WO2004073904A2 - Lingotiere a metaux a refroidissement rapide et lingots susceptibles d'etre obtenus avec celle-ci - Google Patents

Lingotiere a metaux a refroidissement rapide et lingots susceptibles d'etre obtenus avec celle-ci Download PDF

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WO2004073904A2
WO2004073904A2 PCT/FR2004/000357 FR2004000357W WO2004073904A2 WO 2004073904 A2 WO2004073904 A2 WO 2004073904A2 FR 2004000357 W FR2004000357 W FR 2004000357W WO 2004073904 A2 WO2004073904 A2 WO 2004073904A2
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ingot
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metal
cooling
point
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PCT/FR2004/000357
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WO2004073904A3 (fr
Inventor
Thomas Spadone
Robert Rey-Flandrin
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Aluminium Pechiney
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Publication date
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Priority to UAA200508832A priority patent/UA80470C2/uk
Priority to US10/543,419 priority patent/US7258155B2/en
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Publication of WO2004073904A3 publication Critical patent/WO2004073904A3/fr
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Priority to IS8025A priority patent/IS2328B/is

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D5/00—Machines or plants for pig or like casting
    • B22D5/005—Devices for stacking pigs; Pigforms to be stacked
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D7/00—Casting ingots, e.g. from ferrous metals
    • B22D7/005—Casting ingots, e.g. from ferrous metals from non-ferrous metals

Definitions

  • the present invention relates to the foundry of non-ferrous metals, in particular aluminum and its alloys. It particularly relates to metal ingots, in particular stackable ingots, and the ingot molds which make it possible to obtain them.
  • the metal ingots are produced by pouring liquid metal into a mold of determined shape.
  • the liquid metal cools, solidifies and gives an ingot having the shape of the interior volume of the ingot mold.
  • the ingots have, for the most part, a shape which allows them to be stored by stacking and the handling of the stacks obtained. Stacks can be stabilized by one or more straps. In general, ingots are also provided with means for limiting the volume of stacks and for self-stabilizing them. These means are typically locking elements ("interlocking means" in English), such as projecting elements (nipples, bosses, studs, ...) and hollow elements (notches, grooves, ...), which cooperate to allow each ingot to be retained by neighboring ingots.
  • the speed of the ingot manufacturing process by cooling and solidifying the ingots is a determining factor in the productivity of a foundry.
  • a cooling fluid typically water
  • the production of ingots can become a step limiting the production of a factory. There is therefore a permanent search for solutions to accelerate the production of ingots, while preserving the quality of the ingots obtained and the possibility of stacking them in a stable manner.
  • the subject of the invention is a metal ingot mold, intended for the manufacture of ingots by cooling and solidification of a mass of liquid metal of initial volume Vo, comprising an internal cooling surface S intended for the evacuation of all or part of the thermal energy released by the mass of liquid metal during its cooling and its solidification, and characterized in that the cooling surface S has a shape such that, during the contraction of the volume Vo of metal caused by its cooling and solidification, the metal remains in contact with at least 10% of the surface S.
  • the metal remains in contact with at least 15% of the surface S, and more preferably at least 20% of the surface S.
  • the Applicant has found that, unexpectedly, the effective cooling time of the ingots, from the pouring of the liquid metal into the ingot mold until the extraction of the solidified ingot, was in fact much longer than expected by the estimates from thermal calculations and that the importance of this phenomenon depended strongly on the shape itself of the mold. She then had the idea that the extension of the cooling was in fact largely due to a problem of thermal contact between the metal and the ingot mold and noted that, against all expectations, the contraction of the metal during its solidification produced, in many places, a slight separation between the ingot and the internal surface of the ingot mold. Although weak, this separation creates an air gap which significantly reduces the heat exchange between the ingot and the wall of the ingot mold. The heat exchanges then take place practically only on very limited surfaces at the interface between the ingot and the ingot mold.
