CA1195823A - Procede de fabrication de corps creux par coulee continue a l'aide d'un champ magnetique et dispositif de mise en oeuvre du procede - Google Patents
Procede de fabrication de corps creux par coulee continue a l'aide d'un champ magnetique et dispositif de mise en oeuvre du procedeInfo
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Abstract
Un procédé et un dispositif pour la coulée continue de corps creux en métaux tels que l'aluminium, le cuivre, les aciers de tous types, ou autres métaux ou alliages. Le procédé consiste à introduire le métal liquide dans un espace annulaire compris entre un moule extérieur et un mandrin intérieur, le métal liquide étant soumis au voisinage du mandrin à l'action d'un champ magnétique mobile qui l'entraîne vers le haut. Ce champ est, de préférence, créé par un rotor magnétique logé dans le mandrin. Le procédé s'applique, en particulier, à la réalisation d'ébauches destinées à la fabrication de tubes sans soudure.
Description
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication de corps creux par coulée continue par utilisa-tion d'un champ magnétique ainsi que le dispositif de mise en oeuvre dudit procédé.
Le procé~é suivant l'invention peut s'appliquer tous les métaux susceptibles d'être coulés en continu par les méthodes classiques de coulée de corps pleins et parmi lesquels on peut citer l'aluminium, le cuivre et les aciers.
Bien qu'il puisse etre appliqué~ d'une fason tout a fait generale, à la fabrication de corps creux presentant des sections de formes tres diverses, le procédé suivant l'invention sera appliqué avec un interêt particulierement grand a la fabrication de corps creux de sectio~ circulaire et, en particulier, en operant par coulee continue rotative, les corps c~eux obtenus pou~ant, par exemple, servir d'ebau-ches présentant de bonnes qualités de peaux intérieure et extérieure pour la fabrication de tubes sans soudures.
La fabrication de corps creux de section circu-laire, c'est a-dire, presentant un creux interieur generale-ment concentrique a la section exterieure, a fait l'objet de nombreuses et diverses descriptions -techniques.
D'une façon generale, on utilise dans ces procedes connus un mandrin cylindrique ou cylindro-conique métallique, par exemple en cuivre, refroidi interieurement à l'eau et dispose co-axialement à l'interieur de la lingotiere ou moule extérieur de coulee. On s'arrange egalement pour refroidir la paroi interieure du produit creux obtenu, generalement a l'eau, apres formation d'une couche superficielle solidifiée.
Au fur et a mesure de la coulee, le métal initialement li-quide se solidifie au contact du mandrin, le front de soli-dification progressant ensuite radiale~ent par rapport audit mandrin.
Cette solidification commencant des la sur~ace libre du bain métallique, il en resulte un emprisonnement - 1 - ~
3L~9~ 23 dans la couche superficielle solidifiee, qui constitue la peau intérieure du corps creux obtenu, de toutes les crasses co~stituees de laitiers, inclusions ou autres particules non metalliques, presentes à la surface du bain e-t, d'une fason generale, une peau interieure presentan-t des defauts, types incrustations, laitiers, repliures, qui devront 8tre eliminés au moyen de traitements de surface difflciles et couteux avant utilisation ulterieure du corps creux obtenu.
La peau interieure de ces produits presente donc les memes types de defauts qu'on observe sur la peau exte-rieure des corps pleins dans les coulees classiques.- Ces defauts sont encore aggraves par l'exigulte de l'espace dis-ponible qui empeche l'introduction de tout dispositif méca-nique permettant de les eliminer au moins partiellement.
Certains procédés ont été developpes pour essayer de résoudre ces difficultes. Tel est le cas de celui decrit dans le bre~et suisse n 618 363 du 06.01.77, qui utilise l'effet electromagnetique d'un inducteur monospire exterieur et d'un inducteur monospire in-terieur pour realiser la coulée continue de corps creux sans utilisation de lingo-tiere extérieure ou de mandrin.
Les inducteurs utilisés dans ce procéde sont ali-mentes par un courant alternatif monophase et creent donc un champ magnetique sinusoldal stationnaire, generalement qualifie de champ pulsant.
Ce champ pulsant favorise principalement la crea-tion de forces de pression, au sein du metal liquide, qui l'ecartent des parois fixes dans lesquelles sont contenus les inducteurs, sans engendrer au sein de la masse de metal liquide des mouvements circulatoires importants.
Ainsi, selon cette technique, on maintient en equilibre une couronne de metal liquide par un champ magne--tique, la surface libre de ce metal ayant une forme convexe, comme le montre la figur~ 1 du brevet cite. E-tant donne le faible rayon d'action du champ magné-tique, cela impose que la colonne de métal liquide soit de hauteur reduite. Une telle technique est probablement utilisable pour l'aluminium, qui présente un puits de solidification peu proEond et un front de solidification relativement plat.
Par contre, dans le cas de l'acier, métal c1e forte densité (du moins par rapport à l'aluminium), et beaucoup moins conducteur de la chaleur que l'aluminium, le puits de solidification, distance mesurée dans la barre en cours de solidification depuis la surface libre du bain metallique jusqu'à la zone de fin de solidification, est tres proond et bien superieur a celui de l'aluminium. Il en résulterait la necessite de vitesses de coulee extrèmement lentes pour obtenir une peau solidifiee suffisamment resistante pour contenir le metal encore liquide, compte tenu des forces de pression developpees par le champ magnetique pulsant, pro-cede, à supposer qu'il soit realisable, dans le cas de l'acier, totalement inutilisable economiquement.
Une autre solution pour ameliorer la qualite de la peau interieure de corps creux coules, decrite dans le brevet fransais n 2 180 494, consiste à faire appel à un procede de coulée continue rotative, dans lequel on utilise un mandrin central en introduisant de facon continue un laitier entre la surface annulaire du métal en cours de solidification et la paroi exterieure du mandrin.
Ce procede a l'inconvenient de perturber les echanges thermiques et de re-tarder la progression du front de solidification a partir du mandrin. De plus, il est necessaire d'effectuer un traitement de la surface inte-rieure du produit obtenu avant usage pour éliminer, entreautres, la couche de laitier déposée sur la peau intérieure.
On notera, par ailleurs, la difficulté générale du problème à résoudre, étant donné l'environnement hostile:
exiguité de l'espace disponible tant en hauteur qu'en dia-S~3 ,, metret au niveau du moule, danger d'explosion par utilisa-tion d'eau en cas de contact avec le metal liquide, particu-lièrement dans le cas de l'acier.
On a donc recherche un procede de fabrication de corps creux par coulée continue, qui ne presente pas les inconvenients ci-dessus décrits et permette, en particulier, d'obtenir des corps creux dont la peau interieure soit d'une qualite satisfaisante.
On a recherche, en particulier, la possibilite d'obtenir une qualite de peau intérieure telle qu'elle per-mette la mise en oeuvre de corps creux sans preparation de surface particulière ou en reduisant cette preparation de surface au minimum.
On a recherche éyalement un dispositif de mise en oeuvre d'un tel procéde simple et economique, et applicable a la coulee de nombreux metaux ou alliages.
Selon la presente invention il est prevu un pro-cede de fabrication de corps creux metalliques par coulee continue verticale, dans lequel on introduit,de façon con-tinue,un metal liquide dans un espace annulaire comprisentre un moule metallique e~terieur refroidi par circulation de fluide et un mandrin interieur refroidi egalement par circulation de fluide, ce metal se solidifiant progressive-ment au contact des parois du moule et du mandrin avec for-mation d'un corps creux qui est extrait au-dessous du moule procede dans lequel, dans une zone annulaire voisine de la sur-face exterieure du mandrin, on soumet le métal liquide à
l'action d'un champ magnetique mobile qui cree ~ l'interieur de ce metal des forces, presentant une composante verticale dirigee de bas en haut, qui entralnent ce metal vers la suxface du bain.
Ainsi, selon le procede suivant l'invention, le metal liquide situe au voisinage du mandrin interieur est soumis a un champ ~lissant et tournant. La composante verticale de ce champ soumet le métal liquide situé dans cette zone à des forces ordonnées qui l'entraînent de bas en haut, dans une direction opposée a la direction d'extrac-tion du produit creux formé. On obtient ainsi, dans cette zone annulaire, une accélération de la remontée vers la surface libre du bain métallique, des inclusions Oll crasses présentes dans cette zone.
Le mouvement circulatoire du métal liquide, qui se produit au voisinage du mandrin de bas en haut, est ensuite dévié dans une direc-tion radiale en approchant de la surface libre du bain métallique. Il se produit ainsi un entraînement des inclusions présentes dans le metal liquide, le long du mandrin. ~ la surface du bain me-talli-que, dans la zone proche du mandrin, le déplacement radial du métal liquide écarte les inclusions ou particules de laitier flottantes. Ainsi, ces inclusions ou particules diverses ne risquent plus de se trouver emprisonnées dans la zone de peau intérieure du corps creux obtenu.
De plus, le deplacement du metal liquide de bas en haut, au voisinage immédiat de la surface extérieure du mandrin intérieur peut provoquer la formation à la surface du bain métallique d'une zone annulaire en relief. Ainsi, a l'effet du déplacement radial du métal liquide vers la peripherie s'ajoute l'effet de barriere de ce relief qui empêche les inclusions ou particules de laitier flottantes, de veni~ à proximite de la paroi du mandrin dans la zone de formation de la peau intérieure du corps creux.
Il en résulte une qualité de peau nettement supé-rieure a celle que l'on obtient sans utilisation d'un champ magnétique ayant les effets cités.
Le mé-tal liquide est, en genéral, introduit de façon continue et con-trôlée par un jet provenant, par exemple, d'une busette de coulée qui perme-t de régler le débit et l'impact du jet, tant en angle qu'en position.
l9S~2~
La surface libre du bain metallique peu-t etre, soit en contact avec l'atmosph~re, soit proté~ée par tout moyen en soit connu tel que, par exemple, un gaz neutre pro-tecteur introduit a l'etat liquide ou gazeux, ou encore un laitier.
Le champ mac~netique mobile, qui joue un rôle essen-tiel, peut être cree par tou-t moyen adéquat consistant en des systèmes inducteurs, fixes ou mobiles par rapport au métal liquide/ alimentés par des courants alterna-tifs poly phasés~ ou en des systèmes inducteurs mobiles constitués par des enroulements alimentés en courant continu, ou par des aimants permanents.
Un mode de réalisation particulièrement simple et efficace du champ magnetique mobile peut consister à utiliser des aimants permanents disposés convenablement sur un rotor de revolution, contenu dans le mandrin interieur, qui est animé d'un mouvement de rotation autour de son axe. Dans une solution préférentielle, ledit rotor, portant les aimants permanents, est entralne en rotation par le fluide de refroi-dissement du mandrin intérieur par l'intermédiaire d'uneturbine ou de tout autre moyen convenahle d'entralnement direct ou indirect.
D'une façon génexale, on s'arrange pour privile-~ier la composante verticale du champ magnetique mobile par rapport a la composan~e horizontale qui tend a entralner le metal liquide en rotation autour du mandrinO
Un tel mouvement de rotation du metal liquide dans le moule n'etant pas utile au fonctionnement du procede, on cherche a réduire ou à bloquer ce mouvement par tout moyen adéquat. A cette fin, on veille à ce que le jet de métal liquide qui penètre dans le moule soit oriente de fa~on que le sens de déplacement de ce métal présente une composante tangentielle de ce sens oppose au sens de rotation da a un champ magnetique.
La vi-tesse de rotati.on adop-tee pour le rotor est telle que le champ glissant obtenu ait une frequence su~fi-sante pour avoir un effet d'ascension du metal le long du mandrin notablel sans pour autant que cet-te frequence soit trop importante, le champ étan-t alors absorbel en majeure partie, par l'ëcran métallique que constitue le mandrin.
: Des vitesses de rotation de 1 000 a 3 000 tr/min.
