FR2507511A1 - Dispositif et procede pour inhiber, lors du refroidissement, la production d'une retassure a la surface superieure d'un lingot - Google Patents

Abstract

DISPOSITIF ET PROCEDE POUR INHIBER, LORS DU REFROIDISSEMENT, LA PRODUCTION D'UNE RETASSURE A LA SURFACE SUPERIEURE D'UN LINGOT. LE DISPOSITIF COMPREND UN COUVERCLE 18, A PLACER SUR UNE LINGOTIERE 10, ET QUI COMPORTE UN DIAPHRAGME 30 DESTINE A INTERCEPTER LE RAYONNEMENT EMIS PAR LA SURFACE SUPERIEURE 17 DU METAL 12, 16 QUI SE REFROIDIT ET A RENVOYER LE RAYONNEMENT VERS CETTE SURFACE, AINSI QU'UN ORGANE 32 DESTINE A RENVOYER AU DIAPHRAGME LE RAYONNEMENT INFRAROUGE EMIS PAR CELUI-CI. LE COUVERCLE PEUT COMPORTER AUSSI UN DISPOSITIF 34 POUR REFROIDIR LA SURFACE REFLECHISSANTE ET DES CONDUITS 26 PERMETTANT DE METTRE SOUS DEPRESSION L'INTERIEUR DE LA LINGOTIERE ET DU COUVERCLE. UN ISOLANT 14 EVITE AU METAL UNE PERTE DE CHALEUR PAR CONDUCTION.

Description

La présente invention concerne la coulée de grosses pièces métalliques, comme des lingots.

Lorsque des lingots sont coulés dans une lingotière, le sommet exposé du lingot se refroidit plus rapidement que sa masse principale et, par suite, la partie supérieure de la masse métallique voisine du sommet découvert de la lingotière se contracte plus rapidement que la masse principale du lingot. I1 en résulte la formation d'une cavité ou "retassure" qui s'étend de la surface supérieure du lingot jusqu'à l'intérieur de celui-ci. La retassure de surface se forme tôt au cours de la solidification. En raison de l'oxydation et d'autres effets chimiques se produisant à la surface de la retassure, la matière entourant celle-ci ne peut être laminée avec succès, car la retassure forme dans le lingot laminé une tapure.

Le procédé le plus couramment utilisé pour résoudre ce problème implique de découper la partie supérieure du lingot et de recycler la matière entourant la retassure.

La perte de cette matière affecte gravement l'industrie des métaux. Par exemple, dans la fabrication des aciers, la perte des sommets de lingots par suite d'une formation de retassures réduit de 20 à 25 6 les rendements de la fabrication. Si cette partie du métal peut être recyclée, elle n'en représente pas moins des frais importants pour la fabrication de l'acier puisque, afin de produire un lingot en vue du laminage de 100 tonnes, par exemple, il faut couler environ 120 tonnes d'acier.

Pour résoudre ce problème, certains producteurs d'acier brûlent du "Thermite ou une matière semblable directement au sommet du lingot pour éviter le refroidissement rapide générateur d'une retassure. Cette approche est onéreuse et elle n'est que partiellement efficace pour la diminution d'un retrait. Elle se caractérise également par un problème important pour l'environnement, car la combustion d'une telle matière provoque un dégagement de gaz et de particules métalliques. I1 est difficile et onéreux de maîtriser ces phénomènes.

La présente invention se fonde sur la prise de conscience du fait que la formation d'une retassure de surface est due à un refroidissement bien plus rapide du métal coulé à sa surface supérieure découverte par rapport à ses côtés, qui se refroidissent en cédant de la chaleur, par conduction, à la masse de la lingotière. Plus particulièrement, l'invention se fonde sur la prise de conscience du fait que le mécanisme dominant de perte de chaleur par le sommet découvert et exposé du lingot met en oeuvre l'émission d'un rayonnement thermique, c'est-à-dire dans l'infrarouge. I1 a été découvert que l'on peut couler des lingots de façon à inhiber ou à éviter la formation d'une retassure de surface en renvoyant vers la surface supérieure du lingot le rayonnement thermique qui en provient-.

Un aspect de l'invention propose une structure de moule ou lingotière pour obtenir des lingots de métal présentant à leur surface supérieure une retassure de dimension réduite en comparaison de lingots coulés dans une lingotière à découvert. La structure comprend un corps de lingotière comportant une ouverture supérieure et un couvercle à placer sur cette ouverture. Le couvercle comporte un diaphragme, réalisé en une matière dont le point de fusion est supérieur à celui du métal à couler et dont une surface inférieure est disposée de façon à intercepter le rayonnement provenant de la surface supérieure de la masse de métal liquide placée dans le corps de la lingotière et à réémettre ce rayonnement vers cette surface de la masse liquide, ainsi qu'un dispositif destiné à renvoyer vers la surface supérieure du diaphragme le rayonnement provenant de cette dernière surface.

Dans une forme de réalisation, le rayonnement est renvoyé au diaphragme par un réflecteur dont le coefficient de réflexion est au moins égal à 0,5. Dans une autre forme de réalisation, on utilise pour cela plusieurs chicanes disposées en parallèle à l'arrière du diaphragme.

En combinaison avec la structure du couvercle, un isolant peut être disposé à l'intérieur de la cavité de la lingotière près de la surface supérieure de celle-ci pour inhiber la transmission de chaleur par conduction de la masse de métal coulé vers le corps de la lingotière. En outre, la structure du couvercle peut comporter un organe destiné à constituer un joint étanche entre le couvercle et la lingotière, et un dispositif destiné à produire une dépression au sein de la structure du couvercle, des deux côtés du diaphragme. Lorsqu'un vide "de dégrossissage" est créé dans la structure de la lingotière, des pertes de chaleur par convexion à partir du sommet du lingot sont essentiellement éliminées, la sur-face réflectrice est protégée contre une dégradation, et des effets chimiques produisant des oxydes à la surface supérieure du lingot sont réduits à leur minimum.

