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PROCEDE ET INSTALLATION PG GR LA COULEE DE METAUX.
La présente invention est relative à un procédé pour couler des métaux, en particulier de manière continue, ainsi qu'aux installations pour la mise en oeuvre de ce procédé.
L'invention a pour objet le contrôle du processus de solidifi- cation dans la coquille. On connaît la supériorité vis-à-vis de la coulée en lingots, de la coulée, dite coulée sous pression ou par extrusion réali- sée de manière continue et en particulier de la coulée sous pression par extrusion réalisée par application de l'invention fondamentale de Junghans.
La supériorité de cette coulée réside dans la grande uniformité des condi- tions de coulée et de solidification. Bien que les procédés connus de cou- lée sous pression ou d'extrusion aient fait l'objet d'un développement fortement poussé, ils posent encore un certain nombre de problèmes importants, 'notamment en ce qui concerne l'élimination de la chaleur, le remplissage des moules et la densité ainsi que l'uniformité de structure de la masse 'coulée.
Ces problèmes pourraientétre résolus, s'il était possible de mieux maîtriser et contrôler le processus de solidification, de préférence aux points de vue thermique et mécanique.
La présente invention permet de résoudre nombre de ces problèmes par l'emploi de mouvements d'écoulement, qui sont engendrés, en direction et en ampleur déterminées, par l'intermédiaire de champs tournants électromagné- tiques, dans la partie non encore solidifiée de la masse coulée. L'emploi des champs tournants a, de préférence, lieu pendant une ou éventuellement plu- sieurs périodes choisies du processus de solidification, selon la nature et l'ampleur de l'action envisagée. On a constaté notamment, non"sans surprise, qu'une action limitée dans le temps sur une masse métallique non encore soli- difiée peut faire sentir son effet au-delà de la période d'action, en ce sens, par exemple, que le nombre de grains augmente au cours du processus de cris- tallisation et que la transcristallisation est fortement réprimée.
Ge phéno- mène permet d'utiliser les champs tournants dans des zones choisies d'une installation de coulée sous pression ou d'extrusion, c'est-à-dire localement,
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ce qui offre des possibilités avantageuses pour la disposition des moyens permettant d'engrendrer les champs tournants, ainsi que pour la construction de ces moyens.
Les mouvements d'écoulement obtenus grâce à l'emploi de champs tournants peuvent, par ailleurs,être réglés en direction et en ampleur, de façon qu'une pression s'exerce, par exemple, sur les parties en cours de solidification et solidifiées de la masse coulée et/ou sur la paroi du moule, et/ou de façon que l'élimination de chaleur du noyau de la pièce coulée soit favorisée par un transfert de chaleur engendré artificiellement, ce qui en- traine des conséquences avantageuses, par exemple en ce qui concerne la struc- ture et en particulier la longueur de la coquille.
Il est à remarquer que l'effet optima de l'utilisation des champs tournants ne se manifeste que lorsque les forces engendrées par les courants de Foucauld agissent, autant que possible en chaque endroit, perpendiculairement au courant thermique, à tel point qu'on peut, avec une précision suffisante pour la pratique, s'ar- ranger pour que le courant thermique principal soit dirigé dans une coquille perpendiculairement aux parois refroidies de celle-ci.
Le fait que, même en cas d'action limitée dans le temps, le nom- bre de grains augmente au cours du processus de cristallisation, offre la pos- sibilité d'appliquer aussi la présente invention à la coulée en discontinu, c'est-à-dire à la coulée de lingots et de pièces de moulagedans des lingotiè- res fermées à la base, pour autant que, conformaient à l'invention, des con- ditions de traitement similaires soient appliquées, en traitant chaque sec- tion élémentaire,au même état de solidification, par déplacement en sens opposés, de la coquille et du dispositif servant à engendrer le champ tour- nant, le long de l'axe de ce dernier.