.correspondant à des fréquences de 17 a 50 HZI sont génerale-ment adopteesO
Il peut être avan-tageux de procéder de façon con-tinuel lors de la couléel a une lubrification de la paroi externe du mandrin intérieurl en contact avec le métal, par une huile végétalel par exemplel une huile de colza, en soit connue pour cette application.
On conférera au mandrin intérieur la conicité
necessaire pour permettre un bon demoulage des produits.
Le procede suivant l'inventionl qui vient d'ê-tre décritl s'applique de la acon la plus générale a tout type de coulée continue etl en particulier, à la coulée continue rotative.
La coulée continue rotative qui est pratiquée couramment pour la réalisation de corps pleins de section circulairel comportel en générall une lingotière verticale animée d'un mouvement de rotation uniforme autour de son axel le métal coulé étant extrait verticalement sous la lingotiere par un mouvement hélicoidal de rotation transla-tion continu vers le bas.
Une telle technique est décrite dans de nombreuses publications telles que les FR. 1 440 618l 2 11~ 874l.et aussi dans la Revue de Métallurgie CIT Février 1981 (pages 119 a 136).
Dans le cas de l'application du procédé suivant llinvent.ion a la coulée continue rotativel on introduit le métal liquide dans l'espace annulaire compris entre un moule ~9~ 23 exterieur à axe ver-tical, de section circulaire, refroidi, tournant à une vitesse angulaire uniforme autour de cet axe et un mandrin intérieur également vertical, dont l'axe est, le plus souvent, confondu avec l'axe du moule extérieur, ledit mandrin étant refroidi par clrculation interne de fluide et tournant sur lui-même autour de son axe, dans le même sens que le moule extérieur, l'ébauche creuse formée étant extraite verticalement par un mouvement hélicoïdal vers le bas, par des moyens d'extraction.
Comme celà a ete dit plus haut, le métal liquide est soumis a un champ magnétique mobile ayant sa source a l'intérieur du mandrin, de fa~on à créer des forces telles qu'elles impriment au métal liquide un mouvement présentant une composante verticale, pa~allèle a l'axe du mandrin, dirigée du bas vers le haut. Avantayeusement, la vitesse angulaire du mandrin intérieur est sensiblement egale a ~ celle du moule exterieur, ce mouvement etant, soit commandé
; par un dispositif mecanique, soit le resultat de l'entral-nement par frottement du prodult creux en cours de solidi-fication sur le mandrin.
Avantageusement, le produit creux en cours de solidification est soumis, le long du mandrin interieur, et à proximite de celui-ci, non seulement au voisinage de la surface, mais sur une hauteur correspondant sensiblement a la totalite de la hauteur du moule exterieur, au champ magnétique mobile.
Dans une solution preférentielle de coulée con-tinue rotative, on adopte des sens de rotation tels que la rotation du metal liquide due a la composante horizontale du champ magnetique mobile et le mouvement de rotation du moule extérieur et du mandrin soien-t de sens opposés.
L'ef~et de remontee du mé-tal le long du mandrin est alors le plus marqué malgré la forme générale concave du ménisque due ~ la rotation du moule exterieur et du mandrin.
~9~i~23 La vitesse de rotation du moule exterieur est genéralement comprise entre 30 et 120 tr/min.
Les solutions avantageuses d'exploitation du pro-cédé suivant l'invention dans le cas genéral, sont applica-bles, bien entendu, dans le cas de la coulée continue rota-tive et en constituent les solutions préférentielles de réalisation. On notera bien dans ce procédé que, du fait de la presence du mandrin intérieur etanche, on évite tout contact direct de la surface interieure du produit creux en cours de formation avec l'eau, le refroidissement se faisant par mandrin interposé. Pour parfaire le refroidissement, on peut prevoir, en prolongement du mandrin intérieur, un écran anti rayonnement avec adjonction ou pas d'un adjuvant gazeux de refroidissement permettant d'écouler plus facilement les calories.
~ 'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procéde précédemment décrit. Ce dis-positif comprend un moule exterieur ~ertical à paroi inte-rieure metallique refroidie par circulation interne de fluide, un mandrin interieur refroidie egalement par circula-tion de fluide, des moyens d'introduction d'un métal liquide à la partie supérieure de l'espace annulaire compris entre le mandrin et le moule, des moyens d'extraction vers le bas d~ corps creux en cours de solidification,et des moyens de creation d'un champ magnétique mobile à l'interieur dudit metal liquide ~ui sont loges a l'interieur du mandrin.
Dans ce dispositif, le champ magnétique mobile peut être creé par des enroulements inducteurs, alimentes en courant polyphasé, fixes par rapport à la paroi exté-rieure du mandrin.
De façon préferentielle, on cree le champ magné-tique mobile au moyen d'un systeme inducteur qu'un moyen d'entrainement fait tourner par rapport à la paroi extérieure du mandrin et qui comporte soit des enroulements alimentés en courant continu, soit des g _ `~
aimants permanents.
Dans le cas de la coulee rotati~e, le dispositi~
objet de l'invention peut comprendre,de plus, des moyens ~'ent~aînement en rotation du moule exterieur ainsi que des moyens d'extraction permettant d'extraire verticalement vers le bas, d'un mouvement helicoldal, le corps creux en cours de solidification. Le mandrin interieur est, de preference, dispose de façon coaxiale par rappor-t au moule.
Selon une solution preferentielle, la rotation du lo rotor est assuree par le ~luide du circuit de refroidisse-ment par l'intermediaire d'une turbine situee à l'interieur du mandrin interieur.
Le mandrin interieur est realise en un materiau amagnetique presentant avantageusement une bonne conducti-vité calori~ique et une conductivité électrique aussi ~aibleque possible. La partie interne du mandrin, c'est-à~dire la partie correspondant au rotor magnetique, s'etend avanta-geusement sur une hauteur sensiblement egale à celle du moule exterieur, le rotor depassant au-dessus du niveau libre du bain métallique.
Une solution preférentielle de création du champ magnétique mobile consiste à monter les aimants permanents, constitués de parallélépipèdes à faces rectangles, à la peripherie d'un rotor constitue d'un noyau metallique magne-tique, selon une helice presentant une aimantation nord-sud homogene, preferentiellement radiale.
Pour accroître l'intensite du champ magnétique, on peut disposer les aimants permanents suivant deux helices decalees enroulees autour du rotor à la façon d'une vis à
deux filets, chaque hélice présentant, dans ce cas, une aimantation homogène radiale, L'une des hélices comporkant un ensemble d'aimants dont les pôles nord son-t les plus proches de l'axe du rotor, et l'autre des aiman-ts, dont les pôles sud sont les plus proches de l'axe du ro-tor.
on peut prevoir aussi plus de deux helices deca-lees. Dans ce cas, on dispose un nombre pair d'helices pre-sentant chaculle une aimantation homogene radiale, le sens de l'aimantation alternant d'une helice a la suivante. De cette facon, on obtient, au mo~en d'aimants permanents, un champ magnetique pol~phase mohile, qui est infiniment plus simple a realiser que par utilisation d'une pluralite d'in-ducteurs polyspires decales dans l'espace e-t qu'il faudrait alimenter par des courants polyphasés.
De cette conception generale du dispositif sui~ant l'invention, il resulte une grande simplicite, tant du point de vue construction que mise en oeuvre et une grande com-pacite.
Ceci permet d'assurer une grande fiabilite et une securite d;exploitation, tout en obtenant un coût d'utilisa-tion favorable.
Les figures et l'exemple ci-après decrivent, de façon non limitative, un mode de realisation du dispositif suivant l'in~ention, applique à la realisation de corps creux de section circulaire par coulée continue rotative.
; La figure 1 represente une vue d'ensemble, en coupe axiale verticale, du dispositif suivant l'invention.
La figure 2 represente la turbine d'entralnement du rotor magnetique en coupe, suivant C-C', comme montre figure 1~
La figure 3 represente un systeme de motorisation en rotation du mandrin de la figure 1, systeme positionne sur la figure 1 entre les plans horizontau~ D-D' et E-E', mais non dessine sur la figure 1.
La figure 4 represente une vue de face et en coupe partielle, du rotor magnetique de la Eigure 1.
Le dispositif suivant l'invention, decrit ici dans le cas d'une coulee continue rotative pour l'obtention de barres creuses en acier, est represente dans son ensemble .....
3li~5~23 en ~igure 1, qui a été ~oupée dans sa partie inferieure pour faciliter la représentation.
Le dispositif permettant la coulée continue rota-tive de corps pleins en acier, de section circulaire, est en soi connu, en particulier par les publications dont les references ont eté donnees plus haut.
La description ci-après portera donc essentielle-ment sur les moyens nouveaux utilises pour la realisation . du procede et du dispositif sulvant l'invention.
La figure 1 represente un dispositif de coulee continue rotative de corps creux suivant l'invention, qui comporte un moule exterieur 1, ou lingotiere, tournant au-tour d'un axe vertical de forme generale tubulaire et de section circulaire, refroidi, un mandrin interieur 2, un systeme d'amenee de metal liqu:lde schematise par la flèche 3 et un système d~extraction helicoidale verticale des pro-duits coules. Ces deux derniers systemes etant les mêmes que ceux utilises pour la coulee continue rotative de barres rondes pleines, sont connus de l'homme de l'art et, donc, non représentes. La lingotiere 1 ou moule exteri.eur, est figuree simplement par sa paroi 4 limitee en 5 et 6. Cette paroi presente en general une legere conicite, avec diminu-tion de section dans la partie inferieure, qui assure le contact avec le metal en cours de solidification. Son système de refroidissement et ses moyens d'entralnement en rotation, connus de l'homme de l'art, n'ont pas ete repre-sentes. La surface libre du metal est en 7 et le corps creux de section circulaire, partiellement solidifie est en 8.
Le mandrin interieur creux 2 est constitué de deux parties: la partie basse, située au niveau du moule 1 est immergee dans le me-tal en cours de solidiEication, qui constitue la partie active du mandrin, et la partie haute, situee au-dessus du moule 1, portant les mecanismes ~5~323 de commande et de support de la partie basse.
Dans sa partie basse, le mandrin comporte un man-chon 9, de forme genera~ement tubulaire, de section circu-laire et de hauteur legèrement superieure a la hauteur de la lingokiere 1.
Le manchon 9 presen-te avan-tageusement une conicite avec retrecissement de la section vers le bas powr permettre le retrait du metal en cours de solidification. Le manchon 9 est realise, de façon generale, en un materiau amagnétique présentant une bonne conductivite calorifique, par exemple, en cuivre ou alliage de cuivre.
Le mandrin 2 est maintenu en posi-tion dans le moule par des moyens de soutien representes figure 2, de façon que le manchon 9 soit par~aitement coaxial avec le moule 1.
Le manchon 9 est assemble, par exemple, par man-chonnage en 10 avec un joint d'étanchéité s-tatique 11 avec un tube support de révolùt~on 12 qui constitue la partie superieure du mandrin et dont l'extremité superieure pénètre dans la tête de mandrin 13. Un double joint à lèvre 14 permet la libre rotation du mandrin par rapport a la tête 13 tout en garantissant l'étanchéité vis-à-vis du fluide sous pression qui circule a l'interieur.
La rotation du manchon 9 est commande par un sys-tème moteur represente figure 3, qui assure à la fois la mécanisation en rotation du mandrin 2 et son maintien gene-ral en position verticale et centrée par rapport au moule 1, l'axe du mandrin étant confondu avec celui du moule 1. Ce dispositif d'entrainement mecanique est decrit plus loin.
La tête 13, fixee sur le dispositif moteur de la figure 3 par une patte de fixation P, porte les conduites d'amenee 15 et de depart 16 du fluide de refroidissement.
