FR2570626A1 - Procede pour mettre en vibration une lingotiere de coulee continue afin de reduire le coefficient de frottement dans cette lingotiere et lingotiere pour la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN PROCEDE POUR METTRE EN VIBRATION UNE LINGOTIERE DE COULEE CONTINUE AFIN DE REDUIRE LE COEFFICIENT DE FROTTEMENT ENTRE LA FACE INTERNE DE LA PAROI 14 DE CETTE LINGOTIERE, ET LE PRODUIT COULE 18, 19 DANS CETTE DERNIERE, CE PROCEDE CONSISTANT A TRANSMETTRE (A PARTIR D'UN GENERATEUR 8) DES VIBRATIONS ULTRASONORES A LADITE PAROI 14, SUIVANT UNE DIRECTION A QUI EST EN CHAQUE POINT DE TRANSMISSION CONSIDERE SENSIBLEMENT LA DIRECTION LONGITUDINALE DE LA PAROI 14 DE LA LINGOTIERE EN CE POINT. L'INVENTION CONCERNE EGALEMENT UNE LINGOTIERE POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE.
Description
Procédé pour mettre en vibration une lingotière de coulée continue afin de
réduire le coefficient de frottement dans cette lingotière et lingotière pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé pour mettre en vibra-
tion une lingotière de coulée continue afin de réduire le coefficient de frot- tement entre la face interne de la paroi de la lingotière et le produit coulé
dans cette dernière, ce procédé consistant à transmettre des vibrations ultra-
sonores à la paroi de la lingotière. Elle concerne par ailleurs une lingotière
pour la mise en oeuvre de ce procédé.
L'un des problèmes rencontrés dans la coulée continue des métaux, notamment de l'acier, que celle-ci soit du type "en jet libre" ou à "busette immergée", est celui de l'accrochage ou du collage à la face interne de la lingotière, de la croûte solidifiée résultant du refroidissement périphérique de la barre métallique coulée. Du fait de cet accrochage, il peut se produire, lors de la progression de la barre dans la lingotière, des déchirements de la
croûte solidifiée, qui sont à l'origine de percées.
L'une des techniques connues à ce jour pour éviter ces percées, consiste à réduire le coefficient de frottement entre la croûte solidifiée et la face interne de la paroi de la lingotière, en transmettant à cette paroi des vibrations ultrasonores suivant une direction sensiblement perpendiculaire à l'axe de coulée. Cette technique présente toutefois les deux inconvénients
majeurs suivants.
Sous l'effet de telles vibrations, la paroi de la lingotière subit
des déformations vers l'intérieur de la lingotière, déformations dont l'ampli-
tude n'atteint un maximum qu'au voisinage de la zone de transmission des vibra-
tions à ladite paroi. Il n'en résulte qu'une réduction limitée des forces de
frottement, généralement de l'ordre de 50 %.
Par ailleurs, la masse importante d'acier liquide présente dans la lingotière tendant par son inertie à s'opposer aux vibrations transmises à la paroi, il est nécessaire, pour pallier cet effet, de surépaissir cette dernière
et, partant, de faire appel à des lingotières lourdes et onéreuses et au sur-
plus complexes en raison dumode de refroidissement par canaux internes indis-
pensable pour ce type de lingotières.
La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients
et, pour ce faire, propose un procédé conforme à celui défini au premier para-
graphe de cette description et qui se caractérise en ce que les vibrations
ultrasonores sont transmises suivant une direction qui est en chaque point de transmission considéré, sensiblement la direction longitudinale de la paroi de
la lingotière en ce point.
Ainsi, si la lingotière est par exemple de forme cylindrique ou parallélépipédique, ce qui est le cas le plus général, les vibrations sont transmises à la paroi de cette lingotière suivant une direction parallèle à
l'axe de coulée, les vibrations ainsi transmises se propageant ensuite longi-
tudinalement dans cette paroi, ce qui fait vibrer la lingotière suivant la
direction axiale.
On comprendra que, conformément à l'invention, la direction de trans-
mission des vibrations à la paroi de la lingotière est telle que la masse de
produit liquide coulé présente dans la lingotière n'a pas d'effet d'amortisse-
ment sur les vibrations transmises. Il n'est donc nullement nécessaire, comme dans le procédé antérieurement connu rappelé ci-dessus, de surépaissir la paroi pour conserver les conditions de résonance dans cette paroi. La lingotière peut
donc sans inconvénient être réalisée de manière classique, c'est-à-dire présen-
ter une paroi de faible épaisseur refroidie au moyen d'un fluide de refroidis-
sement circulant dans un espace annulaire entourant la face externe de ladite paroi. En d'autres termes, le procédé selon l'invention peut être appliqué aux
lingrotières existantes sans que celles-ci ne nécessitent une adaptation particulière.