L'invention envisage également d'utiliser des moyens pour chauffer des régions au voisinage de la surface supérieure du lingot, comme deux électrodes destinées au passage d'un courant alternatif ou un enroulement de chauffage par induction. Avantageusement, le passage d'un courant alternatif à haute fréquence dans cette région est sens4ble- ment confiné aux couches superficielles du métal par suite de "l'effet de peau" bien connu. Le couvercle de la lingotière peut également comporter des organes de refroidissement et une enveloppe en forme de dôme ou calotte destinée à supporter la pression atmosphérique lorsque l'intérieur de la lingotière est mis sous dépression.

Dans un autre aspect, l'invention propose un couvercle, destiné à être utilisé avec une lingotière à sommet ouvert classique et qui peut efficacement diminuer la dimension de la retassure. Le couvercle comprend une enveloppe comportant une partie destinée au montage sur la lingotière, un diaphragme destiné à intercepter le rayonnement émis par la surface supérieure du métal liquide et à réémettre le rayonnement vers cette surface, et un réflecteur ou une série de chicanes pour renvoyer vers la surface arrière du diaphragme le rayonnement qui en provient.

Dans un autre aspect, l'invention propose un procédé pour inhiber la production d'une retassure de surface à la surface supérieure d'une masse métallique qui se refroidit dans une lingotière ou dans un moule, procédé selon lequel on inhibe la transmission de chaleur par conduction en provenance d'une région du métal voisine du sommet de la lingotière ver l'intérieur de cette lingotière et l'on renvoie vers lj surface supérieure du métal le rayonnement qui en provient.

Donc, l'invention vise à proposer un procédé pour couler de grosses pièces métalliques, comme des lingots, de façon à inhiber la formation d'une retassure de surface.

L'invention vise également à proposer une structure et un couvercle de lingotière permettant la coulée de lingots et d'autres grosses pièces métalliques sans retassures de surface. L'invention vise encore à améliorer le rendement en métal produit par une coulée en diminuant ou en éliminant l'oxydation et d'autres effets chimiques se produisant par exposition du métal à l'action de l'atmosphère.

Ces buts, caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à l'examen de la description détaillée suivante de quelques formes préférées, présentées à titre illustratif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 est une coupe d'une lingotière classique contenant une masse de métal liquide ;
la figure 2 est une coupe de la lingotière de la figure 1 montrant la formation d'une retassure de surface lors du refroidissement de la masse métallique ;
la figure 3 est une coupe d'une structure de lingotière selon l'invention
la figure 4 est une coupe d'un couvercle selon l'invention placé sur une lingotière classique
la figure 5 est une coupe d'une seconde forme de réalisation de la structure de lingotière selon l'invention ; ;
la figure 6 est une coupe d'une lingotière à utiliser avec un couvercle selon l'invention et montre des moyens ou orgaies pour chauffer les régions superficielles d'un lingot
la figure 7 est une coupe, le long de la ligne 7-7 de la lingotière de la figure 6 ; et
la figure 8 est une coupe d'une lingotière, destinée à être utilisée avec un couvercle selon l'invention, et qui montre un enroulement pour chauffer par induction des régions superficielles d'un lingot.

Naturellement, des indices de référence analogues désignent des parties correspondantes sur les figures respectives.

Le phénomène responsable du retrait subi par un lingot est le refroidissement rapide de ce lingot à partir de sa surface supérieure exposée. Pour combattre le retrait, il est nécessaire de maîtriser la vitesse de refroidissement.

Pendant la solidification et le refroidissement, la surface d'un lingot d'acier fondu se trouve à une température de 12000 à 13150C. Puisque l'intensité du rayonnement thermique émanant d'une surface est proportionnelle à la quatrième puissance de la température de cette surface, alors que la transmission de chaleur par convexion est proportionnelle à la première puissance de la température de la surface, à des températures voisines du point de fusion de l'acier, virtuellement la totalité de la transmission de chaleur à partir de la surface supérieure exposée d'un lingot s'effectue par rayonnement thermique.Ainsi, si une surface à une température absolue T, ayant un pouvoir émissif E, rayonne vers un environnement à la température To, présentant un pouvoir émissif Eo, l'énergie nette (qr) rayonnée de chaque aire unitaire de la sur-face vers l'environnement est donnée par l'équation

dans laquelle o vaut, en unités anglosaxonnes
a = 0,1713 x 10 BTU/(pied carré) h (ou)4 /où l'unité britannique de quantité de chaleur, BTU, vaut 1,055 kJ et le pied carré 0,0929 m27, c'est-à-dire
a = 0,98 x 10-8 J/m2 s (0C)4
Par ailleurs, le taux de transmission de chaleur par convexion (qc) en provenance d'une telle surface est donné par l'équation
qc = h (T-To) dans laquelle h est le coefficient pelliculaire qui, pour des surfaces horizontales chaudes placées en regard, vaut environ 1,5 BTU/(pied carré) h OF, soit environ 8,52 J/m2 s OC.

Lorsque E vaut 0,95, E0 vaut 1, T 28600R (soit 24000F ou 13150C) et T0 5370R (soit 770F ou 250C), on peut voir que 2 q r vaut 108 744 BTU/(pied carré) h, soit 343 044 J/m2 s, alors que q vaut seulement 3484 BTU/(pied carré) h, soit
2c 10 991 J/m' s. Ainsi, dans un calcul approximatif, on peut négliger tout ce qui n'est pas la perte de chaleur par rayonnement de la surface supérieure d'un lingot et supposer que cette surface va rayonner à l'atmosphère environ 110 000 BTU/h (pied carré), soit 347 000 J/m2 s.Lorsque la surface du lingot se refroidit jusqu'à 22000F environ (environ 12000C), cette énergie rayonnante va diminuer pour se situer à environ 86 000 BTU/h (pied carré), soit environ 271 400 J/m2 s.