- A l'interieur du mandrin creux 2, un tube central 17, de section circulaire et co-axial au manchon 9, supporte, .. :
5~3 dans sa partie basse, un rotor magné-ti.que 18 qui l'entoure, et qui est monté libre en rotation par ~apport au tube 17.
Le tube 17 est fermé de façon étanche à sa partie - inérieure 19; il est solidarisé avec le tube support 12 par l'intermédiaire de plaques radiales 20-21, qui ne font pas obstacle a l'écoulement axial entre 12 et 17 du fluide de refroidissement.
Le manchon 9 et le tube 17 sont solidarisés, de façon etanche, a la partie inferieure par la piece de fond annulaire 22 avec joints sta-tiques d'etancheite toriques 23 et 24. A son extremite superieure, le tube 17 est centre par une piece annulaire 25 par rapport a laquelle il est libre en rotation grâce a un joint a levre 26. La piece 25 ~` ~ est elle-même montée de faSon etanche, grâce a un joint .15 torique statique 27 a l'interieur de la tête du mandrin 13.
Un ecrou 28 visse en 29 sur le tube 17 assure la bloquage de la piece de fond 22.
~ insi, le manchon 9, le support 12, le tube 17 et la pièce de fond ~2 sont parfaitement solidaires et peuven-t tourner a la même vitesse de rotation.
Le rotor magnetique 18 est constitue par un cylin-dre creux libre en rotation sur le tube 17 et porte sur sa surface extérieure des masses magnetiques. Sa structure particuliere sera décrite plus loin. La longueur du rotor est choisie de façon que sa partie superieure depasse nettement le niveau correspondant a la surface libre du metal liquide au voisinage du manchon 9. On s'arrange, dans la construction, pour que l'intervalle entre rotor 18 et manchon 9 soit le plus reduit possible, compte tenu de la necessite de conserver une section de passage suffisante pour le fluide de refroidissement. .
La vitesse du rotor 18 n'est par liee a la vitesse du tube 17 et ledit rotor tourne sur des bagues en materiau approprié, par exemple en matériau a base de resine plus fibre tvpe celeron, 31 et 32 positionnées sur le tube 17.
Le rotor 18, dont la vitesse de rotation doit être élevée 1 000 à 3 000 tr/min., est en-tralné en rotation par le fluide de refroidissement par l'intermédiaire d'une turbine 33 usinée dans la partie inferieure du ro-tor etl donc, solidaire de celui-ci.
La figure 2 donne, en coupe, le profil de la tur-bine. Le fluide de refroidissement, qui se trouve sous une pression convenable à l'intérieur du tube 17, sort de celui-ci par des trous radiaux tels que 3~ répartis en nombreconvenable à la périphérie du -tube 17. Un ensemble d'orifi-ces, tels que 35, de profil convenable, sont répartis à la périphérie du rotor 18 et orientés de fason à provoquer par reaction l'entralnemen-t en rotation du rotor.
Le profil des orifices 35, ainsi que le réglaye de la pression du fluide de refroidissement utilisé~ per-mettent de maîtriser la vitesse de rotation du rotor magné-tique 18 dans la gamme de vitesse voulue. Ainsi, selon ce dispositif, le fluide de refroidissement, en genéral de l'eau, entrant en 15, descendant a l'intérieur du tube 17 et remontant dans l'intervalle 30 pour sortir en 16, assure à la fois le refroidissement du manchon 9, pour permettre l'elimination des calories du bain métallique, et le refroi-dissement du rotor et des masses magnetiques.
Un dessin convenable des pièces permet, avec une pression d' eau de 2 à 3 kg/cm2, dlatteindre une vitesse de 3 000 tr/min. et une température des masses magnétiques inférieure à 100C, les vitesses de circulation adoptées permettant d'éviter la présence d'air dans le circuit de refroidissement.
On choisit, de préférence, comme vitesse de rota-tion du rotor, celle qui permet d'obtenir une vitesse de déplacement ascendant du métal liquide suffisamment élevée.
Le rapport entre la vitesse de deplacement ascendant du 3L:195~323 metal liquide et la vitesse de rotation du rotor es-t fonc-tion de cette vitesse de rota-tion. ~u-dela d'une vitesse de rotation critique, la vitesse de deplacement ascendant du metal liquide ne s'eccroît plus, et, au contraire, se me-t a diminuer rapidement. Cette vitesse critique de rotation depend en particulier de la nature du materiau qui constitue la paroi du manchon 9 e-t de l'epaisseur de celle-ci.
Dans le cas d'un manchon en cuivre, cette vitesse critique de ro-tation du rotor N ~ exprimee en tr/min. est determinee approximativement par la formule:
N = 300 e ae etant l'epaisseur de la paroi du manchon 9 exprimee en millimetres.
La vitesse de rotation du mandrin 2, qui est de preference synchronisee avec le mouvement de rotation du moule 1, est assuree par le mécanisme de la figure 3. Cet ensemble vient se placer entre les plans D-D' et E-E' de la figure 1. Ce mecanisme est essentiellement constitue d'une couronne dentee 36 frettee sur la piece 12 mûe par un arbre moteur 37, a l'extremité duquel on trouve un pignon conique 38.
La couronne est supportee dans sa rotation par deux boltes a rouleaux coniques 39 et ~0, qui permettent de maintenir en position verticale fixe et centree le man-drin 2. L'arbre 37 tourne egalement dans une bolte à deux rouleaux coniques 41 et 42, un carter etanche et refroidi 43-44 venant fermer le tout.
Des joints 4S-46 assurent l'etancheite lors de la rotation du mandrin.
La tête du mandrin 13 est fixee sur le boî-tier porte-arbre moteur par les pattes P et 47 et les boulons 48.
S~
Le mandrin 2 est positionné sur le moule 1 par un système non figuré, de pattes amarrées d'une part, sur le plancher de travail qui peut se trouver à hauteur du moule 1 et, d'autre part, sur le carter 43-44 ou sur la tete 13 du mandrin. Ainsi, on assure un maintien en position verti-cale bien définie du mandrin.
La structure du rotor magnétique 18, créant le champ mobile, est représentee en élévation, figure ~, la partie haute de la figure étant en coupe.
Ce rotor est constitué d'un cylindre creux 49 en acier de construction, dont les extrémités sont pro~ilées pour permettre le logement des bagues de friction 31-32 permettant de centrer en rotation avec un minirnum de ~rotte-ment ledit rotor.
Les masses maynétiques sont constituées par des aimants permanents tels que 50 positionnés dans des loge-ments tels que 51~ realises côte a côte en helice, a la sur-face du cylindre. Ces aimants sont fixés dans leur logement, par exemple par collage. On adoptera avantageusement des aimants de forme parallélépipédique a face rectangle, dont les grands côtés sont orientés parallelement aux generatri-ces, l'axe Nord-Sud, perpendiculaire aux grandes faces, correspondant a la plus faible distance entre faces du parallélepipade, et etant radial, c'est-a-dire perpendicu-laire a l'axe du rotor.
Dans le mode de realisation représente figure 4,les helices sont au nombre de deux, coaxiales 52 et 53, disposées autour du rotor à la façon d'un filetage à double filet présentant un pas a droi-te, chaque helice etant orien-tée magnétiquement de fason homogène, c'est-a-dire que les pôles les plus proches dé l'axe du rotor de l'ensemble des aimants d'une même hélice sont de même nom. Par contre, l'orientation magnétique des deux hélices es-t opposée.
Ainsi, dans le cas de la figure 4, les pôles de l'helice 52 ., ~19513~3 les plus proches de l'a~e du rotor, son-t sud, tandis que ceux de l'hélice 53 les plus proches de l'axe ~u rotor, sont nord.
Tout almant permanent suffisamment stable peut etre utilisé.
Le sens d'enroulemen-t de ]'héllce ou des helices sur le rotor doi-t etre le meme ~ue le sens de ro-tation du rotor autour de son a~e Vll de dessus. Ainsi, si le rotor vu ~de dessus tourne dans le sens cles aiguilles d'une montre, l'hélice ou les hélices doivent avoir un pas à droite. Cette structure de rotor crée par ro-tation, un champ glissant dont la direction de deplacement est en chaque point perpendicu laire aux file-ts de l'helice et contenu dans le plan tangent a la surface du cylindre. La direction de déplacement de ce champ glissant presente donc, d'une part, une composante verticale qui entralne le métal liquide de bas en haut, et une composante horizontale du champ magnétique qui tend a entralner le metal liquide en rotation.
Le pas de l'helice ou des hélices, c'est-a-dire la distance entre deux spires d'une meme hélice le long d'une génératrice, sera choisi de façon a ce que la composante horizontale du champ magnétique reste faible, tout en ne rapprochant pas trop les masses magnetiques sur une meme géneratrice du rotor, de fason a avoir des lignes de champ penetrant en profondeur dans le métal liquide. La distance sur une même generatrice, entre les extrémités les plus pro-ches d'un aimant nord et d'un aimant sud, ne sera pas, de préférence, prise inférieure a la grande longueur du paral-lélépipede de base.
On peut perfectionner le dispositif en prevoyant de placer, comme le montre la Eigure 1, sous le mandrin rotatif, un écran 54, dont la fonction es-t de réduire le - rayonnement de la surface interne de la barre creuse, une fois sortie du mandrin. Un tel écran, constitué par un ~ 18 -~195~
cylindre creux de métal à fond plein, peut être fixé par vissage en 55 sur un prolongemen-t du tube central 17.
On peut egalement, qu'il y ait ou non un ecran 54 prevoir avantageusement un dispositif de refroidissement secondaire par gaz protecteur neutre. La distribution d'un tel gaz protecteur, comme le montre la figure 1, est assuree par un tube 56 filete en 57 et visse dans un trou axial 5~
perce dans le fond 19 du tube 17. Des canaux radiaux tels que 59 mettent en communication le trou 58 avec l'exterieur.
Le,gaæ, qui sort par ces trous, vient frapper la paroi in-te-rieure en cours de solidificat;.on du corps creux et accelère donc cette solidification.
Ce gaz protecteur es-t amene sur la tete 13 en 60.
De cette fa~on, l'eau de refroidissemen-t ne peut s'echapper du mandrin 2 et il n'y a pas risque de penetration intempes-tive de l'eau dans la cavite intérieure des barres en cours de solidification. A l'extrémite superieure du tube 56, un joint 61 empêche la penetration de l'eau de refroidissement du tube 17.
On peut prevoir avan-tageusement un disposi-tif de lubrification par huile vegétale, type huile de colza, dans l'interface manchon 9 - peau de metal en cours de solidifi-cation, par exemple, par un distributeur goutte a goutte.
Le dispositif, qui vient d'être decrit, a l'avan-tage d'être particulierement simple et compact et de ne nécessiter de source d'energie électrique, ni pour creer le champ magnetique, ni pour met-tre en rotation le rotor magne~
tique. Cette conception est particulierement interessan-te du fait de l'environnement qui regne au niveau du moule:
temperature elevee, place disponible -tres reduite, danger des infiltratlons d'eau sur du métal liquide.
Par ailleurs, un autre avantage du dispositif decrit est sa simplicite de mise en oeuvre. En effet, à un meme tube support 12, on peut adapter des dimensions de -- lg --- manchons 9 différentes dont le diamètre de travail, c'est-a-dire le diamè-tre de la partie immergée dans lè métal en cours de solidification, correspond aux différents dlametres intérieurs des corps creux à fabriquer. Pour celà, le man-chon 9, au lieu d'avoir la forme d'un cylindre ~e revolu-tion de section constante, comme sur la figure 1, aura, sur toute sa partie qui se trouve en contact avec le métal coulé, : une forme de révolution correspondant à la section intérieure de la barre creuse à fabriquer et, dans sa zone supérieure, une section correspondant au manchonnage 10 du tube support 12, les deux parties dudit manchon 9 se raccordant, dans ce cas, par un épaulement.