En outre, conformément à l'invention qui assure une vibration longi-
tudinale de la paroi, le rendement vibratoire peut être optimal, ce qui consti-
tue un autre avantage par rapport aux procédés connus dans lesquels les vibra-
tions sont transmises perpendiculairement à l'axe de coulée.
Il est à noter par ailleurs que les vibrations ultrasonores mises en oeuvre selon l'invention seront avantageusement des ultrasons de puissance dont la fréquence est de préférence supérieure ou égale à 16kHz et par exemple
comprise entre 16 et 60 kHz, pour éviter une nuisance sonore trop importante.
La lingotière pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention et qui comporte bien entendu aumoins un générateur de vibrations ultrasonores coopérant avec la paroi de cette lingotière, se caractérise en ce que le générateur est monté à l'une des extrémités (supérieure ou inférieure) de la paroi de la lingotière, celui-ci étant orienté pour transmettre les vibrations qu'il génère à la paroi suivant une direction qui est sensiblement la direction
longitudinale de la paroi en ce point.
Le générateur de vibrations ultrasonores peut être de différents
types. Il peut par exemple être constitué par un transducteur magnétostrictif.
On préfère néanmoins les transducteurs piézoélectriques dont les rendements de conversion électrique-mécanique peuvent atteindre 95 %.
Dans le cas de l'utilisation d'un transducteur paézoélectrique uni-
que comprenant, de manière connue en soi, des plaquettes en matériau piézo-
électrique (tel qu'une céramique piézoélectrique), maintenues entre une masse métallique émettrice et une masse métallique d'équilibre, l'une de ces masses est avantageusement formée par la lingotière elle-même, l'une des plaquettes
venant en appui par l'une de ses faces contre l'une des extrémités de la lingo-
tière.Cette disposition particulière présente en effet l'avantage de supprimer
les problèmes inhérents au couplage entre le transducteur et la pièce à la-
quelle on désire transmettre des vibrations, couplage qui doit nécessairement être très rigide quand ces vibrations sont de forte intensité, comme c'est le
cas des ultrasons de puissance.
Suivant un mode de réalisation de la lingotière à transducteur uni-
que selon l'invention, les plaquettes en matériau piézoélectrique présentent
sensiblement la même forme que la section droite de la lingotière. Une lingo-
tière particulièrement rigide et compacte peut ainsi être obtenue quand les-
dites plaquettes présentent sensiblement les mêmes dimensions que ladite sec-
tion et quand la masse métallique émettrice présente également une section
transversale possédant la forme et les dimensions de lasection de la lingotière.
Par ailleurs, pour réaliser les conditions optimales de résonance
de la lingotière, dont la paroi constitue l'une des masses métalliques du trans-
ducteur piézoélectrique, on choisit les dimensions des masses métalliques de façon que la distance D séparant l'extrémité libre de la masse émettrice de l'extrémité libre de la masse d'équilibre soit telle que l'on ait D = k - o k est un nombre entier et 4 la longueur d'onde des vibrations ultrasonores
générées par le transducteur.
On notera enfin que pour atteindre une fiabilité optimale de la lin-
gotière selon l'invention, comprenant un transducteur à deux plaquettes en maté-
riau piézoélectrique, on cherchera à faire coïncider le plan de joint des deux plaquettes avec un plan nodal des ondes ultrasonores générées. Ceci revient en pratique à choisir les dimensions de la masse métallique émettrice pour que la
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distance D' séparant l'extrémité libre de cette masse du plan de joint des d n'td deux plaquettes soit telle que l'on ait D' = - + --- ou n' est égal à zéro
ou un nombre entier et 4 représente la longueur d'onde des vibrations ultra-
sonores générées par letransducteur.
Un mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une représentation schématique en perspective du dessus d'une lingotière de coulée continue d'acier selon l'invention; - la figure 2 est une coupe médiane longitudinale à plus grande échelle de la lingotière selon la figure 1 en fonctionnement; et - la figure 3 est une vue agrandie et plus détaillée de l'extrémité
supérieure de la lingotière selon la figure 2.
La lingotière représentée par les figures 1 et 2 est, de manière connue en soi, constituée par une pièce tubulaire usinée, en cuivre ou en alliage de cuivre, les parois verticales 1 à 4 de cette pièce définissant
la paroi 14 de la lingotière qui est donc de forme parallélépipédique.
