EP0271417A2 - Method and apparatus for casting aluminium and its alloys, particularly those containing lithium, in a pit without the risk of explosion - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de coulée dans une fosse, sans risque d'explosion, de l'aluminium et de ses alliages, notamment avec le lithium.The invention relates to a method and a device for casting aluminum and its alloys, without risk of explosion, into a pit, in particular with lithium.
L'homme de l'art de la fonderie connaît bien le procédé de coulée verticale semi-continue dans lequel du métal fondu est versé dans une lingotière à fond mobile refroidie où il se solidifie partiellement, puis est tiré en continu vers le bas sous la forme de plaques ou de billettes sur lesquelles on projette de l'eau pour en accélérer le refroidissement. Les dispositifs de coulée utilisés pour appliquer ce procédé sont généralement placés à même le sol au-dessus de fosses plus ou moins profondes destinées à recevoir à la fois le produit coulé, l'eau de refroidissement qui est évacuée vers un égout et éventuellement les coulures de métal qui peuvent résulter d'une rupture accidentelle de la peau des produits coulés.Those skilled in the foundry art are well aware of the semi-continuous vertical casting process in which molten metal is poured into an ingot mold with a cooled moving bottom where it partially solidifies, then is continuously drawn down below the form of plates or billets on which water is sprayed to accelerate cooling. The pouring devices used to apply this process are generally placed on the ground above more or less deep pits intended to receive both the poured product, the cooling water which is evacuated to a sewer and possibly the drains. of metal which may result from accidental breakage of the skin of the cast products.
L'homme de l'art sait aussi que l'aluminium liquide peut, dans certaines conditions, réagir violemment avec l'eau en provoquant de fortes explosions, dangereuses pour le personnel et le matériel se trouvant dans le voisinage.Those skilled in the art also know that liquid aluminum can, under certain conditions, react violently with water causing large explosions, dangerous for personnel and equipment in the vicinity.
Or, ces conditions peuvent être réalisées lors de la mise en oeuvre du procédé de coulée verticale, notamment lorsque des coulures de métal tombent dans l'eau stagnant au fond de la fosse.However, these conditions can be achieved during the implementation of the vertical casting process, in particular when metal streaks fall into stagnant water at the bottom of the pit.
C'est pourquoi des études ont été enterprises il y a quelques décennies visant à trouver les moyens d'empêcher de telles explosions. C'est ainsi que dans un article paru dans la revue Metal Progress de mai 1957 et intitulé : "Explosions of molten aluminium in water-cause and prevention", G. LANG préconise de peindre ou de graisser le fond de la fosse et, si possible, d'y retenir une hauteur d'eau relativement importante. C'est à partir de ces conclusions que dans la plupart des fonderies d'aluminium ont été établies des règles qu'on peut résumer comme suit:
- une hauteur d'eau d'au moins un mètre doit être maintenue dans la fosse,
- le niveau de l'eau à l'intérieur de la fosse doit être situé à au moins 3,30 m en-dessous de la lingotière,
- toute l'installation de coulée et les parois de la fosse doivent être propres, débarrassées de la rouille et revêtues d'un matériau organique convenable.That is why studies were undertaken a few decades ago to find ways to prevent such explosions. Thus in an article published in the Metal Progress review of May 1957 and entitled: "Explosions of molten aluminum in water-cause and prevention", G. LANG recommends painting or greasing the bottom of the pit and, if possible, to retain a relatively large water level. It is from these conclusions that in most aluminum smelters rules have been established which can be summarized as follows:
- a water height of at least one meter must be maintained in the pit,
- the water level inside the pit must be located at least 3.30 m below the mold,
- the entire casting installation and the walls of the pit must be clean, free of rust and coated with a suitable organic material.
L'application de ces règles a certes permis de réduire à un niveau très faible les risques d'explosion dans les fonderies, du moins en ce qui concerne la coulée des alliages classiques.The application of these rules has certainly made it possible to reduce the risk of explosion in foundries to a very low level, at least as far as the casting of conventional alloys is concerned.