Des résultats remarquables ont été obtenus par application de l'invention à la coulée continue d'acier par le procédé Junghans. En ef- fet, l'invention permet d'influencer et de contrôler le processus de cris- tallisation dans une mesure tout-à-fait inattendue. Ainsi, il a été possi- ble, en réprimant fortement la transcristallisation, d'empêcher son effet préjudiciable sur la forme du retassement médian, A cet égard, on a cons- taté qu'il peut être avantageux de se passer de l'emploi du champ tournant, au cours de la phase finale de la solidification, lorsque, par suite d'une augmentation importante des cristaux dans la masse en fusion restante, une sorte d'état "pâteux" est obtenue, car sinon des zones creuses pourraient à nouveau se former.
Les produits coulés obtenus par le procédé suivant l'invention révèlent une ductilité extraordinairement élevée, en raison de leur grain petit et non orienté. Ainsi, il a été possible d'obtenir des plaques lami- nées irréprochables en zinc pur ou en zinc brut, par un procédé de coulée en continu, à l'aide de moules à parois minces, refroidis à l'eau, du type communément utilisé pour la coulée sous pression. Des plaques coulées-dans les mêmes moules, mais sans emploi d'un champ tournant, se sont révélées tota- lement inaptes à subir une déformation ultérieure, par suite d'une trans- cristallisation particulièrement forte.
Pour permettre une meilleure compréhension de l'invention, on en décrira ci-après deux exemples de réalisation et d'installation pour la mise en oeuvre du procédé, en référence aux dessins ci-annexés, dans les- quels : - la figure 1 est, après coupe partielle, une vue en élévation latérale d'une installation de coulée sous pression à coquille continue; - la figure 2 est une vue en plan correspondant à la figure 1: - la figure 3 montre le schéma de connexion pour un champ tour- nant à trois pôles; - la figure 4 montre, en coupe schématique, la zone de solidifi- cation, vue de côté, dans une coquille de coulée sous pression;
- la figure 5 est, après coupe partielle, une vue en élévation latérale d'une coquille à lingots avec champ tournant à trois pôles et
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- la figure 6 est une vue en plan correspondant à la figure 5.
La notation de référence 1 désigne une coquille de coulée sous pression pourvue d'une paroi intérieure de façonnage 2 et d'une chemise à eau 3 Les notations 4 et 5 désignent des tuyaux d'amenée et de déchargement d'eau de refroidissement. Quand aux notations 6, 7 et 8, elles désignent des parties, représentées schématiquement, d'un mécanisme de levage, qui communi- que un mouvement ascendant et descendantà la table 9 sur laquelle se. trouve la coquille 1. La coquille 1 est alimentée à partir de la poche de coulée 10, par l'intermédiaire du canal de coulée 11. La masse coulée est désignée en S. Des cylindres 12 et 13 servent à faire avancer cette masse coulée.
A la partie supérieure de la coquille 1, dans la zone de solidi- fication principalepe trouvent deux culasses 14 et 15 comportant chacune trois noyaux polaires 16, 17, 18 et 19, 20,21 ainsi que des bobinages 22,23, 24 et 25, 26, 27 La connexion des bobinages se fait de la manière représentée à la figure 3. Sur cette dernière figure, la notation de référence 28 dési- gne un générateur de courant triphasé, qui alimente des réseaux 29, 30, 31.
Les noyaux polaires s'étendent (voir figures 1 et 2) jusqu'à proximité de la paroi intérieure 2.
Les possibilités offertes par l'application du procédé suivant l'invention sont mises en lumière ci-après dans la représentation schématique et non proportionnelle de la zone de solidification dans une coquille de cou- lée par extrusion (figure 4). En réglant adéquatement la direction du cou- rant, qui circule dans la direction des flèches 32 et sa vitesse angulaire, on peut arriver à. ce que le métal de coulée liquide S1 vienne s'appliquer en 33, sous pression élevée, contre la paroi 2. Par augmentation de la pression du métal liquide contre la paroi, le transfert de chaleur s'accroît, tandis que s'améliorent le remplissage de la coquille ainsi que la surface de la masse coulée.