  • the metal ingot mold is characterized in that the cooling surface comprises at least one planar surface element Si, preferably forming all or part of the bottom of the ingot mold, in that there exists at least one point C on a plane Pi tangent to the element, or to each element, of surface Si such that all the line segments D connecting any point R of the cooling surface S to point C pass only to l inside the ingot mold, and in that the total area of the element, or elements, of surface Si is at least equal to 10% of the cooling surface S.
  • the cooling surface comprises at least one planar surface element Si, preferably forming all or part of the bottom of the ingot mold, in that there exists at least one point C on a plane Pi tangent to the element, or to each element, of surface Si such that all the line segments D connecting any point R of the cooling surface S to point C pass only to l inside the ingot mold, and in that the total area of the element, or elements, of surface Si is at least equal to 10% of the cooling surface S.
  • the total area of the element, or elements, with a surface Si is at least equal to 15% of the cooling surface S, and more preferably at least equal to 20% of the cooling surface S.
  • the subject of the invention is also a metal ingot, capable of being obtained with an ingot mold according to the invention, comprising a molded surface Sm and a rough surface Sb, and characterized in that the molded surface Sm comprises at least one element of planar surface Si, in that there is at least one point C on a plane Pi tangent to the element, or to each element, of surface Si such that all the line segments D connecting any point R of the molded surface Sm at point C pass only inside the ingot, and in that the total area of the element, or elements, of surface Si is at least equal to 10% of the molded surface Sm.
  • the molded surface Sm corresponds to the part of the total surface of the ingot which has been shaped by the ingot mold, namely the initial surface So.
  • the rest of the surface of the ingot, or gross surface Sb typically corresponds to the upper part of the initial mass of liquid metal.
  • the total area of the element, or elements, with a surface area Si is at least equal to 15% of the molded surface Sm, and more preferably at least equal to 20% of the molded surface Sm.
  • the invention also relates to the use of an ingot mold according to the invention for the manufacture of metal ingots.
  • the invention also relates to a method for manufacturing metal ingots using an ingot mold according to the invention.
  • the invention is particularly suitable for the manufacture of ingots made of non-ferrous metal, in particular aluminum, aluminum alloy, magnesium, magnesium alloy, zinc or zinc alloy.
  • Figures 1 and 2 illustrate, viewed in longitudinal section, two molds typical of the prior art and the effect of the contraction of the metal during its cooling and solidification.
  • FIG. 3 represents an ingot mold according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates, viewed in longitudinal section, an ingot mold according to the invention and the effect of the contraction of the metal during its cooling and its solidification.
  • Figure 5 illustrates mold profiles according to variants of the invention.
  • an ingot mold (1) typically comprises a wall (2), generally made of metal and / or refractory material, and an opening (3) adapted to allow the admission of liquid metal into the ingot mold.
  • the wall (2) defines a bottom (4), side walls (2 ') and end walls (2 ").
  • the wall (2) has an interior surface (5) and form elements (6, 7, 8) intended to give a specific shape to the ingot These shape elements make it possible, in particular, to obtain locking or handling elements for the ingot.
  • the liquid metal (10) initially fills a volume Vo and comes into contact with the wall (2) on a part So of the internal cooling surface S.
  • the ratio between the area Ao of the surface So and the volume Vo of the metal liquid is then high, typically of the order of 0.5 cm "1.
  • the metal contracts (occupying a volume Vo 'smaller than Vo) and detaches from the wall in several places, thus forming air gaps (9).
  • the area Ar of the residual contact surface Sr is significantly smaller than the initial area Ao.
  • the Applicant estimates that the area of the residual surface obtained with the ingot molds of the prior art is much less than 10% of the initial area (typically of the order of 5%). , a small reduction in the volume Vo leads to a considerable increase in the resistance e thermal.
  • the shape is such that, during the contraction of the volume Vo of metal caused by its cooling and its solidification, the metal remains in contact with at least 10% of the cooling surface S.