Mais, depuis quelques années un intérêt s'est manifesté, notamment dans l'industrie aéronautique, pour les alliages aluminium-lithium et les fondeurs se sont trouvés confrontés à nouveau au problème des risques d'explosion.However, in recent years there has been an interest, especially in the aeronautical industry, for aluminum-lithium alloys and founders have again faced the problem of explosion risks.
En effet, comme G. LANG l'avait déjà signalé dans l'article ci-dessus en se référant à H.M. HIGGINS, lorsque l'aluminium-lithium fondu est dispersé dans l'eau de n'importe quelle façon, il peut se produire une violente explosion à la différence de l'aluminium.Indeed, as G. LANG had already pointed out in the article above with reference to HM HIGGINS, when molten aluminum-lithium is dispersed in water in any way, it can occur a violent explosion unlike aluminum.
Il n'était donc plus question de s'en tenir aux règles établies ci-dessus pour couler ce nouveau type d'alliage.There was therefore no longer any question of sticking to the rules established above for casting this new type of alloy.
Mais, des solutions sont apparues rapidement.
C'est ainsi que dans le brevet européen 142.341, on remplace l'eau de refroidissement par un fluide organique et plus particulièrement par l'éthylène-glycol. Certes, il s'agit d'une solution offrant des conditions de sécurité améliorées puisque l'eau, cause essentielle des explosions, est exclue du procédé. Toutefois, on peut lui reprocher le fait qu'elle est relativement chère car elle nécessite un recyclage du fluide et que, par ailleurs, les fluides organiques offrent moins de possibilités que l'eau en matière de coefficient de transfert et de tenue à la température.However, solutions appeared quickly.
Thus, in European patent 142,341, the cooling water is replaced by an organic fluid and more particularly by ethylene glycol. Admittedly, this is a solution offering improved safety conditions since water, the main cause of explosions, is excluded from the process. However, it can be criticized for the fact that it is relatively expensive because it requires recycling of the fluid and that, moreover, organic fluids offer fewer possibilities than water in terms of transfer coefficient and temperature resistance. .
Une autre solution a été donnée dans le brevet européen 150.922 et qui consiste suivant la revendication principale à démarrer le coulée avec une fosse vide et à évacuer l'eau de refroidissement de la fosse en continu et à une vitesse suffisante pour qu'il ne se produise aucune flaque dans la fosse.
Cette solution a l'inconvénient de nécessiter une installation de pompage avec ses défaillances possibles en cas de chute dans la fosse d'une quantité de métal liquide.Another solution has been given in European patent 150.922 and which consists, according to the main claim, in starting the casting with an empty pit and in discharging the cooling water from the pit continuously and at a sufficient speed so that it does not become produce no puddle in the pit.
This solution has the disadvantage of requiring a pumping installation with its possible failures in the event of a fall in the pit of a quantity of liquid metal.
C'est pourquoi, la demanderesse, ne voulant ni renoncer à l'intérêt présenté par l'eau comme liquide réfrigérant ni recourir à l'utilisation de pompes, a mis au point un nouveau procédé offrant toute garantie contre les risques d'explosion lors de la coulée, sous forme de plaques notamment, d'alliages contenant des éléments extrèmement oxydables particulièrement le lithium.This is why, the plaintiff, not wanting to give up the interest presented by water as coolant or resort to the use of pumps, has developed a new process offering all guarantees against the risks of explosion during casting, in particular in the form of plates, of alloys containing extremely oxidizable elements, particularly lithium.