L'augmentation de la pression d'application contre la paroi de la coquille ne doit pas être limitée à la zone, dans laquelle le métal de coulée liquide vient en contact avec la paroi, mais la pression élevée s'é- tend également à une partie de la zone de solidification 34 (figure 4), à tel point notamment qu'à la zone de contact liquide se raccorde une zone de solidification, qui est suffisamment mince et cassante, pour pouvoir se don- ner sous l'influence de la pression de liquide.
Grâce à l'emploi, suivant l'invention, de mouvements d'écoulement au sein de la partie liquide Si de la masse de métal coulé, cette dernière restera, par suite de la pression radiale, en contact avec la paroi de la coquille, sur une grande étendue de celle-ci, tandis que la surface de contact spécifique augmentera et que se- ront réprimés les plis, pores et analogues. En d'autres mots, la masse cou- lée se détachera de la paroi du moule plus tard que dans les procédés connus jusqu'à présent et l'élimination de chaleur augmentera exactement aux en- droits critiques.
Ceci est particulièrement significatif pour permettre la coulée par extrusion elle-même et la solidification, qui, d'après les ensei- gnements connus, doit s'étendre jusqu'à proximité immédiate du niveau du métal, tandis qu'il est possible soit deraccourcir la coquille pour une vi- tesse de coulée donnée, soit d'augmenter la vitesse de coulée pour une lon- gueur donnée de coquille,
L'amélioration du remplissage du moule par augmentation de la pression d'application radiale dans la zone de solidification permet, en outre, de couler des profils plus difficiles que ceux qu'il était possible d'obtenir dans le procédé de coulée par extrusion mis en oeuvre jusqu'à pré- sente
En faisant appel à des courant tournants dans la partie liquide S1 de la zone de solidification,
on arrive à obtenir une augmentation de la densité de la masse coulée dans les zones périphériques, ce qui peut être par- ticulièrement significatif pour la coulée de tuyaux.
En réglant adéquatement le courant (32) dans la partie liquide S1 de la zone de solidification, on peut, en outre, renforcer l'équilibre ther- mique entre la partie liquide Si et le front de solidification S2, par adjonc-
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tion d'une source de chaleur artificielle,qui compense les différences lo- cales dans la température et la capacité calorifique.
Enfin, il est permis, grâce au procédé suivant l'invention de maintenir dans la partie liquide S1 un état d'écoulement, qui contrecarre la perturbation du processus de solidification, à raison du courant de métal en fusion tombant dans la coquille, dans la direction de la flèche 36. On sait que le courant de métal en fusion tombant dans la coquille, en suivant une direction coïncidant avec l'axe de celle-ci,contribue à chauffer en pro- fondeur le noyau de la zone de solidification et ainsi on augmente encore la profondeur des retassements. En entretenant adéquatement un courant ou écoulement opposé, on peut éviter cet effet indésirable et on peut, en ou- tre, contribuer à l'équilibre de la température et de la capacité calorifi- que dans la zone liquide, en augmentant ainsi l'élimination de chaleur.
Il peut, à cet égard, être avantageux de laisser s'écouler le courant de métal en fusion dans la zone où règne le plus fort écoulement, par exemple, dans une coquille pour coulée des tiges rondes, non plus au milieu de cette coquil- le, mais au voisinage de la périphérie de celle-ci.
Bien que dans l'installation représentée aux figures 1 à 4, les moyens pour engendrer le champ tournant se trouvent au voisinage de la partie de façonnage de la coquille on peut envisager une autre disposition de ces moyens, sans sortir du cadre de la présente invention. Si la zone liquide Si est par exemple plus longue que la coquille, ce qui sera le cas lors de la coulée d'acier, il peut être avantageux ou suffisant de monter les moyens pour engendrer le champ tournant sous la coquille contre la masse coulée ex- térieurement solidifiée, c'est-à-dire qu'on pourra constructivement s'écarter totalement de la coquille. Cette disposition sera prise .en considération, lorsque la transcristallisation dans la zone nucléaire de la masse coulée doit être réprimée.