En gros, l'invention envisage de diminuer la perte nette de chaleur par rayonnement de la surface du lingot et de diminuer ainsi la vitesse de refroidissement à la surface du lingot pour parvenir à un niveau correspondant davantage à celui d'autres parties de la pièce métallique coulée, en renvoyant vers sa source l'énergie émise par rayonnement.

En soi, cette approche permet efficacement de diminuer nettement la tendance d'un lingot en cours de refroidissement à former une retassure de surface. Cependant, le renvoi du rayonnement peut se combiner à d'autres moyens de diminuer la vitesse nette de refroidissement en surface de manière à aboutir à un lingot solide dont le sommet est sensiblement plat.Ainsi, le corps de la lingotière peut être équipé d'un isolant près de son sommet découvertoafin de diminuer la transmission de chaleur par conduction vers le corps de la lingotière. L'intérieur de la structure peut être mis sous vide pour diminuer la perte de chaleur par convection.De même, il est possible de chauffer directement les couches de la surface supérieure du lingot en cours de solidification à l'aide de lampes-rayonnant de la chaleur, d'un enroulement de chauffage par induction ou de deux électrodes faisant passer un courant dans ces couches. On envisage diverses combinaisons de ces approches pour retarder le refroidissement de la surface exposée du lingot. Tels qu'ils servent dans le pré sent mémoire et dans les revendications, les termes "lingot" et "lingotière" désignent collectivement de grandes pièces métalliques coulées, d'une part, et le moule servant pour cette coulée, d'autre part.

Un procédé pour renvoyer le rayonnement thermique vers la surface du lingot implique d'utiliser des récupérateurs de chaleur comme décrit dans les brevets des Etats
Unis d'Amérique NO 4 082 414 et NO 4 160 577 auxquels on pourra se référer. Les dispositifs réflecteurs décrits dans ces brevets précités peuvent renvoyer jusqu' à 90 Ó du rayonnement émis par une source et ils peuvent être placés à une certaine distance du sommet du lingot. De tels récupérateurs de la chaleur peuvent être placés, par exemple, au plafond d'une pièce dans laquelle la coulée est effectuée.

Cependant, le procédé préféré pour renvoyer la chaleur rayonnée consiste à faire appel à une structure de couvercle s'ajustant sur-le sommet de la lingotière et qui comprend, comme éléments essentiels, un diaphragme réalisé en une matière dont le point de fusion est supérieur à celui du métal fondu à couler et qui est disposé parallèlement à la surface supérieure de la pièce coulée de manière à intercepter le rayonnement thermique provenant de cette pièce, et un dispositif destiné à renvoyer, vers la surface opposée du dos du diaphragme, le rayonnement qui en provient. Dans une forme de réalisation, le rayonnement est renvoyé par un réflecteur solidaire du couvercle. Dans une autre forme de réalisation, le rayonnement est renvoyé par un groupe de chicanes disposées en parallèle. De telles structures de couvercle peuvent être utilisées avec une lingotière classique, ou, de préférence, avec une lingotière spécialement conçue et comportant une isolation destinée à retarder les pertes de chaleur par conduction dans les régions voisines du sommet de la pièce coulée et/ou des organes destinés à chauffer les couches de la surface supérieure de la pièce coulée.

On voit sur ces dessins que la figure 3 illustre une lingotière comportant un corps 10 au sein duquel une masse de métal 12 s'est partiellement solidifiée. Une couche d'isolant 14 est solidaire du corps de la lingotière dont elle fait partie intégrante et inhibe la transmission de chaleur par conduction en provenance d'une couche liquide 16 du lingot vers le corps 10. La couche 16 s'étend autour de la surface interne du corps 10. Un couvercle 18 repose sur la surface supérieure 20 du corps 10. Une bague torique 22 ou un autre dispositif classique d'étanchéité assure la liaison étanche du couvercle et du corps 10, ce qui permet de produire une dépression "de dégrossissage" correspondant environ à 10 2 atmosphère , au sein du couvercle et de la lingotière à l'aide diune pompe à vide 24 et d'orifices et conduits convenables 26.Le couvercle comporte une calotte 28, un mince diaphragme léger 30 et un réflecteur 32 d'infrarouge disposé en face du dos du diaphragme 30. Le réflecteur préférable se caractérise par un pouvoir réflecteur d'au moins 0,5. Un fluide de refroidissement circule dans une boucle 34 et se trouve en relation d'échange de chaleur avec le réflecteur 32 pour maintenir la température de celui-ci à des niveaux inférieurs à ceux risquant d'entraîner une dégradation du réflecteur, par exemple, au-dessous d'environ 5380C.

La matière en laquelle le couvercle est réalisé doit pouvoir servir à des températures élevées. En particulier, le diaphragme 30 et la structure du support 36 qui lui est associé doit pouvoir servir à des températures excédant celles du métal liquide 16. La dépression est réalisée à l'aide de conduits classiques en vue de produire une pression inférieure à la pression atmosphérique simultanément sur les deux côtés du diaphragme 30 et, de préférence, aussi dans l'espace 35 situé à l'intérieur de la calotte 28. Cet agencement garantit à tout moment l'absence de différences de pression potentiellement destructrices risquant de s'exercer sur le réflecteur 32, la boucle 34 de refroidissement qui lui est associée et particulièrement, le mince diaphragme 30.La calotte 28 présente de préférence la forme d'un dôme ou d'une arche (par exemple une hémisphère) de façon à pouvoir supporter plus facilement la pression de l'atmosphère externe. Cette forme de calotte permet, par exemple, de réaliser la calotte 28 en une matière céramique cassante. Lorsque l'intérieur de la structure a été mis sous vide, la pression de l'atmosphère est entièrement supportée par la calotte 28, et ses parties internes ne supportent pas de charge. Un dispositif de refroidissement auxiliaire (non représenté) peut être incorporé au couvercle 18 ou au voisinage du sommet du corps 10 de la lingotière de façon à pouvoir utiliser, sans risque de dégradation, des matières classiques pour des joints pour vide de dégrossissage, comme une bague torique 22 en une matière polymère métallique.Le tableau ci-après donne une liste non limitative de matières utilisables pour la fabrication de la structure du couvercle et notamment du diaphragme 30.