On adaptera, bien entendu, le diamètre du rotor 18 au diametre intérieur du manchon 9. Un même rotor peut être utilisé pour plusieurs dimensions de manchons 9, donc de barres creuses.
. Le démontage de l'ensemble slopère tres facilement par dévissage de l'écrou 28, dégagement de la piece du fond 22 et dégagement du manchon 9, le rotor 18 venant alors de lui-même et lè tube 17 restant solidaire du tube support 12.
On décrira maintenant le fonctionnement du procede mis en oeuvre au moyen du dispositif ci-dessus.
Le métal liquide est amene de façon continue par 3 dans le moule 1, qui est animé d'un mouvement de rotation à vitesse constante. Le mandrin interieur 2 est, lui aussi, a~ime d'un mouvement de rotation a vitesse constante sensi-blement égale à celle du moule l et de même sens. Cette -rotation du mandrin est assuree, soit par le mecanisme decrit figure 3, soit simplement par le frot-tement du metal en cours de solidification sur le mandrin interieur, le - mecanisme decrit figure 3 ne servant plus dans ce cas qu'a maintenir en position verticale et centree le mandrin tour-nant. Du fait de la rotation continue du moule l et du mandrin 2, on evite toute surchauffe localisee du moule et ~:~9S13,~3 du mandrin, en particulier, par rayonnemen-t à l'endroit o~
le metal liquide est introduit par 3 dans le moule. De ce fait, le procede a une grande symetrie, tant thermique que geometrique.
Au contact de la paroi ~ refroidie du moule 1 et du manchon 9 egalemen-t refroidi, une croute solide 8 se - forme et la solidification proyresse au fur et ~ mesure de l'extraction de la barre creuse du moule par le bas.
: La surface libre du ~netal 7, qui peut eventuelle-ment être protegee par un courant de gaz protecteur amene a l'etat gazeux ou liquide, prend alors, du fait de la rota-tion du moule, la forme generale concave, comme on le voit figure 1, les bords exterieurs se xelevant en 62. De ce fait, les inclusions, crasses ou toutes particules non -15 metalliques surnageant a la surface d~l metal, ont tendance a s'ecarter de la peripherie. Il en résulte une surface exterieure particulierement soignee ne nécessitant pas de preparation de surface avant transformation ulterieure.
Ceci est bien connu et expose, entre autre, dans l'article de la Revue de Metallurgie-CIT, déja cite.
Du côte du mandrin central, la composante verti-cale du champ magnetique mobile crée par le rotor tournan-t 18 a pour effet de modifier totalement les conditions nor-males de solidification au voisinage de la surface exterieure du manchon 9. En effet, le courant ascendant de metal li-quide, qui se produit le long de ce manchon entralne toutes l~s crasses et inclusions eventuellement presentes, de façon rapide jusqu'à la surface libre du metal et, de plus, ce courant, qui est ensuite devie radialement vers la periphe-rie, provoque la remontee du niveau du metal liquide auvoisinage du mandrin 2 ainsi que la formation d'un relief annulaire 63 qui, par sa forme, empêche les crasses surna-geant sur la surface libre du bain metallique 7 de venir se deposer sur la surface interieure du corps creux en cours - 21 ~
3S~3 de solidification. Cet effet mecanique de barraye vient s'a~outer a l'effet d'entralnement par le courant de surface qui maintient eloi~nees du mandrin, les crasses se trouvant sur le bain.
Afin d'ob-tenir en 63 un relief d'ampli-tude maxi-male, on fait en sorte que la rotation du métal, due à la composante horizontale du champ magnétique mobile soit con~
trecarrée par le mouvement général de sens opposé de la barre creuse en cours de solidlfication. Il faut donc que le sens de ro-tation de la barre creuse 8 et, par conse~uent, celui de la paroi du moule l qui l'entralne, et aussi celui du mandrin 2 soient opposes au sens de ro-tation du rotor 18.
Le jet de distribution de métal liquide est orien-te de façon telle qu'il conserve aux courants ascendants et de convection, au voisinage du mandrin, leur efficacite maximale.
Pour celà, on oriente preféren-tiellement le jet 3 de façon a ce que le mouvement du métal versé dans le moule ait une com-posante radiale centrifuge, la composante tangen-tielle, qui tend a faire tourner le bain, etant dirigee dans le sens de rotation du moule l. Par ailleurs, le brassage opere sur le metal liquide en cours de solidification, au voisinage du mandrin, a pour effet d'affiner la structure de la peau inte-rieure du corps creux obtenu.
Il en resulte une très belle peau interieure du corps creux, qui ne necessite pas de traitement de surface prolonge pour continuer le cycle de fabrication.
Le procede de coulee continue rotative de corps creux s'applique particulierement bien au cas de l'acier.
On peut, par exemple, fabriquer des barres en acier ayant un diamètre extérieur de 350 a 400 mm et un diame-tre inte-rieur de 115 à 200 mm.
Pour un diamètre exterieur de ~00 mm et un dia-mètre interieur de 200 mm les paramètres de marche sont les suivants:
~IL19S~23 - Hauteur du moule : 430 mm - Hauteur du rotor magnétique : 350 mrn - Vitesse de rotation du moule : 40 tr/min.
- Vitesse de rotation du mandrin : 40 tr/min.
(dans le même sens que le moule) - Vitesse de rotation du rotor o 3000 tr/min.
(dans le sens opposé au sens de rotation du moule) - Mandrin en cuivre, épaisseur : 10 mm - Pression d'eau de refroidissement : 2,5 bars.
Bien que l'exemple qui vient d'être donné concerne l'application du procéde suivant l'invention, à la coulee continue rotative, c'est-à-dire au cas où le corps creux coule est entralne en rota~ion ainsi que le moule, le pro-cede suivant l'invention s'applique également de la façon la plus gënérale aux procédes dans lesquels le moule est fixe.
Il peut, en particulier, s'appliquer aux procedes dans les-quels des dispositifs inducteurs repartis au voisinage de la paroi du moule, qui est en contac-t avec le metal en cours de solidification, creent des champs magnetiqu~s mobiles qui agissent sur le metal liquide.
Le procé~é suivant l'invention peut s'appliquer tous les métaux susceptibles d'être coulés en continu par les méthodes classiques de coulée de corps pleins et parmi lesquels on peut citer l'aluminium, le cuivre et les aciers.
Bien qu'il puisse etre appliqué~ d'une fason tout a fait generale, à la fabrication de corps creux presentant des sections de formes tres diverses, le procédé suivant l'invention sera appliqué avec un interêt particulierement grand a la fabrication de corps creux de sectio~ circulaire et, en particulier, en operant par coulee continue rotative, les corps c~eux obtenus pou~ant, par exemple, servir d'ebau-ches présentant de bonnes qualités de peaux intérieure et extérieure pour la fabrication de tubes sans soudures.
La fabrication de corps creux de section circu-laire, c'est a-dire, presentant un creux interieur generale-ment concentrique a la section exterieure, a fait l'objet de nombreuses et diverses descriptions -techniques.
D'une façon generale, on utilise dans ces procedes connus un mandrin cylindrique ou cylindro-conique métallique, par exemple en cuivre, refroidi interieurement à l'eau et dispose co-axialement à l'interieur de la lingotiere ou moule extérieur de coulee. On s'arrange egalement pour refroidir la paroi interieure du produit creux obtenu, generalement a l'eau, apres formation d'une couche superficielle solidifiée.
Au fur et a mesure de la coulee, le métal initialement li-quide se solidifie au contact du mandrin, le front de soli-dification progressant ensuite radiale~ent par rapport audit mandrin.
Cette solidification commencant des la sur~ace libre du bain métallique, il en resulte un emprisonnement - 1 - ~
3L~9~ 23 dans la couche superficielle solidifiee, qui constitue la peau intérieure du corps creux obtenu, de toutes les crasses co~stituees de laitiers, inclusions ou autres particules non metalliques, presentes à la surface du bain e-t, d'une fason generale, une peau interieure presentan-t des defauts, types incrustations, laitiers, repliures, qui devront 8tre eliminés au moyen de traitements de surface difflciles et couteux avant utilisation ulterieure du corps creux obtenu.
La peau interieure de ces produits presente donc les memes types de defauts qu'on observe sur la peau exte-rieure des corps pleins dans les coulees classiques.- Ces defauts sont encore aggraves par l'exigulte de l'espace dis-ponible qui empeche l'introduction de tout dispositif méca-nique permettant de les eliminer au moins partiellement.
Certains procédés ont été developpes pour essayer de résoudre ces difficultes. Tel est le cas de celui decrit dans le bre~et suisse n 618 363 du 06.01.77, qui utilise l'effet electromagnetique d'un inducteur monospire exterieur et d'un inducteur monospire in-terieur pour realiser la coulée continue de corps creux sans utilisation de lingo-tiere extérieure ou de mandrin.
Les inducteurs utilisés dans ce procéde sont ali-mentes par un courant alternatif monophase et creent donc un champ magnetique sinusoldal stationnaire, generalement qualifie de champ pulsant.
Ce champ pulsant favorise principalement la crea-tion de forces de pression, au sein du metal liquide, qui l'ecartent des parois fixes dans lesquelles sont contenus les inducteurs, sans engendrer au sein de la masse de metal liquide des mouvements circulatoires importants.
Ainsi, selon cette technique, on maintient en equilibre une couronne de metal liquide par un champ magne--tique, la surface libre de ce metal ayant une forme convexe, comme le montre la figur~ 1 du brevet cite. E-tant donne le faible rayon d'action du champ magné-tique, cela impose que la colonne de métal liquide soit de hauteur reduite. Une telle technique est probablement utilisable pour l'aluminium, qui présente un puits de solidification peu proEond et un front de solidification relativement plat.
Par contre, dans le cas de l'acier, métal c1e forte densité (du moins par rapport à l'aluminium), et beaucoup moins conducteur de la chaleur que l'aluminium, le puits de solidification, distance mesurée dans la barre en cours de solidification depuis la surface libre du bain metallique jusqu'à la zone de fin de solidification, est tres proond et bien superieur a celui de l'aluminium. Il en résulterait la necessite de vitesses de coulee extrèmement lentes pour obtenir une peau solidifiee suffisamment resistante pour contenir le metal encore liquide, compte tenu des forces de pression developpees par le champ magnetique pulsant, pro-cede, à supposer qu'il soit realisable, dans le cas de l'acier, totalement inutilisable economiquement.
Une autre solution pour ameliorer la qualite de la peau interieure de corps creux coules, decrite dans le brevet fransais n 2 180 494, consiste à faire appel à un procede de coulée continue rotative, dans lequel on utilise un mandrin central en introduisant de facon continue un laitier entre la surface annulaire du métal en cours de solidification et la paroi exterieure du mandrin.
Ce procede a l'inconvenient de perturber les echanges thermiques et de re-tarder la progression du front de solidification a partir du mandrin. De plus, il est necessaire d'effectuer un traitement de la surface inte-rieure du produit obtenu avant usage pour éliminer, entreautres, la couche de laitier déposée sur la peau intérieure.
On notera, par ailleurs, la difficulté générale du problème à résoudre, étant donné l'environnement hostile:
exiguité de l'espace disponible tant en hauteur qu'en dia-S~3 ,, metret au niveau du moule, danger d'explosion par utilisa-tion d'eau en cas de contact avec le metal liquide, particu-lièrement dans le cas de l'acier.
On a donc recherche un procede de fabrication de corps creux par coulée continue, qui ne presente pas les inconvenients ci-dessus décrits et permette, en particulier, d'obtenir des corps creux dont la peau interieure soit d'une qualite satisfaisante.
On a recherche, en particulier, la possibilite d'obtenir une qualite de peau intérieure telle qu'elle per-mette la mise en oeuvre de corps creux sans preparation de surface particulière ou en reduisant cette preparation de surface au minimum.
On a recherche éyalement un dispositif de mise en oeuvre d'un tel procéde simple et economique, et applicable a la coulee de nombreux metaux ou alliages.