  • the metal ingot mold (1) which is intended for the manufacture of an ingot (11) by cooling and solidification of a mass of liquid metal (10), has a wall (2) and an opening (3), said wall (2) defining a bottom (4) and an interior surface (5) of which a part S, called the cooling surface, is capable of evacuating all or part of the thermal energy released by the mass of metal (10) during its cooling and solidification, said wall (2) comprising at least one form element (6, 7, 8) intended to form at least one locking element, one element stacking or a handling element on the ingot (11), and is characterized in that the cooling surface S comprises at least one planar surface element Si forming all or part of the bottom (4) of the ingot mold (1) , in that there exists at least one point C on a plane Pi tangent to the element, or to c each element, of surface If such that all the line segments D connecting any point R of the cooling surface S to point C pass only inside the ingot mold (1), and in that the total area of l element
  • the line segments D do not touch any other point on the surface S, except those of the surface elements Si.
  • the total area of the element, or elements, of surface Si is at least equal to 15% of the surface S, and more preferably at least equal to 20% of the surface S.
  • the effect of gravitation is taken into account by the fact that the surface element (s) Si are located at the bottom of the mold.
  • point C is preferably such that the center of mass of the contracted volume Vo ', corresponding to the contracted surface So', is at the lowest point possible with respect to the normal direction of use of the ingot mold, c ' that is, it is not possible to move the contracted surface So 'vertically downwards without producing an intersection between So' and the internal surface (5) of the mold.
  • the homothetic contraction leaves the contracted surface So 'at the lowest gravitational level relative to the direction of use of the ingot mold.
  • the ingot molds according to the invention thus make it possible to maintain a significantly larger residual contact surface than the ingot molds of the prior art.
  • the exact value of the quantity K is not critical for the operation of the invention, as long as it is representative of the thermal contraction values obtained with the metals. It is sufficient to use a homothetic ratio K of less than about 1% to determine the appropriate cooling surface shapes.
  • the volume contractions of the metal, from Vo to Vo ', shown in the appended figures have been deliberately exaggerated in order to better illustrate the principle of the invention.
  • the surface elements Si are advantageously inclined at an angle otj relative to the initial normal level N of the liquid metal (10). Said level N is typically parallel to the outer edge (16) of the opening (3) of the mold (1).
  • the angle (Xi is preferably less than 30 °, and preferably less than 20 °, in order to optimize the volume of the ingot while freeing up a space under it which makes it possible to pass a strap during the stacking of the ingots obtained.
  • the cooling surface S normally comprises more than 5 distinct surface elements, namely at least two side walls (2 '), two walls of end (2 ") and a bottom (4).
  • the mold shown in Figure 3 has at least 10 separate surface elements (including the side walls (2 ')).
  • the ingot mold according to the invention typically comprises an even number of surface elements Si.
  • the number of surface elements Si is preferably equal to 2 (as illustrated in FIGS. 3 and 4) in order to simplify its production and d 'more easily obtain a very large residual contact area.
  • the surface elements Si are preferably contiguous (as illustrated in FIG. 3) in order to make it possible to maximize the residual contact surface.
  • FIG. 3 illustrates a particularly advantageous embodiment of the invention in which there are two surface elements Si, denoted Si and S 2 , which are not in the same plane and which intersect at point C.
  • the FIG. 5 illustrates variants of the invention in which the bottom (4) comprises additional shaped elements (14, 15).
  • the surface elements Si may have different areas Ai and be inclined at a different angle Oj.
  • the latter advantageously has a main axis A and a plane of symmetry B perpendicular to its main axis A, and the point C is located in the plane of symmetry B.
  • the angle ai is the same for the surface elements Si arranged symmetrically.
  • the outer edge (16) of the opening (3) of the mold (1) is preferably substantially straight and perpendicular to the plane B and the normal initial level N of the liquid metal (10) is substantially parallel to said edge. exterior (16).