TABLEAU
Matière Température maximale à la
quelle la matière peut être
utilisée
Oxyde de thorium/nickel dispersé 12600C
Tungstène plus de 16500C
Verre de lithium-alumine-silice 12000C
Alumine 18150C
Carbure de silicium 16500C
Silice 15400C
Carbure de tungstène 27600C
Platine 16500C
Le verre de lithium-alumine-silice (LAS) est disponible dans le commerce sous la marque "CERVIT". On peut utiliser selon les désirs diverses combinaisons de ces matières et d'autres encore. Lorsque le diaphragme 30 est réalisé en une matière risquant d'être endommagée par exposition à la température du métal fondu, on peut faire appel à un refroidissement auxiliaire pour en maintenir la température à des niveaux convenables. Cependant et dans tous les cas, le diaphragme doit présenter un point de fusion supérieur à celui du métal coulé.

Le réflecteur 32 prend de préférence la forme d'un revêtement réflecteur spéculaire appliqué par dépôt de vapeur ou par d'autres techniques classiques et comprenant de l'or, de l'aluminium ou du cuivre. Un film d'oxyde protecteur peut être déposé sur la surface réfléchissante.

On peut utiliser des matières comme TiO2, ZrO2, MgO ou
A1203 ainsi que diverses céramiques vitreuses spéciales.

L'épaisseur du revêtement protecteur doit être d'environ
o 1000 A pour éviter des effets d'interférence gênants et atteindre des niveaux élevés de transmission dans l'infrarouge.

On voit sur la figure 4 une seconde forme de réalisation de l'invention. Elle comprend une structure de couvercle 18' à utiliser avec une lingotière classique 40. Le couvercle 18' peut également être utilisé avec les lingotiàres illustrées sur les figures 3, 5, 6, 7 ou 8. Le couvercle 18' comprend une calotte 29 dont font partie plusieurs ailettes 42 servant à augmenter la surface de contact de la calotte avec l'extérieur, et un revêtement 32 de la surface interne destiné à réfléchir l'infrarouge. Un diaphragme 30 est disposé en regard de la surface supérieure 17 du lingot 12 partiellement solidifié. Comme dans la forme de réalisation représentée sur la figure 3, les deux côtés du diaphragme 30 au sein de la structure peuvent être mis simultanément sous dépression à l'aide d'orifices et conduits 26.

Les formes de réalisation représentées sur les figures 3 et 4 fonctionnent de manière semblable. Lorsqu'une dépression (dans la gamme d'un vide de dégrossissage) a été produite au sein de la structure, les seuls mécanismes permettant au métal fondu de perdre de la chaleur par transmission au sommet de la lingotière sont la conductionJpar le corps 10 et la structure du couvercle, et un rayonnement par le métal fondu vers le diaphragme. La convexion est sensiblement éliminée en raison de la basse pression régnant dans la lingotière. Dans la forme de réalisation de la figure 3, l'effet de la conduction par le corps 10 est combattu par la couche 14 d'isolant et par la forme de la structure du couvercle.Par exemple, l'utilisation de matières comme "CERVIT", ayant une conductivité thermique relativement basse, est avantageuse à cet égard. blême sans l'isolant 14 (voir figure 4), la contribution de la conduction au refroidissement du métal fondu est mineure en comparaison de l'effet du rayonnement, mais cette faible contribution peut encore être diminuée lorsqu'on utilise un isolant comme celui re présenté en 14 sur la figure 3. Ainsi, dans les deux formes de réalisation, le diaphragme 30 sert en fait d'atmosphère ambiante vers laquelle le métal rayonne ; le rayonnement thermique émis par la surface 17 du lingot heurte le diaphragme 30 et est absorbé par celui-ci. Au début, l'énergie nette rayonnée entre la surface du métal et le diaphragme se dirige fortement vers le diaphragme.Cependant, à mesure que la température du diaphragme augmente, il renvoie de plus en plus un rayonnement vers la surface 17.

Par exemple, en rayonnant vers une atmosphère ambiante à 770F (25du), un lingot d'acier fraîchement coulé ou une autre pièce métallique à 27000F (14800C) dégagerait environ 171 000 BTU/(pied carré) h, soit 539 440 J/m2 s.

Cependant, si le métal fondu est en face du diaphragme 30, qui se trouve à la température de 25000F (13700C), le taux de transmission à partir du sommet du métal sera d'environ 40 000 BTU/(pied carré) h, soit 126 200 J/m2 s, c'est-à-dire environ 23 m du taux qui existerait si le métal fondu rayonnait directement à l'atmosphère. Si le diaphragme est à 23000F (12600C), le taux de perte de chaleur par rayonnement du métal vers le diaphragme serait d'environ 72 000 BTU/ (pied carré) h, soit 227 100 J/m2 s. Cela représente environ 42 0 de la perte qui se produirait si le métal fondu rayonnait directement à 1 atmosphère.

Lorsqu'il est chauffé, le diaphragme 30 émet un rayonnement provenant de sa surface avant en regard du lingot 12 et de sa surface arrière. Dans les formes de réalisation représentées sur les figures 3 et 4, le rayonnement émis vers le haut par le diaphragme 30 est réfléchi en 32 et renvoyé au diaphragme 30. Pour obtenir le rayonnement net d'énergie dans le premier exemple ci-dessus avec le diaphragme à 25000F (13700C), le réflecteur doit renvoyer vers le diaphragme 70 Ó environ de la chaleur rayonnée par le diaphragme.