Selon la presente invention il est prevu un pro-cede de fabrication de corps creux metalliques par coulee continue verticale, dans lequel on introduit,de façon con-tinue,un metal liquide dans un espace annulaire comprisentre un moule metallique e~terieur refroidi par circulation de fluide et un mandrin interieur refroidi egalement par circulation de fluide, ce metal se solidifiant progressive-ment au contact des parois du moule et du mandrin avec for-mation d'un corps creux qui est extrait au-dessous du moule procede dans lequel, dans une zone annulaire voisine de la sur-face exterieure du mandrin, on soumet le métal liquide à
l'action d'un champ magnetique mobile qui cree ~ l'interieur de ce metal des forces, presentant une composante verticale dirigee de bas en haut, qui entralnent ce metal vers la suxface du bain.
Ainsi, selon le procede suivant l'invention, le metal liquide situe au voisinage du mandrin interieur est soumis a un champ ~lissant et tournant. La composante verticale de ce champ soumet le métal liquide situé dans cette zone à des forces ordonnées qui l'entraînent de bas en haut, dans une direction opposée a la direction d'extrac-tion du produit creux formé. On obtient ainsi, dans cette zone annulaire, une accélération de la remontée vers la surface libre du bain métallique, des inclusions Oll crasses présentes dans cette zone.
Le mouvement circulatoire du métal liquide, qui se produit au voisinage du mandrin de bas en haut, est ensuite dévié dans une direc-tion radiale en approchant de la surface libre du bain métallique. Il se produit ainsi un entraînement des inclusions présentes dans le metal liquide, le long du mandrin. ~ la surface du bain me-talli-que, dans la zone proche du mandrin, le déplacement radial du métal liquide écarte les inclusions ou particules de laitier flottantes. Ainsi, ces inclusions ou particules diverses ne risquent plus de se trouver emprisonnées dans la zone de peau intérieure du corps creux obtenu.
De plus, le deplacement du metal liquide de bas en haut, au voisinage immédiat de la surface extérieure du mandrin intérieur peut provoquer la formation à la surface du bain métallique d'une zone annulaire en relief. Ainsi, a l'effet du déplacement radial du métal liquide vers la peripherie s'ajoute l'effet de barriere de ce relief qui empêche les inclusions ou particules de laitier flottantes, de veni~ à proximite de la paroi du mandrin dans la zone de formation de la peau intérieure du corps creux.
Il en résulte une qualité de peau nettement supé-rieure a celle que l'on obtient sans utilisation d'un champ magnétique ayant les effets cités.
Le mé-tal liquide est, en genéral, introduit de façon continue et con-trôlée par un jet provenant, par exemple, d'une busette de coulée qui perme-t de régler le débit et l'impact du jet, tant en angle qu'en position.
l9S~2~
La surface libre du bain metallique peu-t etre, soit en contact avec l'atmosph~re, soit proté~ée par tout moyen en soit connu tel que, par exemple, un gaz neutre pro-tecteur introduit a l'etat liquide ou gazeux, ou encore un laitier.
Le champ mac~netique mobile, qui joue un rôle essen-tiel, peut être cree par tou-t moyen adéquat consistant en des systèmes inducteurs, fixes ou mobiles par rapport au métal liquide/ alimentés par des courants alterna-tifs poly phasés~ ou en des systèmes inducteurs mobiles constitués par des enroulements alimentés en courant continu, ou par des aimants permanents.
Un mode de réalisation particulièrement simple et efficace du champ magnetique mobile peut consister à utiliser des aimants permanents disposés convenablement sur un rotor de revolution, contenu dans le mandrin interieur, qui est animé d'un mouvement de rotation autour de son axe. Dans une solution préférentielle, ledit rotor, portant les aimants permanents, est entralne en rotation par le fluide de refroi-dissement du mandrin intérieur par l'intermédiaire d'uneturbine ou de tout autre moyen convenahle d'entralnement direct ou indirect.
D'une façon génexale, on s'arrange pour privile-~ier la composante verticale du champ magnetique mobile par rapport a la composan~e horizontale qui tend a entralner le metal liquide en rotation autour du mandrinO
Un tel mouvement de rotation du metal liquide dans le moule n'etant pas utile au fonctionnement du procede, on cherche a réduire ou à bloquer ce mouvement par tout moyen adéquat. A cette fin, on veille à ce que le jet de métal liquide qui penètre dans le moule soit oriente de fa~on que le sens de déplacement de ce métal présente une composante tangentielle de ce sens oppose au sens de rotation da a un champ magnetique.
La vi-tesse de rotati.on adop-tee pour le rotor est telle que le champ glissant obtenu ait une frequence su~fi-sante pour avoir un effet d'ascension du metal le long du mandrin notablel sans pour autant que cet-te frequence soit trop importante, le champ étan-t alors absorbel en majeure partie, par l'ëcran métallique que constitue le mandrin.
: Des vitesses de rotation de 1 000 a 3 000 tr/min.
.correspondant à des fréquences de 17 a 50 HZI sont génerale-ment adopteesO
Il peut être avan-tageux de procéder de façon con-tinuel lors de la couléel a une lubrification de la paroi externe du mandrin intérieurl en contact avec le métal, par une huile végétalel par exemplel une huile de colza, en soit connue pour cette application.
On conférera au mandrin intérieur la conicité
necessaire pour permettre un bon demoulage des produits.
Le procede suivant l'inventionl qui vient d'ê-tre décritl s'applique de la acon la plus générale a tout type de coulée continue etl en particulier, à la coulée continue rotative.
La coulée continue rotative qui est pratiquée couramment pour la réalisation de corps pleins de section circulairel comportel en générall une lingotière verticale animée d'un mouvement de rotation uniforme autour de son axel le métal coulé étant extrait verticalement sous la lingotiere par un mouvement hélicoidal de rotation transla-tion continu vers le bas.
Une telle technique est décrite dans de nombreuses publications telles que les FR. 1 440 618l 2 11~ 874l.et aussi dans la Revue de Métallurgie CIT Février 1981 (pages 119 a 136).
Dans le cas de l'application du procédé suivant llinvent.ion a la coulée continue rotativel on introduit le métal liquide dans l'espace annulaire compris entre un moule ~9~ 23 exterieur à axe ver-tical, de section circulaire, refroidi, tournant à une vitesse angulaire uniforme autour de cet axe et un mandrin intérieur également vertical, dont l'axe est, le plus souvent, confondu avec l'axe du moule extérieur, ledit mandrin étant refroidi par clrculation interne de fluide et tournant sur lui-même autour de son axe, dans le même sens que le moule extérieur, l'ébauche creuse formée étant extraite verticalement par un mouvement hélicoïdal vers le bas, par des moyens d'extraction.
Comme celà a ete dit plus haut, le métal liquide est soumis a un champ magnétique mobile ayant sa source a l'intérieur du mandrin, de fa~on à créer des forces telles qu'elles impriment au métal liquide un mouvement présentant une composante verticale, pa~allèle a l'axe du mandrin, dirigée du bas vers le haut. Avantayeusement, la vitesse angulaire du mandrin intérieur est sensiblement egale a ~ celle du moule exterieur, ce mouvement etant, soit commandé
; par un dispositif mecanique, soit le resultat de l'entral-nement par frottement du prodult creux en cours de solidi-fication sur le mandrin.
Avantageusement, le produit creux en cours de solidification est soumis, le long du mandrin interieur, et à proximite de celui-ci, non seulement au voisinage de la surface, mais sur une hauteur correspondant sensiblement a la totalite de la hauteur du moule exterieur, au champ magnétique mobile.
Dans une solution preférentielle de coulée con-tinue rotative, on adopte des sens de rotation tels que la rotation du metal liquide due a la composante horizontale du champ magnetique mobile et le mouvement de rotation du moule extérieur et du mandrin soien-t de sens opposés.
L'ef~et de remontee du mé-tal le long du mandrin est alors le plus marqué malgré la forme générale concave du ménisque due ~ la rotation du moule exterieur et du mandrin.
~9~i~23 La vitesse de rotation du moule exterieur est genéralement comprise entre 30 et 120 tr/min.
Les solutions avantageuses d'exploitation du pro-cédé suivant l'invention dans le cas genéral, sont applica-bles, bien entendu, dans le cas de la coulée continue rota-tive et en constituent les solutions préférentielles de réalisation. On notera bien dans ce procédé que, du fait de la presence du mandrin intérieur etanche, on évite tout contact direct de la surface interieure du produit creux en cours de formation avec l'eau, le refroidissement se faisant par mandrin interposé. Pour parfaire le refroidissement, on peut prevoir, en prolongement du mandrin intérieur, un écran anti rayonnement avec adjonction ou pas d'un adjuvant gazeux de refroidissement permettant d'écouler plus facilement les calories.
~ 'invention a aussi pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procéde précédemment décrit. Ce dis-positif comprend un moule exterieur ~ertical à paroi inte-rieure metallique refroidie par circulation interne de fluide, un mandrin interieur refroidie egalement par circula-tion de fluide, des moyens d'introduction d'un métal liquide à la partie supérieure de l'espace annulaire compris entre le mandrin et le moule, des moyens d'extraction vers le bas d~ corps creux en cours de solidification,et des moyens de creation d'un champ magnétique mobile à l'interieur dudit metal liquide ~ui sont loges a l'interieur du mandrin.
Dans ce dispositif, le champ magnétique mobile peut être creé par des enroulements inducteurs, alimentes en courant polyphasé, fixes par rapport à la paroi exté-rieure du mandrin.
De façon préferentielle, on cree le champ magné-tique mobile au moyen d'un systeme inducteur qu'un moyen d'entrainement fait tourner par rapport à la paroi extérieure du mandrin et qui comporte soit des enroulements alimentés en courant continu, soit des g _ `~
aimants permanents.
Dans le cas de la coulee rotati~e, le dispositi~
objet de l'invention peut comprendre,de plus, des moyens ~'ent~aînement en rotation du moule exterieur ainsi que des moyens d'extraction permettant d'extraire verticalement vers le bas, d'un mouvement helicoldal, le corps creux en cours de solidification. Le mandrin interieur est, de preference, dispose de façon coaxiale par rappor-t au moule.
Selon une solution preferentielle, la rotation du lo rotor est assuree par le ~luide du circuit de refroidisse-ment par l'intermediaire d'une turbine situee à l'interieur du mandrin interieur.
Le mandrin interieur est realise en un materiau amagnetique presentant avantageusement une bonne conducti-vité calori~ique et une conductivité électrique aussi ~aibleque possible. La partie interne du mandrin, c'est-à~dire la partie correspondant au rotor magnetique, s'etend avanta-geusement sur une hauteur sensiblement egale à celle du moule exterieur, le rotor depassant au-dessus du niveau libre du bain métallique.
Une solution preférentielle de création du champ magnétique mobile consiste à monter les aimants permanents, constitués de parallélépipèdes à faces rectangles, à la peripherie d'un rotor constitue d'un noyau metallique magne-tique, selon une helice presentant une aimantation nord-sud homogene, preferentiellement radiale.
Pour accroître l'intensite du champ magnétique, on peut disposer les aimants permanents suivant deux helices decalees enroulees autour du rotor à la façon d'une vis à
deux filets, chaque hélice présentant, dans ce cas, une aimantation homogène radiale, L'une des hélices comporkant un ensemble d'aimants dont les pôles nord son-t les plus proches de l'axe du rotor, et l'autre des aiman-ts, dont les pôles sud sont les plus proches de l'axe du ro-tor.
on peut prevoir aussi plus de deux helices deca-lees. Dans ce cas, on dispose un nombre pair d'helices pre-sentant chaculle une aimantation homogene radiale, le sens de l'aimantation alternant d'une helice a la suivante. De cette facon, on obtient, au mo~en d'aimants permanents, un champ magnetique pol~phase mohile, qui est infiniment plus simple a realiser que par utilisation d'une pluralite d'in-ducteurs polyspires decales dans l'espace e-t qu'il faudrait alimenter par des courants polyphasés.