  • none of the angles between the elements of the internal surface of the ingot mold is less than 90 ° in order to avoid forming blocking zones of the ingot in the ingot mold which would hamper its extraction.
  • the locking elements typically comprise protruding elements (pins, bosses, studs, etc.) and hollow elements (notches, grooves, etc.), which cooperate to allow each ingot to be retained by the ingots. neighbors.
  • the stacking elements typically include protruding or recessed elements (such as recesses) which allow the ingots to be stacked optimally and / or which make it possible to place means for stabilizing the stack, such as straps .
  • the handling elements typically comprise protruding and / or recessed elements which form gripping means, such as "ears" or handles.
  • the invention also relates to a metal ingot (11) comprising a molded surface Sm and a rough surface Sb, comprising at least one element chosen from the locking elements, the stacking elements and the handling elements and characterized in that the molded surface Sm comprises at least one plane surface element Si, in that there is at least one point C on a plane Pi tangent to the element, or to each element, of surface Si such that all the segments on the right D connecting any point R of the molded surface Sm to point C pass only inside the ingot (11), and in that the total area of the element, or elements, of surface Si is at least equal to 10% of the molded surface Sm.
  • a homothetic contraction of the surface Sm does not generate an intersection between the contracted surface Sm 'thus obtained and the molded surface Sm.
  • the total area of the element, or elements, with a surface area Si is at least equal to 15% of the molded surface Sm, and more preferably at least equal to 20% of the molded surface Sm.
  • Each surface element Si is advantageously inclined at an angle Oj relative to the gross surface Sb of the ingot, which makes it possible to optimize the volume of the ingot while freeing up a space under it which allows a strap to be passed during stacking ingots.
  • the angle Oi is preferably less than 30 °, and more preferably less than 20 °.
  • the Applicant has noted that the free space thus obtained was particularly advantageous since it makes it possible to use a strap made of flexible material, such as polyester, which ensures good resistance of the stack, when the ingots are stacked, without risking that 'it wears out when handling the stack. Indeed, in the absence of this free space, the strap can rub on the ground and wear by abrasion. It is generally sufficient that the depth H of the free space under the ingot obtained is between 6 and 12 mm for an ingot with a total length of approximately 70 cm.
  • the ingot according to the invention typically comprises an even number of surface elements Si, and preferably two surface elements Si in order to simplify its manufacture.
  • the two surface elements Si are typically contiguous.
  • the ingot has a main axis A and a plane of symmetry B perpendicular to its main axis A, and the point C is located in the plane of symmetry B.
  • the angle Oi is the same for the surface elements Si arranged symmetrically.
  • the number of surface elements Si is preferably equal to 2 (as illustrated in FIGS. 3 to 5).
  • the surface elements Si are preferably contiguous (as illustrated in FIGS. 3 and
  • these preferably include handling elements (13), typically two end elements, called “ears”, as illustrated in FIG. 4.
  • the ingot according to the invention which is typically a stackable ingot, can be obtained with the ingot mold according to the invention.
  • the invention also relates to a method for manufacturing metal ingots in which a volume Vo of liquid metal is poured into an ingot mold according to the invention, the ingot mold is subjected to a flow of cooling fluid (typically water ) and the ingot is extracted after cooling and solidification of the metal.
  • a flow of cooling fluid typically water
  • the metal is typically aluminum, an aluminum alloy, magnesium, a magnesium alloy, zinc or a zinc alloy.
  • the invention makes it possible to obtain ingots free of bubbles and cracks originating from the shrinkage of the metal during its cooling.
  • the solidification times were respectively greater than 350 s for the ingot molds of the prior art and of the order of 335 s for the ingot molds according to the invention.
  • the solidification times obtained with ingot molds of the prior art were very dispersed (standard deviation greater than 30 s), whereas they were little dispersed with the ingot molds according to the invention (standard deviation less than 3 sec).
  • the ingots obtained with the ingot molds according to the invention were generally free from shrinkage and cracks.