Si, par contre, il faut empêcher que des cristaux se forment dans la couche solidifiée extérieure, les moyens pour engendrer le champ tournant seront montés à la partie de la coquille où se fait la coulée,..
Ainsi, il est possible de séparer, au point de vue constructif, les moyens précités de la coquille tout en laissant cependant agit le ou les champs tour- nants sur la tête de coulée liquide. Il est évident qu'on peut disposer plu- sieurs champs tournants en divers endroits de la masse coulée, selon la ou les effets visés. Ainsi, on peut prévoir un champ tournant pour influencer la première solidification dans la zone marginale, au-dessus de la coquille, et un champ tournant pour influencer la zone nucléaire, sous la coquille.
La mise en oeuvre de la présente invention n'est pas limitée ex- clusivement à la coulée sous pression ou par extrusion,mais peut aussi s'ef- fectuer dans les cas où des conditions analogues à celles appliquées dans la coulée sous pression peuvent être produites ; ceci est le cas lorsque (voir figures 5 et 6) la coquille 101 est placée sur une table de levage 102. Le dispositif de levage est constitué par les crémaillères 103 et 104, ainsi que par les roues dentées 105 et 106. La notation de référence 107 désigne un moteur d'entraînement réversible.
En 108 est représenté un jeu double de noyaux polaires, de bobinages et de culasses, qui servent à produire un champ tournant et correspondent, en substance, aux dispositifs représentés aux fi- gures 1 à 4 et y désignés par les notations de référence 14 à 27.
Par élévation et abaissement de la coquille 101 placée sur la table 102, dans la direction indiquée par la double flèche 109 (figure 5), on peut, sensiblement comme dans la coulée sous pression ou par extrusion, traiter toutes les sections élémentaires''sensiblement dans le même état de solidification.
De bons résultats ont été obtenus avec le procédé et les instal- lations suivant l'invention, en employant du courant triphasé à 50 périodes.
La vitesse théorique de 3.000 tours par minute n'a évidemment pas été attein- te ; le recul est sensible et on a pu observer des vitesses de l'ordre de 100 à 300 tours, par minute.
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PROCESS AND INSTALLATION PG GR LA COULEE DE METAUX.
The present invention relates to a process for casting metals, in particular continuously, as well as to installations for carrying out this process.
The object of the invention is to control the solidification process in the shell. We know the superiority vis-à-vis ingot casting, casting, known as die casting or by extrusion carried out continuously and in particular die casting by extrusion carried out by application of the fundamental invention. by Junghans.
The superiority of this casting lies in the great uniformity of the casting and solidification conditions. Although the known die casting or extrusion processes have undergone considerable development, they still pose a number of significant problems, particularly with regard to heat removal. the filling of the molds and the density and uniformity of structure of the casting mass.
These problems could be solved, if it was possible to better control and control the solidification process, preferably from the thermal and mechanical points of view.
The present invention makes it possible to solve many of these problems by the use of flow movements, which are generated, in determined direction and magnitude, by the intermediary of rotating electromagnetic fields, in the part which has not yet solidified. casting mass. The use of the rotating fields preferably takes place during one or possibly more selected periods of the solidification process, depending on the nature and extent of the action envisaged. It has been observed in particular, not "without surprise, that an action limited in time on a metallic mass not yet solidified can make its effect felt beyond the period of action, in this sense, for example, that the number of grains increases during the crystallization process and transcrystallization is strongly repressed.
This phenomenon makes it possible to use the rotating fields in selected areas of a die-casting or extrusion installation, that is to say locally,
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which offers advantageous possibilities for the arrangement of the means making it possible to mesh the rotating fields, as well as for the construction of these means.
The flow movements obtained by the use of rotating fields can, moreover, be regulated in direction and in magnitude, so that a pressure is exerted, for example, on the solidifying and solidified parts of the casting mass and / or on the wall of the mold, and / or so that the elimination of heat from the core of the casting is favored by an artificially generated heat transfer, which has advantageous consequences, for example as regards the structure and in particular the length of the shell.