Dans le second exemple, avec le diaphragme à 23000F (12600C), le réflecteur doit renvoyer environ 27 80 du rayonnement émis par le diaphragme. Des matières réfléchissantes du type mentionné ci-dessus peuvent facilement atteindre les coefficients requis de réflexion. En fait, les revêtements disponi bles dans le commerce peuvent présenter les coefficients de réflexion de 95 à 97 ssÓ dans la gamme des longueurs d'onde qui sont ici importantes.

On doit éviter que la température de la plupart des matières réfléchissantes ne parvienne à des niveaux très éleves. Par exemple, certains revêtements très efficaces ne peuvent être utilisés que jusqu'à des températures d'environ 5380C et ils sont endommagés à des températures supérieures à ce niveau. C'est pourquoi, a structure de couvercle illustrée sur la figure 3 comporte une boucle 34 de refroidissement auxiliaire et la structure de la figure 4 présente des ailettes 42. Ainsi, lorsque la température du revêtement réflecteur 32 de la figure 4 augmente, un gradient de température se développe dans la calotte 29 et les ailettes 42.

La chaleur peut être dissipée par la surface des ailettes et de la calotte, éventuellement à l'aide d'un ventilateur destiné à favoriser une convexion. Lorsqu'on utilise un isolant comme représenté sur la figure 3, le dispositif de refroidissement du réflecteur 32 constitue essentiellement le seul trajet d'enlèvement de la chaleur de la couche superficielle du métal coulé.

Si absolument aucune chaleur ne s'échappait à l'atmoshère en provenance de la surface supérieure du diaphragme, celui-ci viendrait en équilibre thermique avec le métal fondu et atteindrait ainsi la même température que le métal. Ainsi, en réglant la vitesse nette de refroidissement du diaphragme, on peut provoquer le rapprochement, aussi étroit qu'on peut le souhaiter, de la température du diaphragme et de la température de la masse de métal fondu. Ainsi, il est avantageux d'utiliser un diaphragme pouvant être sûrement chauffé jusqu'à une température excédant celle à laquelle le métal coulé se solidifie. Le rôle majeur du diaphragme consiste à protéger le réflecteur des dégâts qu'il pourrait subir s'il était exposé directement aux effets de la masse de métal fondu se trouvant au sommet de la lingotière.Par exemple, des gaz chauds,dont le déplacement est dû à la connexion qui se développe au-dessus de la masse de métal fondu immédiatement après la coulée, peuvent entraîner des particules métalliques, du laitier, ou d'autres formes de saletés vers le haut contre le réflecteur. De même, les mêmes gaz chauds risquent de chauffer le réflecteur jusqu'à des températures se rapprochant de celles du métal fondu luimême. Or, le diaphragme protège le réflecteur du contact direct avec des gaz, des matières particulaires, etc., risquant d'être entraînés au-dessus du métal fondu pendant que le couvercle est installé, mis en position et placé sous dépression. La mise sous vide protège le réflecteur du chauffage par convexion des gaz dans l'espace situé entre le diaphragme 30 et le réflecteur 32.En outre, cela élimine la convexion au-dessus de la masse de métal fondu. Cela contribue sensiblement à réduire le taux de perte de chaleur par le métal fondu lorsque la combinaison du diaphragme et du réflecteur a diminué la perte de chaleur par rayonnement.

La dépression diminue également la quantité d'oxydes et scories qui se forment à la surface du lingot.

I1 ressort de ce qui précède que si le diaphragme est réalisé en une mince matière légère, son pouvoir calorifique sera faible et il n'introduira pas de retard dans le chauffage des gaz entre le diaphragme et le réflecteur. Cependant, il peut s'avérer utile dans certaines formes de réalisation d'utiliser un diaphragme de masse un peu plus grande de façon que son pouvoir calorifique puisse servir à retarder ou amortir le chauffage des gaz derrière lui, en donnant ainsi du temps pour installer le couvercle et le mettre sous dépression.

On peut ainsi comprendre que si de l'acier, par exemple, est coulé à la température de 16500C, le diaphragme des figures 3 et 4 peut, tant qu'il peut être utilisé en toute sécurité à cette température, servir d'image thermique de l'acier fondu pendant toute son histoire thermique après la coulée. Ainsi, le refroidissement du lingot peut être retardé de sorte qu'il ne se forme pas de retassure de surface.

En se référant à nouveau à la figure 4, et en supposant que la température du réflecteur 32 ne doit pas s'élever au-dessus d'environ 10000F (5380C), on-peut voir que la différence de température entre la surface du réflecteur 32 et les ailettes associées 42 et l'air ambiant (770F, soit 250C) est d'environ 9200F (soit environ 5100C).Si, comme illustré, le réflecteur est formé directement sur la surface interne de la calotte 29, si on laisse se développer un gradient de température de 100cl (550C) dans l'épaisseur de la calotte et si la surface spécifique de contact à l'extérieur de la calotte est le double de celle de la masse de liquide fondu se trouvant au sommet du lingot, la surface externe de la calotte devrait dégager environ 4270 BTU/(pied carré) h (soit 13 470 J/m2 s) tout en étant à une température supérieure de 8000F (4450C) à celle de l'air. Cette vitesse de refroidissement peut être atteinte à l'aide d'un coefficient de convexion (h) se situant entre 5 et 6. Un coefficient de cette amplitude peut être facilement atteint dans de l'air lorsqu'on utilise une convexion modérément forcée, par exemple, en faisant appel à un simple ventilateur.

En fait, on pourrait même réaliser cet échange de chaleur sans utiliser d'ailettes 42.

La figure 5 illustre une autre forme encore de réalisation de l'invention. Elle comprend un corps 10 de lingotière équipé d'une couche 14 d'isolant d'un modèle identique à l'isolant de la figure 3. Le couvercle 44 comprend une calotte 31 munie d'une tuyauterie 26 convenant pour la production d'une dépression au sein de la structure de la lingotière, et un diaphragme 30 disposé en face de la surface supérieure 17 d'une masse de métal 12 en cours de solidification. Cependant, au lieu du réflecteur 32 des formes de réalisation des figures 3 et 4, le couvercle comporte plusieurs chicanes 46 groupées ou empilées. La chicane supérieure 48 de la pile 46 est refroidie par un fluide de refroidissement circulant, en relation de conduction et d'échange de chaleur avec la chicane 48, dans une boucle 50 de refroidissement.