De cette conception generale du dispositif sui~ant l'invention, il resulte une grande simplicite, tant du point de vue construction que mise en oeuvre et une grande com-pacite.
Ceci permet d'assurer une grande fiabilite et une securite d;exploitation, tout en obtenant un coût d'utilisa-tion favorable.
Les figures et l'exemple ci-après decrivent, de façon non limitative, un mode de realisation du dispositif suivant l'in~ention, applique à la realisation de corps creux de section circulaire par coulée continue rotative.
; La figure 1 represente une vue d'ensemble, en coupe axiale verticale, du dispositif suivant l'invention.
La figure 2 represente la turbine d'entralnement du rotor magnetique en coupe, suivant C-C', comme montre figure 1~
La figure 3 represente un systeme de motorisation en rotation du mandrin de la figure 1, systeme positionne sur la figure 1 entre les plans horizontau~ D-D' et E-E', mais non dessine sur la figure 1.
La figure 4 represente une vue de face et en coupe partielle, du rotor magnetique de la Eigure 1.
Le dispositif suivant l'invention, decrit ici dans le cas d'une coulee continue rotative pour l'obtention de barres creuses en acier, est represente dans son ensemble .....
3li~5~23 en ~igure 1, qui a été ~oupée dans sa partie inferieure pour faciliter la représentation.
Le dispositif permettant la coulée continue rota-tive de corps pleins en acier, de section circulaire, est en soi connu, en particulier par les publications dont les references ont eté donnees plus haut.
La description ci-après portera donc essentielle-ment sur les moyens nouveaux utilises pour la realisation . du procede et du dispositif sulvant l'invention.
La figure 1 represente un dispositif de coulee continue rotative de corps creux suivant l'invention, qui comporte un moule exterieur 1, ou lingotiere, tournant au-tour d'un axe vertical de forme generale tubulaire et de section circulaire, refroidi, un mandrin interieur 2, un systeme d'amenee de metal liqu:lde schematise par la flèche 3 et un système d~extraction helicoidale verticale des pro-duits coules. Ces deux derniers systemes etant les mêmes que ceux utilises pour la coulee continue rotative de barres rondes pleines, sont connus de l'homme de l'art et, donc, non représentes. La lingotiere 1 ou moule exteri.eur, est figuree simplement par sa paroi 4 limitee en 5 et 6. Cette paroi presente en general une legere conicite, avec diminu-tion de section dans la partie inferieure, qui assure le contact avec le metal en cours de solidification. Son système de refroidissement et ses moyens d'entralnement en rotation, connus de l'homme de l'art, n'ont pas ete repre-sentes. La surface libre du metal est en 7 et le corps creux de section circulaire, partiellement solidifie est en 8.
Le mandrin interieur creux 2 est constitué de deux parties: la partie basse, située au niveau du moule 1 est immergee dans le me-tal en cours de solidiEication, qui constitue la partie active du mandrin, et la partie haute, situee au-dessus du moule 1, portant les mecanismes ~5~323 de commande et de support de la partie basse.
Dans sa partie basse, le mandrin comporte un man-chon 9, de forme genera~ement tubulaire, de section circu-laire et de hauteur legèrement superieure a la hauteur de la lingokiere 1.
Le manchon 9 presen-te avan-tageusement une conicite avec retrecissement de la section vers le bas powr permettre le retrait du metal en cours de solidification. Le manchon 9 est realise, de façon generale, en un materiau amagnétique présentant une bonne conductivite calorifique, par exemple, en cuivre ou alliage de cuivre.
Le mandrin 2 est maintenu en posi-tion dans le moule par des moyens de soutien representes figure 2, de façon que le manchon 9 soit par~aitement coaxial avec le moule 1.
Le manchon 9 est assemble, par exemple, par man-chonnage en 10 avec un joint d'étanchéité s-tatique 11 avec un tube support de révolùt~on 12 qui constitue la partie superieure du mandrin et dont l'extremité superieure pénètre dans la tête de mandrin 13. Un double joint à lèvre 14 permet la libre rotation du mandrin par rapport a la tête 13 tout en garantissant l'étanchéité vis-à-vis du fluide sous pression qui circule a l'interieur.
La rotation du manchon 9 est commande par un sys-tème moteur represente figure 3, qui assure à la fois la mécanisation en rotation du mandrin 2 et son maintien gene-ral en position verticale et centrée par rapport au moule 1, l'axe du mandrin étant confondu avec celui du moule 1. Ce dispositif d'entrainement mecanique est decrit plus loin.
La tête 13, fixee sur le dispositif moteur de la figure 3 par une patte de fixation P, porte les conduites d'amenee 15 et de depart 16 du fluide de refroidissement.
- A l'interieur du mandrin creux 2, un tube central 17, de section circulaire et co-axial au manchon 9, supporte, .. :
5~3 dans sa partie basse, un rotor magné-ti.que 18 qui l'entoure, et qui est monté libre en rotation par ~apport au tube 17.
Le tube 17 est fermé de façon étanche à sa partie - inérieure 19; il est solidarisé avec le tube support 12 par l'intermédiaire de plaques radiales 20-21, qui ne font pas obstacle a l'écoulement axial entre 12 et 17 du fluide de refroidissement.
Le manchon 9 et le tube 17 sont solidarisés, de façon etanche, a la partie inferieure par la piece de fond annulaire 22 avec joints sta-tiques d'etancheite toriques 23 et 24. A son extremite superieure, le tube 17 est centre par une piece annulaire 25 par rapport a laquelle il est libre en rotation grâce a un joint a levre 26. La piece 25 ~` ~ est elle-même montée de faSon etanche, grâce a un joint .15 torique statique 27 a l'interieur de la tête du mandrin 13.
Un ecrou 28 visse en 29 sur le tube 17 assure la bloquage de la piece de fond 22.
~ insi, le manchon 9, le support 12, le tube 17 et la pièce de fond ~2 sont parfaitement solidaires et peuven-t tourner a la même vitesse de rotation.
Le rotor magnetique 18 est constitue par un cylin-dre creux libre en rotation sur le tube 17 et porte sur sa surface extérieure des masses magnetiques. Sa structure particuliere sera décrite plus loin. La longueur du rotor est choisie de façon que sa partie superieure depasse nettement le niveau correspondant a la surface libre du metal liquide au voisinage du manchon 9. On s'arrange, dans la construction, pour que l'intervalle entre rotor 18 et manchon 9 soit le plus reduit possible, compte tenu de la necessite de conserver une section de passage suffisante pour le fluide de refroidissement. .
La vitesse du rotor 18 n'est par liee a la vitesse du tube 17 et ledit rotor tourne sur des bagues en materiau approprié, par exemple en matériau a base de resine plus fibre tvpe celeron, 31 et 32 positionnées sur le tube 17.
Le rotor 18, dont la vitesse de rotation doit être élevée 1 000 à 3 000 tr/min., est en-tralné en rotation par le fluide de refroidissement par l'intermédiaire d'une turbine 33 usinée dans la partie inferieure du ro-tor etl donc, solidaire de celui-ci.
La figure 2 donne, en coupe, le profil de la tur-bine. Le fluide de refroidissement, qui se trouve sous une pression convenable à l'intérieur du tube 17, sort de celui-ci par des trous radiaux tels que 3~ répartis en nombreconvenable à la périphérie du -tube 17. Un ensemble d'orifi-ces, tels que 35, de profil convenable, sont répartis à la périphérie du rotor 18 et orientés de fason à provoquer par reaction l'entralnemen-t en rotation du rotor.
Le profil des orifices 35, ainsi que le réglaye de la pression du fluide de refroidissement utilisé~ per-mettent de maîtriser la vitesse de rotation du rotor magné-tique 18 dans la gamme de vitesse voulue. Ainsi, selon ce dispositif, le fluide de refroidissement, en genéral de l'eau, entrant en 15, descendant a l'intérieur du tube 17 et remontant dans l'intervalle 30 pour sortir en 16, assure à la fois le refroidissement du manchon 9, pour permettre l'elimination des calories du bain métallique, et le refroi-dissement du rotor et des masses magnetiques.
Un dessin convenable des pièces permet, avec une pression d' eau de 2 à 3 kg/cm2, dlatteindre une vitesse de 3 000 tr/min. et une température des masses magnétiques inférieure à 100C, les vitesses de circulation adoptées permettant d'éviter la présence d'air dans le circuit de refroidissement.
On choisit, de préférence, comme vitesse de rota-tion du rotor, celle qui permet d'obtenir une vitesse de déplacement ascendant du métal liquide suffisamment élevée.
Le rapport entre la vitesse de deplacement ascendant du 3L:195~323 metal liquide et la vitesse de rotation du rotor es-t fonc-tion de cette vitesse de rota-tion. ~u-dela d'une vitesse de rotation critique, la vitesse de deplacement ascendant du metal liquide ne s'eccroît plus, et, au contraire, se me-t a diminuer rapidement. Cette vitesse critique de rotation depend en particulier de la nature du materiau qui constitue la paroi du manchon 9 e-t de l'epaisseur de celle-ci.
Dans le cas d'un manchon en cuivre, cette vitesse critique de ro-tation du rotor N ~ exprimee en tr/min. est determinee approximativement par la formule:
N = 300 e ae etant l'epaisseur de la paroi du manchon 9 exprimee en millimetres.
La vitesse de rotation du mandrin 2, qui est de preference synchronisee avec le mouvement de rotation du moule 1, est assuree par le mécanisme de la figure 3. Cet ensemble vient se placer entre les plans D-D' et E-E' de la figure 1. Ce mecanisme est essentiellement constitue d'une couronne dentee 36 frettee sur la piece 12 mûe par un arbre moteur 37, a l'extremité duquel on trouve un pignon conique 38.
La couronne est supportee dans sa rotation par deux boltes a rouleaux coniques 39 et ~0, qui permettent de maintenir en position verticale fixe et centree le man-drin 2. L'arbre 37 tourne egalement dans une bolte à deux rouleaux coniques 41 et 42, un carter etanche et refroidi 43-44 venant fermer le tout.
Des joints 4S-46 assurent l'etancheite lors de la rotation du mandrin.
La tête du mandrin 13 est fixee sur le boî-tier porte-arbre moteur par les pattes P et 47 et les boulons 48.
S~
Le mandrin 2 est positionné sur le moule 1 par un système non figuré, de pattes amarrées d'une part, sur le plancher de travail qui peut se trouver à hauteur du moule 1 et, d'autre part, sur le carter 43-44 ou sur la tete 13 du mandrin. Ainsi, on assure un maintien en position verti-cale bien définie du mandrin.
La structure du rotor magnétique 18, créant le champ mobile, est représentee en élévation, figure ~, la partie haute de la figure étant en coupe.
Ce rotor est constitué d'un cylindre creux 49 en acier de construction, dont les extrémités sont pro~ilées pour permettre le logement des bagues de friction 31-32 permettant de centrer en rotation avec un minirnum de ~rotte-ment ledit rotor.
Les masses maynétiques sont constituées par des aimants permanents tels que 50 positionnés dans des loge-ments tels que 51~ realises côte a côte en helice, a la sur-face du cylindre. Ces aimants sont fixés dans leur logement, par exemple par collage. On adoptera avantageusement des aimants de forme parallélépipédique a face rectangle, dont les grands côtés sont orientés parallelement aux generatri-ces, l'axe Nord-Sud, perpendiculaire aux grandes faces, correspondant a la plus faible distance entre faces du parallélepipade, et etant radial, c'est-a-dire perpendicu-laire a l'axe du rotor.
