisante pour résister à la pression hydrostatique du métal intérieur encore liquide. A ce moment, le produit peut émerger sans danger de la machine à couler et être refroidi par des jets d'eau ou autrement.
La fragilité de la pellicule de métal solidifié, dès sa formation, est une des principales difficultés de la coulée continue. En fait, la plupart des perfectionne- ments apportés aux divers procédés ont cherché à renforcer rapidement cette pellicule. Un refroidissement accéléré n'est pas très utile, parce qu'il favorise la contraction du produit et sa séparation du moule, créant par endroits un espace vide entre moule et pellicule. La pellicule cesse alors de se refroidir. Au contraire, elle se réchauffe rapidement par l'apport de chaleur du métal liquide inté- rieur. Fréquemraent, elle se fond au se rompt, laissant le métal fondu couler librement dans l'espace entre moule et pellicule, avec formation de défauts superficiels tels que pailles et doublures.
On a cherché à éviter la refusion de la pellicule, par l'emploi de divers matériaux dans la
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construction des moules, par l'introduction*de lubrifiants tels que le graphite ou certaines huiles, destinés à rem- plir l'espace et à faciliter le refroidissement de la pel- licule malgré/ son décollage, par la vibration des moules, etc... Ces méthodes ont eu quelque succès avec les métaux relativement fusibles, tels que l'aluminium, le laiton et' le bronze, mais la coulée continue des aciers demeure essentiellement impraticable.
A cause de l'extrême difficulté du problème de là pellicule, le procédé de la présente invention opère sur un principe tout à fait différent; au lieu de former une pellicule et de protéger sa croissance, il s'oppose délibérémant à une telle formation et détruit immédiate- ment toute trace de pellicule qui aurait tendance à appa- raitre. Au lieu de refroidir le métal en régime statique, en laissant la solidification progresser couche par couche vers le centre du produit, le procédé décrit ci-après mélange intimement le métal dès le début de son refroidis- sement et jusqu'à l'amener à un état pâteux, puis en condi- tion forgeable, le centre se refroidissant au même degré que l'extérieur. Ceci pourrait s'appeler un "refroidisse- ment dynamique".
On mentionne souvent, comme condition essentielle d'une bonne coulée continue, la nécessité d'a- limenter le métal liquide par un versage exempt de toute turbulence. Dans le procédé de l'invention, au contraire, il a été démontré expérimentalement qu'une agitation constante du métal liquide est nécessaire et que le procédé échoue lorsque cette agitation cesse accidentellement.
Heureusement, il est bien plus facile de maintenir une turbulence que de l'empêcher dans le cas qui nous occupe.
Avant de décrire la nouvelle technique en détail, il est essentiel de faire une autre distinction importante
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entre les méthodes usuelles de coulée continue, et celle de la présente invention.
Dans les méthodes du second groupe, avec moules tubulaires stationnaires ou vibrants, la section transver- sale du produit demeure invariable en dimension ou en forme durant toute la solidification. Ceci est d'accord, évidem- ment, avec la formation d'une pellicule qui doit demeurer intacte jusqu'à la fin. Dans les méthodes du premier groupe, qui emploient des rouleaux cylindriques pour former les tôles et les bandes, on cherche à obtenir la formation de deux pellicules, une sur chaque rouleau, et l'on cherche aussi à éviter leur rupture. Mais ces deux pellicules, par suite du mouvement relatif des cylindres, se rapprochent l'une de l'autre jusqu'à atteindre une distance égale à l'épaisseur du produit fini. Ceci s'obtient en chassant le métal liquide entr'elles, vers le bain de métal fondu flottant sur les rouleaux.
En d'autres termes, les deux pellicules descendent avec les rouleaux et se joignent au centre du laminoir, soutenant un coin de métal liquide sta- tionnaire entre elles. Cette méthode de coulée dépend es- sentiellement de la formation de deux pellicules qui ne peuvent être ni allongées, ni rétrécies, ni déformées dans aucune direction de leur propre surface, ainsi qu'il est démontré par le fait que les cylindres changent une sur- face originellement cylindrique en une surface plane pour chaque pellicule, par simple développement géométrique.
C'est aussi démontré par la grande difficulté rencontrée dans cette méthode aux rebords des rouleaux qui limitent la largeur du produit. Les bords sont un point critique dans cette méthode, parce que les pellicules transversales qui se forment à ces endroits doivent se replier ou se briser dans la descente, avec le danger toujours présent du
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coulage. De nombreux moyens ont été essayés sans trop de succès pour assurer le contrôle de la solidification des bords de la tôle ou du feuillard.