Ce procédé est basé sur l'utilisation d'écrans tels que ceux décrits dans le brevet US 3 653 425 et qui ont pour but, dans le cas de plaques ou de billettes fortement alliées, d'enlever le liquide refrigérant des surfaces solidifiées du métal peu après qu'il a été projeté sur le produit sortant de la lingotière afin de permettre au métal qui est à température élevée au centre du produit de réchauffer le métal plus froid qui est à la surface et de supprimer les tensions en évitant ainsi ou en minimisant la formation de criques.This process is based on the use of screens such as those described in US Pat. No. 3,653,425 and which, in the case of highly alloyed plates or billets, remove the coolant from the solidified surfaces of the metal shortly after it has been sprayed onto the product leaving the ingot mold in order to allow the metal which is at a high temperature in the center of the product to heat the colder metal which is on the surface and to remove the tensions thereby avoiding or minimizing the formation of cracks.
Mais alors que dans ce brevet, l'eau et éventuellement les écoulements de métal sont arrêtés par les écrans et tombent par gravité dans la fosse, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste, au niveau de l'écran et sur toute sa périphérie, à collecter à la fois l'eau sous forme d'un film et tout épanchement éventuel de métal liquide, à les faire s'écouler par gravité le long d'un plan incliné, à séparer le métal de l'eau de façon fractionnée et à récupérer l'eau en-dehors de la fosse.But while in this patent, the water and possibly the metal flows are stopped by the screens and fall by gravity into the pit, the method according to the invention is characterized in that it consists, at the screen and over its entire periphery, to collect both water in the form of a film and any possible effusion of liquid metal, to make them flow by gravity along an inclined plane, to separate the metal from the water in a fractional manner and to recover the water outside the pit.
Le fait de collecter l'eau au niveau de l'écran et sur toute sa périphérie et de la récupérer en-dehors de la fosse empêche donc tout écoulement d'eau vers la fond de cette dernière. On peut ainsi travailler pratiquement avec une fosse sèche et éviter tout risque d'explosion, sans avoir à recourir à des pompes pendant le déroulement de la coulée.The fact of collecting the water at the level of the screen and on its entire periphery and recovering it outside the pit therefore prevents any flow of water towards the bottom of the latter. One can thus work practically with a dry pit and avoid any risk of explosion, without having to resort to pumps during the course of the casting.
En plaçant l'écran à une distance sous la lingotière correspondant à la profondeur maximale du marais liquide, on est certain que l'épanchement de métal liquide ne peut se produire qu'au-dessus de l'écran. De plus, pour éviter au moment du démarrage qu'un épanchement de métal liquide n'intervienne en-dessous de l'écran, un dispositif d'extraction fiable du produit au démarrage peut avantageusement être ajouté.By placing the screen at a distance under the mold corresponding to the maximum depth of the liquid swamp, it is certain that the effusion of liquid metal can only occur above the screen. In addition, in order to prevent an effusion of liquid metal from occurring below the screen at the start, a device for reliable extraction of the product at start-up can advantageously be added.
La collecte simultanée d'eau et de métal liquide pourrait laisser penser que l'on a déplacé le risque d'explosion de la fosse vers le collecteur mais, il n'en est rien, car on a constaté qu'en collectant l'eau sous forme d'une nappe de faible épaisseur s'écoulant par gravité à une vitesse convenable et en séparant le métal progressivement par fractions, il ne se produisait aucune réaction violente susceptible de causer des dommages corporels et/ou matériels : en effet, on évite ainsi la dispersion fine du métal dans l'eau, génératrice d'explosions.The simultaneous collection of water and liquid metal could suggest that the risk of explosion has been moved from the pit to the collector, but this is not the case, since it has been found that by collecting water in the form of a thin sheet flowing by gravity at a suitable speed and separating the metal gradually by fractions, there did not occur any violent reaction capable of causing bodily and / or material damage: in fact, we avoid thus the fine dispersion of the metal in water, generating explosions.
Les résultats les plus satisfaisants ont été obtenus avec des films d'eau d'épaisseur inférieure à 10 mm et des moyens permettant de fractionner l'écoulement de métal en quantités unitaires de masse inférieure à 10 kg.The most satisfactory results have been obtained with films of water less than 10 mm thick and means making it possible to fractionate the flow of metal into unit quantities of mass less than 10 kg.