  • the total internal surface of the ingot molds (including the side walls (2 ′)) of the prior art and according to the invention was approximately 2300 cm 2 .
  • the Applicant estimates that the value of the residual contact surface was approximately 5% of the total surface for the ingot molds of the prior art and approximately 20% of the total surface with the ingot molds according to the invention.

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  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
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  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)
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Abstract

L'invention a pour objet une lingotière à métaux (1), destinée à la fabrication d'un lingot par refroidissement et solidification d'une masse de métal liquide, comportant une paroi (2) qui définit un fond (4) et une surface intérieure (5) dont une partie S, dite surface de refroidissement, apte à évacuer tout ou partie de l'énergie thermique dégagée par la masse de métal au cours de son refroidissement et de sa solidification, et caractérisée en ce que la surface de refroidissement S comprend au moins un élément de surface plan Si formant tout ou partie du fond (4) de la lingotière (1), en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à chaque élément de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface de refroidissement S au point C passent uniquement à l'intérieur de la lingotière (1), et en ce que l'aire totale des éléments de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface S. La lingotière selon l'invention permet d'accélérer la fabrication des lingots.

Description

LINGOTIERE A METAUX A REFROIDISSEMENT RAPIDE ET LINGOTS SUSCEPTIBLES D'ETRE OBTENUS AVEC CELLE-CI
Domaine de l'invention
La présente invention concerne la fonderie des métaux non ferreux, notamment l'aluminium et ses alliages. Elle concerne tout particulièrement les lingots de métal, notamment les lingots empilables, et les lingotières qui permettent de les obtenir.
Etat de la technique
Les lingots de métal sont produits par verse de métal liquide dans une lingotière de forme déterminée. Le métal liquide se refroidit, se solidifie et donne un lingot ayant la forme du volume intérieur de la lingotière.
Les lingots ont, pour la plupart, une forme qui permet leur stockage par empilage et la manutention des empilements obtenus. Les empilements peuvent être stabilisés par une ou plusieurs sangles. En général, les lingots sont également dotés de moyens pour limiter de volume des empilements et pour les auto-stabiliser. Ces moyens sont typiquement des éléments de verrouillage ("interlocking means" en anglais), tels que des éléments en saillie (tétons, bossages, plots,...) et des éléments en creux (encoches, rainures,...), qui coopèrent pour permettre à chaque lingot d'être retenu par les lingots voisins. Plusieurs formes de lingots et de lingotières ont été proposées, telles que celles décrites dans le brevet français FR 1 310 651 (correspondant au brevet américain US 3 161 477) de Pechiney, le brevet américain US 3 570 664 de l' American Magnésium Co., les brevets américains US 3 498 451 et US 3 671 204 de Ormet Corp., le brevet français FR 2 068 802 (correspondant à la demande britannique GB 1 315 134) d'Intalco Aluminum Corp., le brevet d'Union soviétique SU 1 065 076 de l'Institut de recherches scientifiques et d'études techniques de PU.R.S.S. pour l'industrie de l'aluminium, du magnésium et des électrodes, et la demande française FR 2 678 185 de Sollac. Problème posé
La vitesse du processus de fabrication des lingots par refroidissement et solidification des lingots est un facteur déterminant de la productivité d'une fonderie. Ainsi, dans les chaînes de production industrielle de lingots de métal, l'évacuation de la chaleur du métal contenu dans les lingotières est généralement accélérée à l'aide d'un fluide de refroidissement, typiquement de l'eau, qui est mis en contact thermique avec la surface extérieure des lingotières. Toutefois, compte tenu de l'augmentation permanente de la capacité de production des usines de production de métal, notamment des usines de production d'aluminium par électrolyse, la fabrication des lingots peut devenir une étape limitant la production d'une usine. Il y a par conséquent une recherche permanente de solutions pour accélérer la fabrication des lingots, tout en préservant la qualité des lingots obtenus et la possibilité de les empiler de manière stable.