Dans le procédé de l'invention@ la sectmon transversale du produit est substantiellement réduite en au moins dimension depuis l'état liquide jusqu'à l'état solide, dans/ deux directions transversales croisées, par une transforma- tion non-développable des surfaces de contact des moules.
De plus, cette réduction n'est pas obtenue en chassant du métal liquide hors d'une coquille se contractant : la sec- tion transversale est réduite dans une condition pâteuse homogène, tandis que le métal devient de plus en plus visqueux et forgeable en descendant dans le laminoir, jusqu'à ce qu'il émerge finalement sous celui-ci avec assez de consistance pour conserver sa forme finale.
Les préliminaires ci-dessus étaient indispensables pour montrer clairement le principe fonctionnel employé dans le procédé de l'invention. Les applications sont à présent limitées aux formes de section transversale rela- tivement réduites, ayant une épaisseur comparable à la largeur. Des barres, verges ou fils de section carrée, polygonale ou ronde de moins de 12 mm de dimension trans- versale sont typiques, avec une préférence pour du fil de 1/4 de pouce (6.35 mm) de diamètre au maximum, qui n'est pas obtenable par coulée continue de l'acier selon les procédés connus.
Dans le procédé de l'invention, le métal liquide est versé sous la forme d'un jet continu ayant une hauteur libre minimum lui assurant une vitesse de chute suffisante.
Ce jet frappe le centre d'un petit bain de même métal fondu, lequel est supporté par les rouleaux spériques d'un laminoir clos ou complet préférablement du modèle
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décrit dans la demande de brevet Américain No 583,887.
Le débit de ce jet est ajusté constamment pour compenser la sortie du produit solidifié par le bas du laminoir, maintenant ainsi le bain liquide à un niveau constant.
Ou bien le jet est simplement ajusté par le choix approprié d'un orifice de coulée dans le four ou la poche contenant la réserve de métal liquide, tandis que l'ajustement du débit se fait par variation de la vitesse de rotation des rouleaux du laminoir.
La caractéristique essentielle du laminoir com- plet est qu'il comprime le produit concentriquement et au moins dans deux directions transversales croisées. L'appa- reil comporte des surfaces moulantes sphériques et toroï- dales qui s'enveloppent l'une l'autre étroitement et con- tribuent toutes au forgeage du produit à partir de l'état liquide jusqu'à la forme définitive à l'état solide.
Physiquement parlant, les rouleaux enferment entre eux un volume limité latéralement de toutes parts, dé section décroissante du haut vers le bas et laissant un passage inférieur étroit de la forme et de la dimension du produit désiré. Les surfaces limitant ce volume forment donc un entonnoir, mais les parois de ce dernier sont toutes mobi- les vers le bas une vitesse uniforme, sans guides fixes ou coins de remplissage quelconques.
Les Figures 1 à 4 des dessins annexés au présent mémoire, montrent une disposition typique d'un tel lami- noir, dans laquelle quatre rouleaux identiques sont utili- sés pour la production d'un fil rond.
La Figure 1 est une section horizontale suivant le plan désigné par la ligne 1-1 de la figure 20
La figure 2 est une verticale suivant le plan désigné par la ligne II-II de la figure 1.
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Les figures 3 et 4 sont, à plus grande échelle, des coupes semblables à celle de la figure 2.
Dans cet exemple, qui n'est nullement limitatif, le diamètre des rouleaux est de 220 mm et celui du fil de 5 mm. Chaque rouleau possède une surface spérique convexe 2 conjuguée à la surface sphérique concave 3 du rouleau adjacent. A la jonction des surfaces sphériques convexe et concave de chaque rouleau se trouve une gorge annulaire 4 de forme appropriée à la section transversale du produit ( A peu près un quart de cercle pour un fil rond). La vitesse moyenne de rotation des rouleaux est dé 39 tours par minute, et la production est d'environ 30 cm de fil d'acier par seconde ou 18 mètres par minute. Elle est d'ailleurs réglable dans de larges limites. Le métal est alimenté à partir d'un creuset, four ou poche de coulée 5 convenablement chauffé, par exemple au moyen d'une bobine à haute fréquence 6.