De préférence, avant d'envoyer l'eau à l'égout, on la fait passer sur un filtre constitué par exemple de billes d'aluminium afin de la débarrasser de toute trace de particules métalliques.Preferably, before sending the water to the sewer, it is passed through a filter consisting for example of aluminum balls in order to rid it of any trace of metallic particles.
L'invention concerne également un dispositif particulier permettant de réaliser le procédé décrit ci-dessus.The invention also relates to a particular device making it possible to carry out the method described above.
Ce dispositif, qui comprend donc un écran élastique épousant fidèlement le contour du produit coulé, est caractérisé en ce que la périphérie de l'écran surplombe un ensemble de gouttières inclinées dont les extrémités se superposent de manière à débiter l'eau de l'une dans l'autre sous forme de cascade, les gouttières placées en aval étant équipées de barrettes placées perpendiculairement au sens d'écoulement des liquides, la gouttière inférieure surplombant un filtre à garnissage.This device, which therefore comprises an elastic screen faithfully matching the contour of the cast product, is characterized in that the periphery of the screen overhangs a set of inclined gutters, the ends of which overlap so as to deliver the water from one in the other in the form of a cascade, the gutters placed downstream are equipped with bars placed perpendicular to the direction of flow of the liquids, the lower gutter overhanging a packing filter.
Ainsi, ce dispositif est constitué par un ensemble de gouttières, c'est-à-dire de conduits métalliques ouverts sur le dessus sur toute leur longueur, à fond plat et inclinés suivant une pente comprise entre 4 et 12 %. Ces gouttières ont une hauteur suffisante pour pouvoir accepter la plus grosse quantité de métal liquide susceptible de se répandre lors d'un incident; leur largeur et leur pente sont calculées de manière que dans les conditions de refroidissement maximum, le volume d'eau nécessaire forme un film d'épaisseur inférieure à 10 mm. Les gouttières placées en aval de la cascade sont garnies intérieurement de barrettes formant barrage à l'écoulement d'une partie du métal. La distance qui sépare ces barrettes et leur hauteur est fonction de la quantité totale de métal susceptible de s'écouler et du fait que chaque barrette ne doit pas retenir plus de 10 kg de métal.
Quant aux gouttières amont et essentiellement celles qui recoivent directement l'eau qui déborde de l'écran, elles sont lisses afin de conférer au métal liquide issu d'une rupture de peau une vitesse initiale d'écoulement suffisante pour éviter toute accumulation.Ces gouttières sont disposées dans l'espace par rapport à l'écran et à la plaque coulée de la manière suivante :
- immédiatement en-dessous de l'écran, quatre gouttières lisses, s'allongeant parallèlement sur quatre faces de la plaque et à une distance telle qu'elles puissent recueillir la totalité de l'eau de refroidissement et du métal liquide qui débordent de l'écran; les deux gouttières en regard des petites faces débitant leur contenu dans celles en regard des grandes faces;
- en-dessous de ces quatre gouttières, deux séries de gouttières à barettes s'allongeant exclusivement devant les grandes faces de la plaque; dans chacune de ces séries, les gouttières se déversant l'une dans l'autre sous forme de cascade, la gouttière supérieure recevant le contenu de la gouttière lisse correspondante.Thus, this device is constituted by a set of gutters, that is to say metal conduits open on top over their entire length, with a flat bottom and inclined at a slope of between 4 and 12%. These gutters have a sufficient height to be able to accept the largest quantity of liquid metal likely to spread during an incident; their width and slope are calculated so that under the maximum cooling conditions, the volume of water required forms a film with a thickness of less than 10 mm. The gutters placed downstream of the waterfall are internally lined with bars forming a barrier to the flow of part of the metal. The distance between these bars and their height is a function of the total amount of metal likely to flow and the fact that each bar must not hold more than 10 kg of metal.