Lorsque de minces chicanes, ayant chacune un pouvoir émissif E, sont placées entre une surface rayonnante, dont le pouvoir émissif est E à la température T1, et l'envi- ronnement dont le pouvoir émissif est E à la température To, le taux de transmission de chaleur par rayonnement de la surface vers l'environnement diminue pour passer de :

à

(Voir par exemple, Handbook of Heat Transfer, Rohensow and
Hartnet, Mc Grav Hill, 1973, pages 3-100).

Ainsi : 9r (n chicanes) = 1
~ =
q r (sans chicanes) n+l
On obtient un résultat un peu différent Si les pouvoirs émissifs des sources rayonnantes, des chicanes, ou de ltenviron- nement diffèrent, mais l'effet de telles différences est très faible sauf si les différences de pouvoir émissif deviennent prononcées.

Si l'on doit réduire de 90 Ó les pertes par rayonnement en utilisant des chicanes, le rapport l/(n+l) doit être égal à 0,10 et n doit être égal à 9, c'est-à-dire qu'il faut utiliser 9 chicanes. Pour réduire de 95 Ó les pertes par rayonnement, il faut que le rapport l/(n+l) soit égal à 0,05, et 19 chicanes sont alors nécessaires. Pour une diminution de 97 D32 il faut 33 chicanes. Ainsi, à mesure que la diminution souhaitée de pertes par rayonnement augmente, le nombre de chicanes qu'il faut utiliser augmente très fortement.Ainsi, lorsque l'on souhaite ne diminuer que modérément les pertes de chaleur par ráyonnement de la surface arrière du diaphragme 30, par exemple opérer une diminution de l'ordre de 90 Ó ou moins encore, il peut s'avérer plus pratique et moins onéreux d'utiliser des chicanes au lieu d'un réflecteur.

Par contre, lorsqu'on envisage une diminution de 97 3, des tentatives visant à utiliser des chicanes peuvent conduire à la mise en oeuvre d'une structure trop compliquée ou fragile et, dans ce cas, on préfère un seul réflecteur de haute qualité.

L'un des avantages majeurs de l'utilisation de chicanes, par opposition à un réflecteur, réside dans le fait que les chicanes sont bien moins susceptibles d'être endommagées par les gaz chauds. Ainsi, un dispositif pour mettre le couvercle sous dépression, présente, dans cette forme de réalisation, bien moins d'importance fondamentale que dans les formes de réalisation comportant un réflecteur.

Un refroidissement auxiliaire est encore nécessaire pour extraire la chaleur du couvercle. Un tel dispositif de refroidissement peut être appliqué à la chicane supérieure, comme représenté sur la figure 5, à la calotte elle-même, comme représenté sur la figure 4 (en omettant la surface réfléchissante 32) ou en un autre endroit convenable.

Bien qu'il ne soit pas indispensable de protéger les surfaces des chicanes du type de contamination risquant d'endommager une surface réfléchissante, il est néanmoins judicieux, quoique non indispensable, d'utiliser un dispositif de mise sous dépression > car il permet d'éliminer sensiblement les pertes de chaleur par convexion en provenance du métal liquide vers la lingotière et de minimiser les effets chimiques s'exerçant à la surface du lingot. Lorsque le métal liquide est, par exemple, à 27000F (14800C), la perte de chaleur par convexion à l'atmosphère, même en tenant compte de la résistance opposée par la structure du couvercle, sera de l'ordre de 3000 BTU/(pied carré) h (environ 9460 J/m2 s).

Si l'on utilise des chicanes pour diminuer le taux de perte de chaleur et le ramener à 5 0 de ce qui se produirait si le métal pouvait rayonner librement vers l'evnvironnement, la perte de chaleur par rayonnement serait réduite d'environ 171 000 BTU/(pied carré) h (539 440 J/m2 s) à environ 8550 BTU/(pied carré) h (environ 26 970 J/m2 s). Une perte supplémentaire par convexion de 3000 BTU/(pied carré) h (9460 J/m2 s) aurait deux effets : elle augmenterait d'environ 35 Ó (en la faisant passer de 5 à 7 0) la perte totale de chaleur, et elle pourrait faire différer nettement la distribution de température dans la pile des chicanes de la distribution pouvant être obtenue en l'absence d'une convexion.Dans certains cas, cela peut augmenter le taux de transmission de chaleur par rayonnement à travers la pile des chicanes et peut en fait détruire l'effet souhaité.

Comme mesure minimale destinée à supprimer les effets de la convexion, il est judicieux de garantir que le diaphragme 30 est relié de façon suffisamment bien étanche à la structure de support 47 des chicanes pour éviter que l'écoulement de gaz provenant de l'espace directement audessus du métal ne s'effectue en mouvement ascendant en traversant l'ensemble des chicanes . De même, il est possible de choisir un écartement des chicanes multiples permettant de maîtriser la convexion dans les divers espaces d'écartement.

En rendant les espaces suffisamment petits, il est possible de supprimer entièrement la convexion et de confiner au mécanisme de conduction la transmission de chaleur à travers le gaz situé entre les chicanes. Pour parvenir à ce résultat, il faut à la fois une étanchéité très efficace de la liaison des bords des plaques des chicanes et la maîtrise, voire la suppression,de la déformation thermique des plaques. Si, par suite d'une déformation thermique, les plaques devaient se toucher sur des surfaces importantes, la transmission de chaleur par conduction directe à travers les plaques pourrait supprimer l'effet recherché. L'étanchéité de la liaison des bords des plaques et la maîtrise ou la suppression d'une déformation thermique peuvent toutes deux être obtenues par des techniques classiques de fabrication.Ainsi, on peut choisir entre utiliser un dispositif de mise sous vide pour maîtriser la transmission de chaleur et fabriquer une pile étanche de chicanes, et ce problème doit être résolu en tenant compte de considérations économiques telles que le prix de revient des matériaux, les prix de fabrication et la fiabilité du comportement en service.