La coulée par le fond à travers une tuyère 7 est préférée à la coulée par le bec parce que le jet peut être ajusté rapidement par un léger mouvement du bouchon réfractaire 8, tandis que l'ajustement du versage par le bec implique des grands effets d'inertie et trop de pertes de chaleur par radiation.
Le métal dans le récipient 5 doit être complètement fondu, mais pas trop surchauffé. on empêchera l'oxydation du métal liquide, soit par un laitier, soit par une atmosphère neutre ou réductrice. Un petit jet de gaz de ville convient pour les aciers au carbone, tandis que l'azote est préfé- rable pour les aciers inoxydables au nickel-chrome. Si on se sert de laitier et si la poche 5 est remplie périodique- ment ou continuellement, il faut éliminer l'excès de lai- tier par un trou de coulée supérieur 10.
La figure 3 montre l'action favorable de la turbu-
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le%ce ou du remous dans le procédé. Le mouvement indiqué par les flèches 11 est clairement visible en pratique : si on observe le bain entre les rouleaux, du métal pâteux semble émerger continuellement des rouleaux 1 et se concen- trer sous le jet 12 en un tourbillon permanent. Ceci montre un mouvement ascensionnel du métal contre les rouleaux, malgré leur mouvement de descente. A un niveau inférieur dans le laminoir, cependant, le métal qui a acquis assez de consistance pour réagir à la pression des rouleaux doit évidemment accompagner ceux-ci vers le bas pour finalement sortir sous forme d'un fil sous l'appareil. Ce renverse- ment de direction est montré par les flèches 13.
On a essayé d'alimenter les rouleaux par un tube de guidage 14 en réfractaire chauffé, comme indiqué à la figure 4. On cherchait ainsi à éviter le bain ouvert au-dessus des rou- leaux et la nécessité d'ajuster le débit du jet ou la vi- tesse de la machine. Mais aucun fil ne put être obtenu de cette manière. Par suite du manque d'agitation, une mince pellicule stationnaire 15 se formait sur les rouleaux, laissant le métal liquide couler librement par l'orifice central du laminoir. Après quelques instants, la pellicule avait crû suffisamment pour boucher cet orifice et tout écoulement s'arrêtait. Ceci prouve bien la nécessité de l'agitation du bain pour obtenir un refroidissement homo- gène par convection bien plus que par conduction.
Le contact effectif entre les rouleaux et le métal chaud est de durée extrêmement courte, comparée à celle des autres méthodes de coulée continue. Dans le cas de la figure 1 par exemple, ce contact ne dure que 1/6 de seconde environ à chaque tour des rouleaux et pour un point quelconque de leur surface active. Comme les rouleaux sont refroidis extérieurement par bain d'eau ou autrement,
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les oontaots successifs aveo le métal fondu n'ont pas d'effet thermique cumulatif, et ils restent pratiquement froids même avec l'acier fondu. Après mouillage, chaque portion des rouleaux est séchée par un violent courant d'air avant de reprendre le contact.du bain de métal li- quide, afin d'éviter des explosions par vaporisation instantanée.
Le procédé de l'invention remédie ainsi à la désintégration des rouleaux constatée dans d'autres métho- des de coulée continue où les contacts sont de bien plus longue durée et les cycles thermiques bien plus sévères.
L'opération de coulée continue peut être manuel- le ou automatique, soit selon la méthode du jet variable et de la vitesse-de rotation constante, soit avec un jet constant ou variant continûment à mesure que la poche de coulée se vide, et une vitesse de rotation variable. On peut encore, par l'une comme par l'autre de ces deux 'méthodes, maintenir un bain bas, moyen ou haut, selon le degré de surchauffe du métal. Si par/exemple le fil sort trop froid (couleur'trop sombre), l'opérateur peut, soit diminuer la hauteur du bain, soit accélérer la machine en augmentant le débit du jet. D'une manière comme de l'autre, il réduira ainsi la surface ou le temps de contact, et par suite le refroidissement dans le laminoir.
Ces ajuste- ments ont le mérite d'avoir un effet instantané, tandis que toute variation de la température du jet serait néces- sairement trop lente. Ils peuvent d'ailleurs être contrôlés automatiquement par des dispositifs pyrométriques ou pho- toélectriques connus.
L'emploi d'un laminoir du type décrit est indiqué à titre d'exemple seulement et n'est pas limitatif, d'au- tres appareils pouvant être utilisés dans le même but.