As for the upstream gutters and essentially those which directly receive the water which overflows from the screen, they are smooth in order to give the liquid metal resulting from a skin rupture an initial speed of flow sufficient to avoid any accumulation. are arranged in space with respect to the screen and the casting plate in the following manner:
- immediately below the screen, four smooth gutters, extending in parallel on four sides of the plate and at a distance such that they can collect all of the cooling water and liquid metal which overflow from the 'screen; the two gutters facing the small faces delivering their contents into those facing the large faces;
- below these four gutters, two series of bar gutters extending exclusively in front of the large faces of the plate; in each of these series, the gutters pouring into each other in the form of a cascade, the upper gutter receiving the content of the corresponding smooth gutter.
Toutes ces gouttières sont placées soit les unes au-dessus des autres et ont alors une pente inversée par rapport à leurs voisines, soit dans le prolongement l'une de l'autre suivant le type de fosse utilisé et que l'on décrit plus loin.All these gutters are placed either one above the other and then have an inverted slope with respect to their neighbors, or in the extension of one another depending on the type of pit used and which is described below. .
Les gouttières inférieures de chaque série se rejoignent en une gouttière commune pour déverser leur contenu dans un filtre.
Ce filtre est constitué par une poche garnie, de préférence, de billes d'aluminium sur lesquelles viennent se déposer les fines métalliques qui auraient pu échapper aux barrières.The lower gutters of each series join in a common gutter to pour their contents into a filter.
This filter consists of a pocket, preferably filled with aluminum balls on which the metallic fines are deposited which could have escaped the barriers.
Quant à l'écran, il n'a pas de caractéristiques particulières par rapport à ceux utilisés dans l'art antérieur. On préfère cependant des écrans fixés sur des bâtis refroidis et formés de deux lames élastiques entre lesquelles on peut envoyer un courant de gas permettant ainsi de vaporiser toute trace d'eau qui aurait pu s'infiltrer entre la plaque et la premiere lame.As for the screen, it has no particular characteristics compared to those used in the prior art. However, we prefer screens fixed on cooled frames and formed of two elastic blades between which one can send a current of gas thus allowing to vaporize any trace of water which could have seeped between the plate and the first blade.
Un tel dispositif est certes applicable aux fosses classiques à quatre parois verticales où en raison du problème d'espace qui se pose, on place les gouttières les unes au-dessus des autres.
Mais ce dispositif peut aussi être heureusement complété par l'utilisation d'une fosse à trois parois verticales et une quatrième en plan incliné ouverte sur l'extérieur du local de coulée et dans ce cas, on place alors les gouttières dans le prolongement l'une de l'autre.
Une telle fosse présente de nombreux avantages sur le plan de la sécurité par rapport à une fosse à quatre parois verticales en cas d'incidents de coulée.
En effet, elle permet d'augmenter la ventilation naturelle de la fosse et d'accélérer d'autant l'élimination d'hydrogène qui pourrait être émis lors d'un épanchement de métal liquide.Such a device is certainly applicable to conventional pits with four vertical walls where, because of the space problem which arises, the gutters are placed one above the other.
But this device can also be fortunately supplemented by the use of a pit with three vertical walls and a fourth in inclined plane open on the outside of the casting room and in this case, the gutters are then placed in the extension l one of the other.
Such a pit has many safety advantages compared to a pit with four vertical walls in the event of casting incidents.
Indeed, it increases the natural ventilation of the pit and accelerates the elimination of hydrogen which could be emitted during an effusion of liquid metal.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure ci-jointe qui représente en perspective un dispositif suivant l'invention dans le cas où la fosse a quatre parois verticales. On y voit dans une fosse 0 une plaque 1 sur laquelle ruisselle de l'eau qui circule suivant le sens de la flèche 2 en passant au contact de l'écran 3 dont le bord 4 est placé en surplomb sur les quatre gouttières lisses 5 6 7 et 8 qui recueillent l'eau et éventuellement le métal liquide qui s'est épanché et les envoient respectivement pour 5 et 6 dans la gouttière 9 de la série à barettes 9, 10 et 11 et pour 7 et 8 dans la gouttière 12 de la série à barettes 12, 13 et 14.