Les chicanes peuvent être réalisées en une matière semblable à celles indiquées ci-dessus pour la réalisation du diaphragme 30. Une technique de fabrication potentiellement intéressante consiste à construire la totalité de l'ensemble des plaques de chicanes en de la feuille mince d'aluminium pur puis à anodiser la structure des feuilles pour en transformer l'aluminium en Au 03, qui peut servir à des températures aussi élevées que 18150C.

Les figures 6 et 7 montrent une structure de lingotière modifiée destinée à être utilisée avec les couvercles des figures 3, 4 ou 5. Cette forme de réalisation comporte, en plus d'une couche d'isolant 14 autour des parois internes des régions supérieurs du corps 10, deux électrodes réfractaires 52 pour le passage d'un courant électrique à travers les régions superficielles de la masse 12 du métal coulé. Les électrodes 52 sont placées sur des côtés opposés du corps 10 de la lingotière et elles sont séparées l'une de l'autre par des plaques isolantes transversales 54. Chaque électrode est électriquement isolée par des montures 56 non conductrices convenables et elle est alimentée par des conducteurs 58, 60 et par les contacts 62 qui leur sont associés.De préférence, comme cela sera expliqué plus complètement ci-après, les électrodes sont alimentées en du courant alternatif haute fréquence provenant d'un générateur 64 à haute fréquence.

Cette forme de réalisation de l'appareil selon l'invention peut être utilisée lorsque la masse de métal liquide 17 se refroidit trop rapidement malgré la présence d'une couche d'isolant 14 et d'un couvercle du type étudié ci-dessus. Puisque, selon l'invention, la perte de chaleur à partir de la zone de surface 17 de la masse de métal liquide 16 se produit quasi totalement par rayonnement thermique provenant de la surface du métal, on peut fournir de l'énergie à cette zone de manière à ne chauffer que la surface du métal. La perte nette de chaleur par rayonnement peut alors être contrebalancée au degré requis pour réduire la vitesse de refroidissement et de solidification. Pour fournir de la chaleur d'appoint à la surface 17 du lingot, on peut utiliser des dispositifs de chauffage électrique à haute température ou des dispositifs de chauffage par infrarouge logés directement au-dessus de la surface du métal et montés, par exemple, sur la structure du support du couvercle. Cependant, on préfère utiliser des électrodes, comme représenté sur les figures 6 et 7.

L'application drun champ électrique à haute fréquence à un métal produit un courant tendant à passer très près de la surface du métal. Le tableau II ci-après indique les profondeurs 6 (en mm) auxquelles un courant pénètre dans des métaux ferreux, à diverses fréquences w (en hertz).

TABLEAU II
Profondeur 6 (mm) Fréquence w (hertz)
66,04 60
9,91 3 000
5,08 10 000
0,76 450 000 I1 apparaît ainsi que l'application de champs à haute fréquence à la masse de liquide fondu peut produire un chauffage par dissipation électrique se confinant à une couche très mince (ayant par exemple une épaisseur de 5,08 à 0,76 mm).

Cela crée sur le métal une "peau" chauffée, et l'énergie dissipée dans cette peau peut compenser le refroidissement du métal par rayonnement. En outre, si la température de la surface du métal n'est pas uniforme, le courant électrique tend à se concentrer dans les zones à plus basse température car ces zones auront également une plus faible résistance électrique. Ainsi, si le métal a commencé au sommet de la lingotière à se solidifier du bord de la lingotière vers l'intérieur, un courant électrique à haute fréquence se concentrera dans les zones solidifiées plus froides et tendra à provoquer une fusion. Cet effet tendra, bien entendu, à empêcher le développement d'une retassure de surface.

Parmi les matières convenant pour fabriquer les isolants 56, on peut citer l'alumine. On peut utiliser, pour fabriquer les plaques d'électrode, de la feuille de platine montée sur de l'alumine ou sur un autre substrat quelconque destiné à constituer un support. En tout cas, les matières destinées à la fabrication des plaques non conductrices et des électrodes doivent être choisies de façon à ne pas réagir avec le métal fondu. D'autres exemples non limitatifs de matières à utiliser pour fabriquer les électrodes com prennentl'osmium (point de fusion 3025cl ; résistivité électrique 9 S/cm) ou du molybdène (point de fusion 26210C résistivité électrique 5,2 n/cm).

En surveillant la température du métal au sommet de la lingotière, on peut déterminer si sa solidification se poursuit de la façon souhaitée. Sinon, par exemple, si l'on décèle un retrait important ou le développement d'une retassure, on peut faire passer du courant électrique dans la matière en faisant fonctionner un générateur 64 à haute fréquence afin de retarder le refroidissement et d'empêcher ainsi un retrait.

L'exposé ci-dessus montre que l'on peut réduire à moins d'environ 1700 BTU/(pied carré) h (moins d'environ 5363 J/m2 s ou 5363 W/m2) la perte de chaleur éprouvée par le métal fondu à 14820C. En appliquant à ce métal, à l'aide des électrodes décrites à propos des figures 6 et 7, une énergie haute fréquence de 53,8 kW/m2, on peut complètement contrebalancer cette perte de chaleur. Ainsi, une alimentation relativement faible en énergie haute fréquence (53,8 kW/m2 de section du lingot) va suffire à ajuster la vitesse du refroidissement du lingot à ce qui peut s'avérer nécessaire pour éviter un retrait.