It should be noted that the optimum effect of the use of rotating fields is manifested only when the forces generated by the eddy currents act, as far as possible in each place, perpendicular to the thermal current, to such an extent that one can , with sufficient precision for practice, arrange for the main thermal current to be directed into a shell perpendicular to the cooled walls thereof.
The fact that, even in the event of a limited action in time, the number of grains increases during the crystallization process, offers the possibility of applying the present invention also to batch casting, it is that is to say to the casting of ingots and moldings in ingots closed at the base, provided that, according to the invention, similar processing conditions are applied, processing each elementary section. , in the same state of solidification, by displacement in opposite directions, of the shell and of the device serving to generate the rotating field, along the axis of the latter.
Remarkable results have been obtained by applying the invention to the continuous casting of steel by the Junghans process. Indeed, the invention makes it possible to influence and control the crystallization process to an entirely unexpected extent. Thus, it has been possible, by strongly suppressing the transcrystallization, to prevent its detrimental effect on the shape of the median recession. In this regard, it has been found that it may be advantageous to dispense with the use of the rotating field, during the final phase of solidification, when, as a result of a large increase in crystals in the remaining molten mass, a kind of "pasty" state is obtained, because otherwise hollow areas could be new to form.
The cast products obtained by the process according to the invention exhibit extraordinarily high ductility, due to their small and unoriented grain. Thus, it has been possible to obtain flawless rolled plates of pure zinc or of crude zinc, by a continuous casting process, using thin-walled, water-cooled molds of the commonly used type. used for die casting. Plates cast in the same molds, but without the use of a rotating field, have been found to be totally unsuitable for further deformation, due to particularly strong crystallization.
To allow a better understanding of the invention, two embodiments and installation examples for the implementation of the method will be described below, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is , after partial section, a side elevational view of a continuous shell die casting plant; - figure 2 is a plan view corresponding to figure 1: - figure 3 shows the connection diagram for a three-pole rotating field; FIG. 4 shows, in schematic section, the solidification zone, seen from the side, in a die-casting shell;
- Figure 5 is, after partial section, a side elevational view of an ingot shell with a three-pole rotating field and
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- Figure 6 is a plan view corresponding to Figure 5.
Reference numeral 1 denotes a die-casting shell provided with an inner forming wall 2 and a water jacket 3. Notations 4 and 5 denote pipes for supplying and discharging cooling water. As for the notations 6, 7 and 8, they designate parts, shown schematically, of a lifting mechanism, which communicates an upward and downward movement to the table 9 on which is. finds the shell 1. The shell 1 is fed from the pouring ladle 10, via the pouring channel 11. The casting mass is designated S. Rolls 12 and 13 serve to advance this casting mass.
At the top of the shell 1, in the main solidification zone, there are two yokes 14 and 15 each comprising three pole cores 16, 17, 18 and 19, 20,21 as well as coils 22,23, 24 and 25 , 26, 27 The windings are connected as shown in FIG. 3. In this last figure, the reference notation 28 designates a three-phase current generator, which supplies networks 29, 30, 31.
The pole cores extend (see Figures 1 and 2) to near the inner wall 2.
The possibilities offered by the application of the process according to the invention are highlighted below in the schematic and non-proportional representation of the solidification zone in a shell cast by extrusion (FIG. 4). By adequately adjusting the direction of the current, which flows in the direction of the arrows 32 and its angular speed, one can arrive at. that the liquid casting metal S1 comes to be applied at 33, under high pressure, against the wall 2. By increasing the pressure of the liquid metal against the wall, the heat transfer increases, while the heat transfer improves. filling of the shell as well as the surface of the casting mass.
The increase in the application pressure against the shell wall should not be limited to the area, in which the liquid casting metal comes into contact with the wall, but the high pressure also extends to a part of the solidification zone 34 (FIG. 4), to such a point in particular that to the liquid contact zone a solidification zone is connected, which is sufficiently thin and brittle, to be able to be given under the influence of liquid pressure.