Description de l'invention
L'invention a pour objet une lingotière à métaux, destinée à la fabrication de lingots par refroidissement et solidification d'une masse de métal liquide de volume initial Vo, comportant une surface intérieure de refroidissement S destinée à l'évacuation de tout ou partie de l'énergie thermique dégagée par la masse de métal liquide lors de son refroidissement et de sa solidification, et caractérisée en ce que la surface de refroidissement S possède une forme telle que, lors de la contraction du volume Vo de métal provoquée par son refroidissement et sa solidification, le métal reste en contact avec au moins 10 % de la surface S.
De préférence, le métal reste en contact avec au moins 15 % de la surface S, et de préférence encore au moins 20 % de la surface S.
Dans sa recherche de solutions au problème posé à l'invention, la demanderesse a constaté que, de manière inattendue, le temps de refroidissement effectif des lingots, depuis la verse du métal liquide dans la lingotière jusqu'à l'extraction du lingot solidifié, était en fait nettement plus long que ne le prévoyaient les estimations à partir de calculs thermiques et que l'importance de ce phénomène dépendait fortement de la forme même de la lingotière. Elle a alors eu l'idée que le rallongement du refroidissement était en fait en grande partie attribuable à un problème de contact thermique entre le métal et la lingotière et a noté que, contre toute attente, la contraction du métal lors de sa solidification produit, en de nombreux endroits, une légère séparation entre le lingot et la surface intérieure de la lingotière. Bien que faible, cette séparation crée une lame d'air qui réduit sensiblement les échanges thermiques entre le lingot et la paroi de lingotière. Les échanges thermiques ne se font alors pratiquement plus que sur des surfaces très restreintes à l'interface entre le lingot et la lingotière.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la lingotière à métaux est caractérisée en ce que la surface de refroidissement comprend au moins un élément de surface plan Si, formant de préférence tout ou partie du fond de la lingotière, en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface de refroidissement S au point C passent uniquement à l'intérieur de la lingotière, et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface de refroidissement S.
De préférence, l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 15 % de la surface de refroidissement S, et de préférence encore au moins égale à 20 % de la surface de refroidissement S.
L'invention a également pour objet un lingot en métal, susceptible d'être obtenu avec une lingotière selon l'invention, comportant une surface moulée Sm et une surface brute Sb, et caractérisé en ce que la surface moulée Sm comprend au moins un élément de surface plan Si, en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface moulée Sm au point C passent uniquement à l'intérieur du lingot, et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface moulée Sm.
La surface moulée Sm correspond à la partie de la surface totale du lingot qui a été mise en forme par la lingotière, à savoir la surface initiale So. Le reste de la surface du lingot, ou surface brute Sb, correspond typiquement à la partie supérieure de la masse de métal liquide initiale.
De préférence, l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 15 % de la surface moulée Sm, et de préférence encore au moins égale à 20 % de la surface moulée Sm.
L'invention a encore pour objet l'utilisation d'une lingotière selon l'invention pour la fabrication de lingots en métal.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de lingots en métal utilisant une lingotière selon l'invention.
L'invention est particulièrement adaptée à la fabrication de lingots en métal non ferreux, notamment en aluminium, en alliage d'aluminium, en magnésium, en alliage de magnésium, en zinc ou en alliage de zinc.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures annexées et de la description détaillée ci-dessous qui en décrivent un mode de réalisation préféré.
Les figures 1 et 2 illustrent, vues en section longitudinale, deux lingotières typiques de l'art antérieur et l'effet de la contraction du métal au cours de son refroidissement et de sa solidification.
La figure 3 représente une lingotière selon l'invention. La figure 4 illustre, vue en section longitudinale, une lingotière selon l'invention et l'effet de la contraction du métal au cours de son refroidissement et de sa solidification.
La figure 5 illustre des profils de lingotières selon des variantes de l'invention.