Cette paroi 14 est classiquement entourée à faible distance d'une chemise (non représentée sur la figure 1) pourvue à ses extrémités d'une arrivée 6 et d'une sortie 7 de liquide de refroidissement, généralement de l'eau, et destinée à former autour et au contact de la lingotière une gaine liquide en circulation qui assure l'extraction calorifique nécessaire à la solidification
périphérique du métal coulé.
Conformément à l'invention, un générateur 8 de vibrations ultra-
sonores est monté à l'une des extrémités de la paroi de la lingotière et plus précisément sur le bord supérieur de cette paroi. Comme le montrent les figures 1 à 3, ce générateur 8 est constitué par un transducteur piézoélectrique de principe parfaitement connu en soi. Il comprend, dans le mode de réalisation représenté, une plaquette supérieure 9 et une plaquette inférieure 10, toutes deux en -ntériaupiézoélectrique, par exemple en céramique piézoélectrique telle que du titanozirconate de plomb. Ces deux plaquettes sont serrées face contre face avec interposition d'une feuille conductrice 11, entre une première masse métallique supérieure 12 dite masse émettrice et une seconde masse métallique
inférieure 14 constituée dans le cas présent par la paroi de la lingo-
tière elle-même. Comme cela est clairement montré par les figures, les plaquettes 9, 10 et la masse métallique 12 s'étendent sur tout le pourtour du bord supérieur de la paroi de la lingotière. Ces plaquettes 9, 10 présentent la forme et les dimensions de ce bord et la masse métallique 12 présente une section dont
la forme et les dimensions correspondent à celles dudit bord, les faces laté-
rales de cette masse 12 étant ainsi respectivement dans le prolongement de la
face interne et de laface externe de la paroi 14.
Par ailleurs, l'empilage formé par la masse métallique supérieure 12, la plaquette superieure 9, la feuille conductrice 11, la plaquette inférieure et la paroi 14 de la lingotière, est maintenu assemblé au moyen de tiges de serrage 13 traversant de part en part la masse métallique 12, les plaquettes 9, 10 et la feuille conductrice 11 et venant en prise par leur extrémité libre
dans la paroi 14.
L'ensemble ainsi décrit est complété par des bagues 15 isolant les tiges de serrage 13 des plaquettes 9, 10 et de la feuille conductrice 11 et par des contacts électriques 16, 17 solidarisés respectivement à la feuille conductrice 11 et à la masse métallique supérieure 12 et reliés à une source
de courant alternatif (non représenté).
D'autre part, en vue de réaliser les conditions de résonance au sein de la paroi 14, les dimensions de la masse métallique supérieure 12 et de la paroi 14 sont choisies pour que la distance D séparant l'extrémité supérieure de la masse métallique 12 de l'extrémité inférieure de cette paroi soit égale à un nombre entier de fois la demi-longueur d'onde des vibrations émises par
le transducteur 8.
La hauteur de la masse métallique 12 est en outre choisie pour que la distance D' séparant l'extrémité supérieure de cette masse 12 du plan médian
de la feuille 11 soit égale à - modulo b, d étant la longueur d'onde des vibra-
tions émises par le transducteur 8.
Compte tenu de la position relative de la masse métallique supérieure 12 et de la paroi de la lingotière, les vibrations émises par le transducteur 8 sont transmises verticalement à ladite paroi, c'est-à-dire dans la direction de l'axe de coulée symbolisé en A sur la figure 2, ces vibrations se propageant ensuite verticalement au sein de cette paroi oui vibre alors dans la direction axiale de la lingotière. Cette vibration produit une réduction des forces de frottement à l'interface de la paroi 14 et de la croûte solidifiée 18 entourant le coeur encore liquide 19 du métal coulé, ce qui a pour effet de diminuer de manière très sensible les risques d'accrochage ou de collage de ladite croûte solidifiée à la paroi 14 et, partant, les risques de
percée de cette croûte.
Enfin, il convient de remarquer que, si besoin est, les moyens de réduction des forces de frottement selon l'invention peuvent être combinés avec les techniques bien connues de lubrification par huile ou par poudre de
couverture. De même, l'invention peut fort bien être mise en oeuvre conjointe-
ment avec la pratique habituelle consistant à faire osciller la lingotière.
Il est à noter que la présente invention s'applique non seulement aux lingotières tubulaires, telles que considérées dans l'exemple ci-avant (coulée continue de billettes, blooms...), mais également aux lingotières à
plaques assemblées que l'on utilise classiquement pour la coulée de brames.