La figure 8 illustre une autre forme de réalisation de lingotière comportant un dispositif destiné à chauffer les régions superficielles du lingot 12. Cette structure comporte un enroulement 66 de chauffage par induction, qui peut comprendre un tube métallique mince dans lequel circule un fluide de refroidissement. L'enroulement 66 est disposé dans un isolant électrique réfractaire 68 qui est chemisé par une enveloppe céramique 70. Les régions supérieures de la pièce coulée 12 peuvent être chauffées, en vue d'obtenir les mêmes effets que ceux étudiés ci-dessus, par le passage d'un courant alternatif dans l'enroulement.

I1 va de soi que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé, décrits et représentés, pour inhiber la production d'une retassure à la surface supérieure d'une masse métallique se refroidissant dans un moule ou une lingotière.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Dispositif destiné à équiper un moule à sommet ouvert pour la coulée d'un métal, ou une lingotière à sommet ouvert, en vue d'inhiber la production d'une retassure à la surface supérieure de la pièce coulée ou de diminuer la dimension de la retassure risquant de se former à la surface de la pièce coulée, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend, en combinaison

un couvercle (18, 18') comportant un diaphragme (30), réalisé en une matière dont le point de fusion est supérieur à celui du métal à couler et présentant une surface inférieure et une surface supérieure, ainsi qu'un dispositif destiné à renvoyer vers la surface supérieure du diaphragme (30) le rayonnement émis par cette surface, et

un dispositif (36) destiné à supporter ce couvercle (18) sur le dessus de la lingotière, la surface inférieure du diaphragme (30) étant disposée de manière à intercepter le rayonnement émis par la surface supérieure (17) d'une masse de métal liquide (16) se trouvant dans cette lingotière et à réémettre le rayonnement vers la surface (17).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à renvoyer le rayonnement comprend un réflecteur (32) d'infrarouges et un dispositif (34) destiné à refroidir le réflecteur (32).

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le réflecteur (32) présente un coefficient de réflexion au moins égal à 0,5.

4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comprend une structure(42) conductrice de la chaleur et destinée à dissiper la chaleur à l'atmosphère.

5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de support du couvercle (18') comprend une calotte (29) et en ce que le réflecteur consiste en un revêtement (32) appliqué sur une surface interne de la calotte (29), le dispositif de refroidissement présentant une surface (42) à l'extérieur de cette calotte (29) destinée à transmettre la chaleur à l'atmosphère.

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif destiné à renvoyer le rayonnement comporte plusieurs chicanes (46) empilées au-dessus du diaphragme (30), du côté de la surface supérieure de celuici.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un isolant (14) monté au voisinage du sommet du corps (10) de la lingotière pour inhiber la transmission de chaleur par conduction de la masse de métal (12, 16) vers ce corps (10).

8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte un organe (50) destiné à enlever de la chaleur du couvercle (44).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 6 et 7, caractérisé en ce qu'il comporte des organes (22, 24, 26) destinés à produire au sein de la lingotière une dépression au-dessus de la surface supérieure (17) de la masse de métal (12).

10. Dispositif selon les revendications 1 et 9 prises ensemble, caractérisé en ce que le couvercle (18) comporte une calotte (28) en forme de dôme destinée à supporter la pression atmosphérique lorsqu une dépression est produite au sein de la lingotière.

11. Dispositif selon les revendications 1 et 9 prises ensemble, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour chauffer une partie de la masse de métal (12, 16) en une région voisine de la surface supérieure (17) de cette masse.

12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (10) de la lingotière comporte au moins un élément (22) destiné à assurer l'étanchéité de la liaison entre le couvercle (18 ; 18' ; 44) et le corps (10, 40) de la lingotière.

13. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (10) de la lingotière comporte un dispositif pour chauffer une partie de la masse de métal (16) dans une région de cette masse voisine de sa surface supérieure (17).

14. Dispositif selon la revendication 13, caracté risé en ce que le dispositif de chauffage comprend un enroulement (66) de chauffage par induction.

15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de chauffage comprend des éléments destinés au passage d'un courant électrique dans ladite région.

16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que les éléments de chauffage comprennent des organes (64 ; 58, 60 ; 62 ; 52) pour le passage d'un courant alternatif haute fréquence, et en ce que ladite région comprend sensiblement une couche superficielle de la masse de métal (12, 16).

17. Procédé pour inhiber la production d'une retassure à la surface supérieure d'une masse métallique se refroidissant dans un moule ou dans une lingotière, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à inhiber la transmission de chaleur par conduction, d'une région de la masse de métal voisine du sommet de la lingotière, dans cette lingotière, et à renvoyer vers la surface supérieure de la masse de métal le rayonnement provenant de cette surface supérieure.

18. Procédé selon la revendication 17, selon lequel le renvoi du rayonnement est réalisé à l'aide d'une structure de couvercle isolant de façon étanche l'intérieur de la lingotière par rapport à l'atmosphère, procédé caractérisé en ce qu il comporte l'étape supplémentaire consistant à produire au sein de la lingotière une dépression en vue de diminuer les pertes de chaleur par convexion en provenance de la masse de métal.

19. Procédé selon l'une des revendications 17 et 18, caractérisé en ce qu'il comporte également l'étape consistant à chauffer une région de la surface supérieure de la masse de métal.

20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'on assure le retour du rayonnement en montant une structure qui absorbe le rayonnement émis par la surface supérieure de la masse de métal et réémet une partie de ce rayonnement pour la renvoyer vers cette surface.

21. Procédé selon l'une des revendications 17 et 18, caractérisé en ce qu'on assure le retour du rayonnement en montant un réflecteur qui réfléchit une partie du rayonnement émis par la surface supérieure pour renvoyer cette partie vers cette surface.

22. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la dépression est produite des deux côtés de la structure qui absorbe le rayonnement.

23. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'on assure le retour du rayonnement en montant une structure de couvercle qui absorbe une partie du rayonnement émis par la surface supérieure de la masse de métal et qui comporte un dispositif destiné à enlever de cette structure de couvercle une partie dudit rayonnement absorbé.