Description détaillée de l'invention
Comme le montrent les figures annexées, une lingotière (1) comprend typiquement une paroi (2), généralement en métal et/ou en matériau réfractaire, et une ouverture (3) apte à permettre l'admission de métal liquide dans la lingotière. La paroi (2) définit un fond (4), des parois latérales (2') et des parois d'extrémité (2"). La paroi (2) possède une surface intérieure (5) et des éléments de forme (6, 7, 8) destinés à donner une forme déterminée au lingot. Ces éléments de forme permettent d'obtenir, notamment, des éléments de verrouillage ou de manutention du lingot.
Le métal liquide (10) remplit initialement un volume Vo et entre en contact avec la paroi (2) sur une partie So de la surface intérieure de refroidissement S. Le rapport entre l'aire Ao de la surface So et le volume Vo du métal liquide est alors élevé, soit typiquement de l'ordre de 0,5 cm"1. Au cours du refroidissement et de la solidification, le métal se contracte (occupant un volume Vo' plus faible que Vo) et se détache de la paroi en plusieurs endroits, formant ainsi des lames d'air (9). Comme le montrent les figures 1 et 2, dans le cas des lingotières de l'art antérieur, l'aire Ar de la surface de contact résiduelle Sr est nettement plus faible que l'aire initiale Ao. La demanderesse estime que l'aire de la surface résiduelle obtenue avec les lingotières de l'art antérieur est nettement inférieure à 10 % de l'aire initiale (typiquement de l'ordre de 5 %). Par conséquent, une faible réduction du volume Vo conduit à une augmentation considérable de la résistance thermique.
Selon l'invention, il est possible de maintenir une surface de contact élevée, en dépit de la contraction du métal, grâce à l'utilisation d'une forme appropriée de la surface intérieure de la lingotière. De préférence, la forme est telle que, lors de la contraction du volume Vo de métal provoquée par son refroidissement et sa solidification, le métal reste en contact avec au moins 10 % de la surface de refroidissement S.
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la lingotière à métaux (1), qui est destinée à la fabrication d'un lingot (11) par refroidissement et solidification d'une masse de métal liquide (10), comporte une paroi (2) et une ouverture (3), ladite paroi (2) définissant un fond (4) et une surface intérieure (5) dont une partie S, dite surface de refroidissement, est apte à évacuer tout ou partie de l'énergie thermique dégagée par la masse de métal (10) au cours de son refroidissement et de sa solidification, ladite paroi (2) comportant au moins un élément de forme (6, 7, 8) destiné à former au moins un élément de verrouillage, un élément d'empilement ou un élément de manutention sur le lingot (11), et est caractérisée en ce que la surface de refroidissement S comprend au moins un élément de surface plan Si formant tout ou partie du fond (4) de la lingotière (1), en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface de refroidissement S au point C passent uniquement à l'intérieur de la lingotière (1), et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface de refroidissement S.
En d'autres termes, les segments de droite D ne touchent aucun autre point de la surface S, sauf ceux des éléments de surface Si.
De préférence, l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 15 % de la surface S, et de préférence encore au moins égale à 20 % de la surface S.
L'impact de la contraction du métal provoquée par le refroidissement et la solidification du métal liquide (10), qui est initialement en contact avec une partie So de la surface de refroidissement S, peut être visualisée, de manière approximative, par une contraction homothétique de la surface So, d'une quantité K relativement faible par rapport au point C. On voit sur la figure 4 que, dans une lingotière selon l'invention, la contraction ne génère pas d'intersection entre la surface contractée So' ainsi obtenue et la surface So initiale et permet de maintenir pratiquement inchangée l'aire de chaque surface Si du fond (4) (dans le cas illustré à la figure 4, le fond comporte deux surfaces Si, qui sont identifiées par les repères SÎ et S2 à la figure 3). En fait, la contraction homothétique maintient la surface contractée So' en contact avec le ou les éléments de surface Si par glissement dans leur plan Pi. Lorsqu'il y plus d'un élément de surface Si, le point C se trouve à l'intersection des plans respectifs Pls P2,..., tel qu'illustré à la figure 3.