En outre, on prendra soin, pour des raisons manifestes, de toujours assembler la lingotière au corps de lingotière en des points de fixation qui
se situent dans des plans nodaux.
Dans l'exemple décrit ci-dessus, le transducteur comporte deux pla-
quettes céramique, mais la présente invention peut également être mise en oeuvre avec un empilage de plus de deux plaquettes céramique superposées, par exemple 4, 6, 8... (toujous enrombre pair); ceci permet, si on le souhaite,
d'augmenter la puissance de l'onde ultrasonore.
La céramique constituant les plaquettes du transducteur n'est pas limitée au titanozirconate de plomb, mais d'autres matériaux peuvent convenir à l'usage recherché, dans la mesure o ils présentent une bonne résistance
mécanique leur assurant une tenue satisfaisante aux champs électriques élevés.
A toutes fins utiles, on précisera encore que les-céramiques du type titanozirconate de plomb sont disponibles dans le commerce, en France, auprès
de l'Importateur Quartz et Silice S.A., sous la référence P 762.
Par ailleurs, l'invention s'accommode parfaitement avec un brassage du métal liquide en lingotière, par exemple à l'aide d'un champ magnétique
tournant autour de l'axe de coulée, ou glissant parallèlement ou perpendiculai-
rement à cet axe.
Il est clair enfin que l'application de l'invention ne se limite pas aux lingotières verticales de coulée continue, mais s'étend également aux
lingotières inclinées, courbes et même horizontales.
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Claims (10)
1. Procédé pour mettre en vibration une lingotière de coulée conti-
nue afin de réduire le coefficient de frottement entre la face interne de la paroi de cette lingotière et le produit coulé dans cette dernière, consistant à transmettre des vibrations ultrasonores à ladite paroi, caractérisé en ce que ces vibrations ultrasonores sont transmises suivant une direction (A) qui
est en chaque point de transmission considéré,sensiblement la direction longi-
tudinale de la paroi (14) de la lingotière en ce point.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les
vibrations ultrasonores sont des ultrasons de puissance.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les
vibrations ultrasonores ont une fréquence au moins égale à 16 kHz.
4. Lingotière de coulée continue des métaux pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, du type comportant au moins un générateur de vibrations ultrasonores coopérant avec la paroi de la lingotière, caractérisée en ce que le générateur (8) est monté sur le bord (20) supérieur ou inférieur de la paroi (14) de la lingotière, ledit générateur étant orienté
pour transmettre les vibrations qu'il génère à la paroi (14) suivant une direc-
tion qui est en chaque point considéré du bord (20), sensiblement la direction
longitudinale (A) de la paroi en ce point.
5. Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en ce que le
générateur (8) est un transducteur piézoélectrique.
6. Lingotière selon la revendication 5, comportant un transducteur
piézoélectrique unique comportant des plaquettes (9, 10) en matériau piézo-
-5 électrique maintenues entre une masse métallique émettrice (12) et une masse métallique d'équilibre, caractérisée en ce que l'une de ces masses est formée par la paroi (14) de la lingotière, l'une des plaquettes (10) venant en appui
par l'une de ses faces sur le bord (20) de ladite paroi (14).
7. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce que les plaquettes (9, 10) en matériau piézoélectrique présentent sensiblement la m9me
forme que celle du bord (20) de la paroi (14) de la lingotière.
8. Lingotière selon la revendication 7, caractérisée en ce que les plaquettes présentent sensiblement les mêmes dimensions que celles dudit bord
(20) et en ce que la masse métallique émettrice (12) présente une section trans-
versale possédant la forme et les dimensions dudit bord (20).
9. Lingotière selon la revendication 6, 7 ou 8, caractérisée en ce que la distance D séparant l'extrémité libre de la masse émettrice (12) de l'extrémité libre de la masse d'équilibre (14) esb telle que D = k A ou k est un nombre entier et 4 la longueur d'onde des vibrations ultrasonores générées par le transducteur (8).
10. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dont
le transducteur comprend deux plaquettes (9, 10) en matériau piézoélectrique, caractérisée en ce que les dimensions de la masse métallique émettrice (12) sont choisies pour que la distance D' séparant l'extrémité libre de cette masse n'r du plan de joint des deux plaquettes (9, 10) soit telle que Dl = - ±- ou 4 2 o n' est égal à zéro ou un nombre entier et.4 représente la longueur d'onde des
vibrations ultrasonores générées par le transducteur (8).
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