Thanks to the use, according to the invention, of flow movements within the liquid part Si of the mass of cast metal, the latter will remain, as a result of the radial pressure, in contact with the wall of the shell, over a large area thereof, as the specific contact area will increase and folds, pores and the like are suppressed. In other words, the cast mass will detach from the mold wall later than in heretofore known methods and heat removal will increase at exactly the critical locations.
This is particularly significant in order to allow the extrusion casting itself and the solidification, which according to known teachings must extend to the immediate vicinity of the level of the metal, while it is possible either to shorten the shell for a given casting speed, or to increase the casting speed for a given shell length,
The improvement in the filling of the mold by increasing the radial application pressure in the solidification zone furthermore makes it possible to cast more difficult profiles than those which were possible to obtain in the extrusion casting process used. implemented until now
By using rotating currents in the liquid part S1 of the solidification zone,
an increase in the density of the casting mass is achieved in the peripheral zones, which can be particularly significant for the casting of pipes.
By adequately adjusting the current (32) in the liquid part S1 of the solidification zone, it is also possible to strengthen the thermal equilibrium between the liquid part Si and the solidification front S2, by adding
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tion of an artificial heat source, which compensates for local differences in temperature and heat capacity.
Finally, it is possible, thanks to the method according to the invention, to maintain in the liquid part S1 a state of flow, which counteracts the disturbance of the solidification process, due to the stream of molten metal falling into the shell, in the direction of the arrow 36. It is known that the stream of molten metal falling into the shell, following a direction coinciding with the axis of the latter, contributes to heating the core of the solidification zone in depth and thus the depth of the settlements is further increased. By properly maintaining an opposing current or flow, this undesirable effect can be avoided and, moreover, one can contribute to the equilibrium of temperature and heat capacity in the liquid zone, thus increasing the removal. heat.
In this regard, it may be advantageous to allow the stream of molten metal to flow in the area where the strongest flow prevails, for example, in a shell for casting round rods, no longer in the middle of this shell. the, but in the vicinity of the periphery thereof.
Although in the installation shown in Figures 1 to 4, the means for generating the rotating field are located in the vicinity of the shaping part of the shell, another arrangement of these means can be considered, without departing from the scope of the present invention. . If the liquid zone Si is for example longer than the shell, which will be the case during the casting of steel, it may be advantageous or sufficient to mount the means to generate the rotating field under the shell against the cast mass ex - subsequently solidified, that is to say that we can constructively move away completely from the shell. This will be taken into account when the transcrystallization in the nuclear zone of the cast mass is to be suppressed.
If, on the other hand, it is necessary to prevent crystals from forming in the outer solidified layer, the means for generating the rotating field will be fitted to the part of the shell where the casting takes place, ..
Thus, it is possible to separate, from a constructive point of view, the aforementioned means from the shell while nevertheless leaving the rotating field or fields to act on the liquid casting head. It is obvious that several rotating fields can be placed in various places of the cast mass, depending on the desired effect or effects. Thus, a rotating field can be provided to influence the first solidification in the marginal zone, above the shell, and a rotating field to influence the nuclear zone, under the shell.
The practice of the present invention is not limited exclusively to die casting or extrusion casting, but can also take place in cases where conditions analogous to those applied in die casting may be possible. produced; this is the case when (see Figures 5 and 6) the shell 101 is placed on a lifting table 102. The lifting device consists of the racks 103 and 104, as well as the toothed wheels 105 and 106. The notation of reference 107 designates a reversible drive motor.
At 108 is shown a double set of pole cores, coils and yokes, which serve to produce a rotating field and correspond, in substance, to the devices shown in Figures 1 to 4 and designated therein by the reference notations 14 to 27.
By raising and lowering the shell 101 placed on the table 102, in the direction indicated by the double arrow 109 (Figure 5), it is possible, substantially as in die casting or by extrusion, to process all the elementary sections' sensibly in the same state of solidification.
Good results have been obtained with the method and the installations according to the invention, using three-phase current at 50 periods.
The theoretical speed of 3,000 revolutions per minute was obviously not reached; the recoil is significant and speeds of the order of 100 to 300 revolutions per minute have been observed.