Dans le mode de realisation représente figure 4,les helices sont au nombre de deux, coaxiales 52 et 53, disposées autour du rotor à la façon d'un filetage à double filet présentant un pas a droi-te, chaque helice etant orien-tée magnétiquement de fason homogène, c'est-a-dire que les pôles les plus proches dé l'axe du rotor de l'ensemble des aimants d'une même hélice sont de même nom. Par contre, l'orientation magnétique des deux hélices es-t opposée.
Ainsi, dans le cas de la figure 4, les pôles de l'helice 52 ., ~19513~3 les plus proches de l'a~e du rotor, son-t sud, tandis que ceux de l'hélice 53 les plus proches de l'axe ~u rotor, sont nord.
Tout almant permanent suffisamment stable peut etre utilisé.
Le sens d'enroulemen-t de ]'héllce ou des helices sur le rotor doi-t etre le meme ~ue le sens de ro-tation du rotor autour de son a~e Vll de dessus. Ainsi, si le rotor vu ~de dessus tourne dans le sens cles aiguilles d'une montre, l'hélice ou les hélices doivent avoir un pas à droite. Cette structure de rotor crée par ro-tation, un champ glissant dont la direction de deplacement est en chaque point perpendicu laire aux file-ts de l'helice et contenu dans le plan tangent a la surface du cylindre. La direction de déplacement de ce champ glissant presente donc, d'une part, une composante verticale qui entralne le métal liquide de bas en haut, et une composante horizontale du champ magnétique qui tend a entralner le metal liquide en rotation.
Le pas de l'helice ou des hélices, c'est-a-dire la distance entre deux spires d'une meme hélice le long d'une génératrice, sera choisi de façon a ce que la composante horizontale du champ magnétique reste faible, tout en ne rapprochant pas trop les masses magnetiques sur une meme géneratrice du rotor, de fason a avoir des lignes de champ penetrant en profondeur dans le métal liquide. La distance sur une même generatrice, entre les extrémités les plus pro-ches d'un aimant nord et d'un aimant sud, ne sera pas, de préférence, prise inférieure a la grande longueur du paral-lélépipede de base.
On peut perfectionner le dispositif en prevoyant de placer, comme le montre la Eigure 1, sous le mandrin rotatif, un écran 54, dont la fonction es-t de réduire le - rayonnement de la surface interne de la barre creuse, une fois sortie du mandrin. Un tel écran, constitué par un ~ 18 -~195~
cylindre creux de métal à fond plein, peut être fixé par vissage en 55 sur un prolongemen-t du tube central 17.
On peut egalement, qu'il y ait ou non un ecran 54 prevoir avantageusement un dispositif de refroidissement secondaire par gaz protecteur neutre. La distribution d'un tel gaz protecteur, comme le montre la figure 1, est assuree par un tube 56 filete en 57 et visse dans un trou axial 5~
perce dans le fond 19 du tube 17. Des canaux radiaux tels que 59 mettent en communication le trou 58 avec l'exterieur.
Le,gaæ, qui sort par ces trous, vient frapper la paroi in-te-rieure en cours de solidificat;.on du corps creux et accelère donc cette solidification.
Ce gaz protecteur es-t amene sur la tete 13 en 60.
De cette fa~on, l'eau de refroidissemen-t ne peut s'echapper du mandrin 2 et il n'y a pas risque de penetration intempes-tive de l'eau dans la cavite intérieure des barres en cours de solidification. A l'extrémite superieure du tube 56, un joint 61 empêche la penetration de l'eau de refroidissement du tube 17.
On peut prevoir avan-tageusement un disposi-tif de lubrification par huile vegétale, type huile de colza, dans l'interface manchon 9 - peau de metal en cours de solidifi-cation, par exemple, par un distributeur goutte a goutte.
Le dispositif, qui vient d'être decrit, a l'avan-tage d'être particulierement simple et compact et de ne nécessiter de source d'energie électrique, ni pour creer le champ magnetique, ni pour met-tre en rotation le rotor magne~
tique. Cette conception est particulierement interessan-te du fait de l'environnement qui regne au niveau du moule:
temperature elevee, place disponible -tres reduite, danger des infiltratlons d'eau sur du métal liquide.
Par ailleurs, un autre avantage du dispositif decrit est sa simplicite de mise en oeuvre. En effet, à un meme tube support 12, on peut adapter des dimensions de -- lg --- manchons 9 différentes dont le diamètre de travail, c'est-a-dire le diamè-tre de la partie immergée dans lè métal en cours de solidification, correspond aux différents dlametres intérieurs des corps creux à fabriquer. Pour celà, le man-chon 9, au lieu d'avoir la forme d'un cylindre ~e revolu-tion de section constante, comme sur la figure 1, aura, sur toute sa partie qui se trouve en contact avec le métal coulé, : une forme de révolution correspondant à la section intérieure de la barre creuse à fabriquer et, dans sa zone supérieure, une section correspondant au manchonnage 10 du tube support 12, les deux parties dudit manchon 9 se raccordant, dans ce cas, par un épaulement.
On adaptera, bien entendu, le diamètre du rotor 18 au diametre intérieur du manchon 9. Un même rotor peut être utilisé pour plusieurs dimensions de manchons 9, donc de barres creuses.
. Le démontage de l'ensemble slopère tres facilement par dévissage de l'écrou 28, dégagement de la piece du fond 22 et dégagement du manchon 9, le rotor 18 venant alors de lui-même et lè tube 17 restant solidaire du tube support 12.
On décrira maintenant le fonctionnement du procede mis en oeuvre au moyen du dispositif ci-dessus.
Le métal liquide est amene de façon continue par 3 dans le moule 1, qui est animé d'un mouvement de rotation à vitesse constante. Le mandrin interieur 2 est, lui aussi, a~ime d'un mouvement de rotation a vitesse constante sensi-blement égale à celle du moule l et de même sens. Cette -rotation du mandrin est assuree, soit par le mecanisme decrit figure 3, soit simplement par le frot-tement du metal en cours de solidification sur le mandrin interieur, le - mecanisme decrit figure 3 ne servant plus dans ce cas qu'a maintenir en position verticale et centree le mandrin tour-nant. Du fait de la rotation continue du moule l et du mandrin 2, on evite toute surchauffe localisee du moule et ~:~9S13,~3 du mandrin, en particulier, par rayonnemen-t à l'endroit o~
le metal liquide est introduit par 3 dans le moule. De ce fait, le procede a une grande symetrie, tant thermique que geometrique.
Au contact de la paroi ~ refroidie du moule 1 et du manchon 9 egalemen-t refroidi, une croute solide 8 se - forme et la solidification proyresse au fur et ~ mesure de l'extraction de la barre creuse du moule par le bas.
: La surface libre du ~netal 7, qui peut eventuelle-ment être protegee par un courant de gaz protecteur amene a l'etat gazeux ou liquide, prend alors, du fait de la rota-tion du moule, la forme generale concave, comme on le voit figure 1, les bords exterieurs se xelevant en 62. De ce fait, les inclusions, crasses ou toutes particules non -15 metalliques surnageant a la surface d~l metal, ont tendance a s'ecarter de la peripherie. Il en résulte une surface exterieure particulierement soignee ne nécessitant pas de preparation de surface avant transformation ulterieure.
Ceci est bien connu et expose, entre autre, dans l'article de la Revue de Metallurgie-CIT, déja cite.
Du côte du mandrin central, la composante verti-cale du champ magnetique mobile crée par le rotor tournan-t 18 a pour effet de modifier totalement les conditions nor-males de solidification au voisinage de la surface exterieure du manchon 9. En effet, le courant ascendant de metal li-quide, qui se produit le long de ce manchon entralne toutes l~s crasses et inclusions eventuellement presentes, de façon rapide jusqu'à la surface libre du metal et, de plus, ce courant, qui est ensuite devie radialement vers la periphe-rie, provoque la remontee du niveau du metal liquide auvoisinage du mandrin 2 ainsi que la formation d'un relief annulaire 63 qui, par sa forme, empêche les crasses surna-geant sur la surface libre du bain metallique 7 de venir se deposer sur la surface interieure du corps creux en cours - 21 ~
3S~3 de solidification. Cet effet mecanique de barraye vient s'a~outer a l'effet d'entralnement par le courant de surface qui maintient eloi~nees du mandrin, les crasses se trouvant sur le bain.
Afin d'ob-tenir en 63 un relief d'ampli-tude maxi-male, on fait en sorte que la rotation du métal, due à la composante horizontale du champ magnétique mobile soit con~
trecarrée par le mouvement général de sens opposé de la barre creuse en cours de solidlfication. Il faut donc que le sens de ro-tation de la barre creuse 8 et, par conse~uent, celui de la paroi du moule l qui l'entralne, et aussi celui du mandrin 2 soient opposes au sens de ro-tation du rotor 18.
Le jet de distribution de métal liquide est orien-te de façon telle qu'il conserve aux courants ascendants et de convection, au voisinage du mandrin, leur efficacite maximale.
Pour celà, on oriente preféren-tiellement le jet 3 de façon a ce que le mouvement du métal versé dans le moule ait une com-posante radiale centrifuge, la composante tangen-tielle, qui tend a faire tourner le bain, etant dirigee dans le sens de rotation du moule l. Par ailleurs, le brassage opere sur le metal liquide en cours de solidification, au voisinage du mandrin, a pour effet d'affiner la structure de la peau inte-rieure du corps creux obtenu.
Il en resulte une très belle peau interieure du corps creux, qui ne necessite pas de traitement de surface prolonge pour continuer le cycle de fabrication.
Le procede de coulee continue rotative de corps creux s'applique particulierement bien au cas de l'acier.
On peut, par exemple, fabriquer des barres en acier ayant un diamètre extérieur de 350 a 400 mm et un diame-tre inte-rieur de 115 à 200 mm.
Pour un diamètre exterieur de ~00 mm et un dia-mètre interieur de 200 mm les paramètres de marche sont les suivants:
~IL19S~23 - Hauteur du moule : 430 mm - Hauteur du rotor magnétique : 350 mrn - Vitesse de rotation du moule : 40 tr/min.
- Vitesse de rotation du mandrin : 40 tr/min.
(dans le même sens que le moule) - Vitesse de rotation du rotor o 3000 tr/min.
(dans le sens opposé au sens de rotation du moule) - Mandrin en cuivre, épaisseur : 10 mm - Pression d'eau de refroidissement : 2,5 bars.
Bien que l'exemple qui vient d'être donné concerne l'application du procéde suivant l'invention, à la coulee continue rotative, c'est-à-dire au cas où le corps creux coule est entralne en rota~ion ainsi que le moule, le pro-cede suivant l'invention s'applique également de la façon la plus gënérale aux procédes dans lesquels le moule est fixe.
Il peut, en particulier, s'appliquer aux procedes dans les-quels des dispositifs inducteurs repartis au voisinage de la paroi du moule, qui est en contac-t avec le metal en cours de solidification, creent des champs magnetiqu~s mobiles qui agissent sur le metal liquide.
Claims (50)
1. Procédé de fabrication de corps creux métalli-ques par coulée continue verticale, dans lequel on introduit, de façon continue, un métal liquide dans un espace annulaire compris entre un moule métallique extérieur refroidi par circulation de fluide et un mandrin intérieur refroidi égale-ment par circulation de fluide, ce métal se solidifiant pro-gressivement au contact des parois du moule et du mandrin avec formation d'un corps creux qui est extrait au-dessous du moule, caractérisé en ce que, dans une zone annulaire voisine de la surface extérieure du mandrin, on soumet le métal liquide à l'action d'un champ magnétique mobile qui crée à l'intérieur de ce métal des forces, présentant une composante verticale dirigée de bas en haut, qui entraînent ce métal vers la surface du bain.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé
en ce que l'entraînement du métal liquide vers la surface du bain provoque la formation à la surface du bain métallique liquide, au voisinage du mandrin intérieur, d'une zone annu-laire en relief convexe, dont l'effet barrière s'ajoute à
celui du déplacement radial du métal liquide en direction de la paroi du moule, pour empêcher les particules non métalli-ques qui surnagent à la surface du métal, de venir se déposer sur la surface intérieure du corps creux en cours de solidi-fication.
en ce que l'entraînement du métal liquide vers la surface du bain provoque la formation à la surface du bain métallique liquide, au voisinage du mandrin intérieur, d'une zone annu-laire en relief convexe, dont l'effet barrière s'ajoute à
celui du déplacement radial du métal liquide en direction de la paroi du moule, pour empêcher les particules non métalli-ques qui surnagent à la surface du métal, de venir se déposer sur la surface intérieure du corps creux en cours de solidi-fication.