Les gouttières 11 et 14 se rejoignent dans la gouttière commune 15 qui déverse son contenu dans le filtre 16 duquel s'échappe vers l'égout 17 l'eau 18 débarrassée de tout solide.The invention will be better understood using the attached figure which shows in perspective a device according to the invention in the case where the pit has four vertical walls. We see in a pit 0 a plate 1 on which water flows flowing in the direction of the
The
On peut voir dans les gouttières 9, 10 et 11 des barrettes 19 destinées à retenir le métal de façon fractionnée.We can see in the
L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant :
Dans une installation de coulée d'alliage d'aluminium à 3 % en poids de lithium sous forme de plaques de dimensions 1100 x 300 mm, refroidies directement avec un débit de 20 m³/h d'eau, on a placé horizontalement autour de la plaque à une distance du bas de la lingotière de 150 mm un écran en caoutchouc de largeur 1500 mm et d'épaisseur 700 mm.
Des gouttières en tôle d'acier de longueur 1700 mm pour les grands côtés et 1000 mm pour les petits côtés de la plaque, de hauteur 100 mm et de largeur 500 mm inclinées de 4 degrés ont été disposées comme décrit ci-dessus à une distance, mesurée en leur milieu, de l'écran de 300 mm et entre elles de 250 mm. Des barrettes de hauteur 15mm espacées les unes des autres de 340 mm ont été placées en travers des 3 gouttières aval constituant chacune des séries.
L'eau sortant de la gouttière commune était dirigée vers un filtre de dimensions 1000 x 500 x 500 mm garni sur une hauteur de 200 mm de billes d'aluminium de diamètre 10 mm et relié à un égout.The invention can be illustrated using the following example of application:
In an installation for casting aluminum alloy at 3% by weight of lithium in the form of plates with dimensions 1100 × 300 mm, cooled directly with a flow rate of 20 m³ / h of water, it was placed horizontally around the plate at a distance from the bottom of the mold 150 mm a rubber screen of width 1500 mm and thickness 700 mm.
Sheet steel gutters of length 1700 mm for the long sides and 1000 mm for the short sides of the plate, height 100 mm and width 500 mm inclined by 4 degrees were placed as described above at a distance , measured in the middle, of the 300 mm screen and between them of 250 mm. Bars 15mm high spaced 340mm apart were placed across the 3 downstream gutters each constituting the series.
The water leaving the common gutter was directed to a filter of dimensions 1000 x 500 x 500 mm packed on a height of 200 mm with aluminum balls of
On a provoqué un épanchement de 100 kg de métal liquide sur l'une des grandes faces de la plaque. Le métal a été retenu, par fractions de 8 à 10 kg à chaque barrière et s'est arrêté de couler au bout de la deuxième gouttière de la série placée en regard de la face percée. Des fines ont été emportées jusque dans le filtre en quantité de l'ordre de 15 kg.
Cette opération ayant été répétée de nombreuses fois, on a toujours constaté qu'elle s'accompagnait d'un panache de fumées et de vapeur d'eau mais sans aucune explosion.One effusion of 100 kg of liquid metal was caused on one of the large faces of the plate. The metal was retained in fractions of 8 to 10 kg at each barrier and stopped flowing at the end of the second gutter in the series placed opposite the drilled face. Fines were taken into the filter in an amount of around 15 kg.
This operation having been repeated many times, it has always been found that it was accompanied by a plume of smoke and water vapor but without any explosion.
Il est évident qu'une telle invention peut être appliquée à la coulée de billettes pour autant qu'on adapte la forme de la gouttière à celle du produit coulé et que dans ce cas ladite gouttière peut être continue et sans inversion de pente.It is obvious that such an invention can be applied to the casting of billets provided that the shape of the gutter is adapted to that of the cast product and that in this case said gutter can be continuous and without inversion of slope.
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