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé
en ce que le moule extérieur et le mandrin intérieur sont en-traînés en rotation dans le même sens, à vitesse sensiblement égale.
en ce que le moule extérieur et le mandrin intérieur sont en-traînés en rotation dans le même sens, à vitesse sensiblement égale.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé
en ce que la vitesse de rotation du moule et du mandrin est de 30 à 120 tr/min.
en ce que la vitesse de rotation du moule et du mandrin est de 30 à 120 tr/min.
5. Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que le champ magnétique mobile a sa source à l'intérieur du mandrin.
6. Procédé suivant la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que le champ magnétique mobile est créé
par un système d'enroulements inducteurs alimentés en cou-rant polyphasé.
par un système d'enroulements inducteurs alimentés en cou-rant polyphasé.
7. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce que le champ magnétique mobile est créé par un système inducteur tournant par rapport à la paroi extérieure du mandrin et comportant des enroulements alimentés en cou-rant continu ou des aimants permanents.
8. Procédé suivant la revendication 7, caracté-risé en ce que, lorsque le moule extérieur et le mandrin sont entraînés en rotation, leur sens commun de rotation est inverse de celui du système inducteur tournant.
9. Procédé suivant la revendication 1, pour la coulée continue des aciers ordinaires ou alliés, des aciers inoxy-dables et réfractaires et des alliages réfractaires à base de Ni et/ou Co.
10. Procédé suivant la revendication 2, caracté-risé en ce que le métal liquide est introduit de façon con-tinue et contrôlée par un jet provenant d'une busette de coulée qui permet de régler le débit et l'impact du jet, tant en angle qu'en position.
11. Procédé suivant la revendication 10, caracté-risé en ce que la surface libre du bain métallique est en contact avec l'atmosphère.
12. Procédé suivant la revendication 10, carac-térisé en ce que la surface libre du bain métallique est protégée par un gaz neutre protecteur.
13. Procédé suivant la revendication 12, caracté-risé en ce que ledit gaz neutre est introduit à l'état liquide.
14. Procédé suivant la revendication 12, caracté-risé en ce que ledit gaz neutre est introduit à l'état ga-zeux.
15. Procédé suivant la revendication 10, caracté-risé en ce que la surface libre du bain métallique est pro-tégée par un laitier.
16. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce que le champ magnétique mobile est créé par des aimants permanents disposés convenablement sur un rotor de révolution, contenu dans le mandrin intérieur, qui est animé
d'un mouvement de rotation autour de son axe.
d'un mouvement de rotation autour de son axe.
17. Procédé suivant la revendication 16, caracté-risé en ce que ledit rotor, portant les aimants permanents, est entraîné en rotation par le fluide de refroidissement du mandrin intérieur par l'intermédiaire d'une turbine.
18. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce qu'on privilégie la composante verticale du champ magnétique mobile par rapport à la composante horizon-tale qui tend à entraîner le métal liquide en rotation autour du mandrin.
19. Procédé suivant la revendication 18, caracté-risé en ce qu'on oriente le jet de métal liquide qui pénètre dans le moule de façon que le sens de déplacement de ce métal présente une composante tangentielle de ce sens opposé
au sens de rotation dû à un champ magnétique.
au sens de rotation dû à un champ magnétique.
20. Procédé suivant la revendication 19, caracté-risé en ce que la vitesse de rotation pour le rotor est telle que le champ glissant obtenu a une fréquence qui pro-cure un effet d'ascension du métal le long du mandrin notable, le champ étant alors absorbé, en majeure partie, par l'écran métallique que constitue le mandrin.
21. Procédé suivant la revendication 20, caracté-risé en ce que des vitesses de rotation de 1 000 à 3 000 tr/min. correspondant à des fréquences de 17 à 50 Hz, sont adoptées.
22. Procédé suivant la revendication 21, caracté-risé en ce qu'on procédé de façon continue, lors de la coulée, à une lubrification de la paroi externe du mandrin intérieur, en contact avec le métal, par une huile végétale.
23. Procédé suivant la revendication 22, caracté-risé en ce qu'on confère au mandrin intérieur une conicité
pour permettre un bon démoulage des produits.
pour permettre un bon démoulage des produits.
24. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce qu'on introduit le métal liquide dans un espace annulaire compris entre un moule extérieur à axe vertical, de section circulaire, refroidi, tournant à une vitesse angulaire uniforme autour de cet axe et un mandrin intérieur également vertical, dont l'axe est confondu avec l'axe du moule extérieur, ledit mandrin étant refroidi par circula-tion interne de fluide et tournant sur lui-même autour de son axe, dans le même sens que le moule extérieur, l'ébauche creuse formée étant extraite verticalement par un mouvement hélicoïdal vers le bas, par des moyens d'extraction.
25. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce que la vitesse angulaire du mandrin intérieur est sensiblement égale à celle du moule extérieur.
26. Procédé suivant la revendication 25, caracté-risé en ce que lesdites forces impriment au métal liquide un mouvement qui pesente ladite composante verticale, compo-sante qui est parallèle à l'axe du mandrin.
27. Procédé suivant la revendication 26, caracté-risé en ce que ledit mouvement est commandé par un dispositif mécanique.
28. Procédé suivant la revendication 26, caracté-risé en ce que ledit mouvement est le résultat de l'entraî-nement par frottement du corps creux en cours de solidifica-tion sur le mandrin.
29. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce que le corps creux en cours de solidification est soumis le long du mandrin intérieur, et à proximité de celui-ci, sur une hauteur correspondant sensiblement à la totalité
de la hauteur du moule extérieur, au champ magnétique mobile.
de la hauteur du moule extérieur, au champ magnétique mobile.
30. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce qu'en coulée continue rotative, on adopte des sens de rotation tels que la rotation du métal liquide dûe à la composante horizontale du champ magnétique mobile et le mouvement de rotation du moule extérieur et du mandrin soient de sens opposés.
31. Procédé suivant la revendication 30, caracté-risé en ce que la vitesse de rotation du moule extérieur est comprise entre 30 et 120 tr/min.
32. Procédé suivant la revendication 1, caracté-risé en ce qu'on prévoit, en prolongement du mandrin inté-rieur, un écran anti-rayonnement.
33. Procédé suivant la revendication 32, caracté-risé en ce qu'on adjoint audit écran anti-rayonnement un adjuvent gazeux de refroidissement permettant d'écouler plus facilement les calories.
34. Dispositif pour la fabrication de corps creux métalliques par coulée continue verticale qui comprend un moule extérieur vertical à paroi intérieure métallique re-froidie par circulation interne de fluide, un mandrin inté-rieur refroidie également par circulation de fluide, des moyens d'introduction d'un métal liquide à la partie supé-rieure de l'espace annulaire compris entre le mandrin et le moule, des moyens d'extraction vers le bas du corps creux en cours de solidification, et des moyens de création d'un champ magnétique mobile à l'intérieur dudit métal liquide qui sont logés à l'intérieur du mandrin.
35. Dispositif suivant la revendication 34, carac-térisé en ce que des moyens d'entraînement en rotation agis-sent sur le moule et/ou sur le corps creux extrait du moule et/ou sur le mandrin.
36. Dispositif suivant la revendication 34 ou 35, caractérisé en ce que le mandrin intérieur est disposé de façon coaxiale par rapport au moule.
37. Dispositif suivant la revendication 34 ou 35, caractérisé en ce que le champ magnétique mobile est créé
par des enroulements inducteurs fixes alimentés en courant alternatif par rapport à la paroi extérieure du mandrin.
par des enroulements inducteurs fixes alimentés en courant alternatif par rapport à la paroi extérieure du mandrin.
38. Dispositif suivant la revendication 34, carac-térisé en ce que le champ magnétique mobile est créé par un système inducteur qu'un moyen d'entrainement fait tourner par rapport à la paroi extérieure du mandrin et qui comporte des enroulements alimentés en courant continu ou des aimants permanents.
39. Dispositif suivant la revendication 38, carac-térisé en ce que le système inducteur tournant est constitué
par un rotor qui tourne à l'intérieur du mandrin et sur lequel des aimants permanents sont disposés autour de l'axe du rotor suivant au moins une hélice.
par un rotor qui tourne à l'intérieur du mandrin et sur lequel des aimants permanents sont disposés autour de l'axe du rotor suivant au moins une hélice.
40. Dispositif suivant la revendication 39, carac-térisé en ce que les aimants permanents présentent un axe nord-sud orienté radialement et en ce que les pôles les plus proches de l'axe de l'ensemble des aimants d'une même hélice sont de même nom.
41. Dispositif suivant la revendication 39, carac-térisé en ce que les aimants permanents sont disposés suivant un nombre pair d'hélices coaxiales enroulées à la façon d'un filetage à plusieurs filets autour du rotor, les noms des pôles les plus proches de l'axe changeant de nom en passant d'une hélice à l'hélice à filets adjacents.
42. Dispositif suivant la revendication 38, 40 ou 41, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement en rotation du système inducteur est une turbine, solidaire de ce système inducteur, qui est traversée par le fluide de refroidissement du mandrin, qui l'entraîne.
43. Dispositif suivant la revendication 38, 40 ou 41, caractérisé en ce que le sens de rotation du système inducteur tournant, tel qu'il est vu au-dessus de l'axe, est le même que le sens du pas de l'hélice.
44. Dispositif suivant la revendication 34, carac-térisé en ce que le mandrin intérieur est réalisé en un maté-riau amagnétique présentant une bonne conductivité calorifique et une conductivité électrique faible.
45. Dispositif suivant la revendication 44, carac-térisé en ce que la partie interne du mandrin, correspondant au rotor magnétique, s'étend sur une hauteur sensiblement égale à celle du moule extérieur, le rotor dépassant au-dessus du niveau libre du bain métallique.
46. Dispositif suivant la revendication 34, carac-térisé en ce que des aimants permanents, constitués de parallélépipèdes à faces restangles sont montés, à la péri-phérie d'un rotor constitué d'un noyau métallique magnétique, selon une hélice présentant une aimantation nord-sud homo-gène.
47. Dispositif suivant la revendication 46, carac-térisé en ce que ladite aimantation est radiale.
48. Dispositif suivant la revendication 47, carac-térisé en ce que lesdits aimants permanents sont disposés suivant deux hélices décalées enroulées autour du rotor à la façon d'une vis à deux filets, chaque hélice présentant, dans ce cas, une aimantation homogène radiale, l'une des hélices comportant un ensemble d'aimants dont les pôles nord sont les plus proches de l'axe du rotor, et l'autre des aimants, dont les pôles sud sont les plus proches de l'axe du rotor.
49. Dispositif suivant la revendication 48, carac-térisé en ce qu'il y a plus de deux hélices décalées, à
savoir un nombre pair d'hélices présentant chacune une aiman-tation homogène radiale, le sens de l'aimantation alternant d'une hélice à la suivante.
savoir un nombre pair d'hélices présentant chacune une aiman-tation homogène radiale, le sens de l'aimantation alternant d'une hélice à la suivante.
50. Dispositif suivant la revendication 38, 39 ou 49, caractérisé en ce que le moyen d'entraînement fait tourner l'inducteur à une vitesse comprise entre 1000 et 3000 tours par minute.
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