L'effet de la gravitation est pris en compte par le fait que le ou les éléments de surface Si sont situés au fond de la lingotière. En pratique, le point C est de préférence tel que le centre de masse du volume contracté Vo', correspondant à la surface contractée So', est au point le plus bas possible par rapport au sens d'utilisation normal de la lingotière, c'est-à-dire qu'il n'est pas possible de déplacer verticalement vers le bas la surface contractée So' sans produire une intersection entre So' et la surface intérieure (5) de la lingotière. En d'autres termes, la contraction homothétique laisse la surface contractée So' au niveau gravitationnel le plus bas par rapport au sens d'utilisation de la lingotière. Les lingotières selon Pinvention permettent ainsi de maintenir une surface de contact résiduelle nettement plus grande que les lingotières de l'art antérieur.
La valeur exacte de la quantité K, appelée « rapport d'homothétie », n'est pas critique pour le fonctionnement de l'invention, du moment qu'elle est représentative des valeurs de contraction thermiques obtenues avec les métaux. Il est suffisant d'utiliser un rapport d'homothétie K inférieur à environ 1 % pour déterminer les formes de surface de refroidissement appropriées. Les contractions de volume du métal, de Vo à Vo', représentées dans les figures annexées ont été volontairement exagérées afin de mieux illustrer le principe de l'invention.
Les éléments de surface Si sont avantageusement inclinés d'un angle otj par rapport au niveau normal N initial du métal liquide (10). Ledit niveau N est typiquement parallèle au bord extérieur (16) de l'ouverture (3) de la lingotière (1). L'angle (Xi est de préférence inférieur à 30°, et de préférence inférieur à 20°, afin d'optimiser le volume du lingot tout en libérant un espace sous celui-ci qui permet de passer une sangle lors de l'empilement des lingots obtenus.
Afin de former les éléments de forme (6, 7, 8, 14, 15), la surface de refroidissement S comporte normalement plus de 5 éléments de surface distincts, à savoir au moins deux parois latérales (2'), deux parois d'extrémité (2") et un fond (4). Par exemple, la lingotière illustrée à la figure 3 comporte au moins 10 éléments de surface distincts (en incluant les parois latérales (2')).
La lingotière selon l'invention comporte typiquement un nombre pair d'éléments de surface Si. Le nombre d'éléments de surface Si est de préférence égal à 2 (tel qu'illustré aux figures 3 et 4) afin de simplifier sa réalisation et d'obtenir plus facilement une très grande surface de contact résiduelle. Les éléments de surface Si sont de préférence jointifs (tel qu'illustré à la figure 3) afin de permettre de maximiser la surface contact résiduelle.
La figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention, particulièrement avantageux, dans lequel il y a deux éléments de surface Si, dénotée Si et S2, qui ne sont pas dans le même plan et qui se croisent au point C. La figure 5 illustre des variantes de l'invention dans lesquelles le fond (4) comporte des éléments de forme supplémentaires (14, 15).
Les éléments de surface Si peuvent avoir des aires Ai différentes et être inclinés d'un angle Oj différent. Afin de simplifier la réalisation et l'utilisation de la lingotière selon l'invention, celle-ci possède avantageusement un axe principal A et un plan de symétrie B perpendiculaire à son axe principal A, et le point C se situe dans le plan de symétrie B. Dans ce mode de réalisation, l'angle ai est le même pour les éléments de surface Si disposés symétriquement. Dans ce cas, le bord extérieur (16) de l'ouverture (3) de la lingotière (1) est de préférence sensiblement droit et perpendiculaire au plan B et le niveau normal N initial du métal liquide (10) est sensiblement parallèle audit bord extérieur (16). De préférence, aucun des angles entre les éléments de la surface intérieure de la lingotière n'est inférieur à 90° afin d'éviter de former des zones de blocage du lingot dans la lingotière qui gêneraient son extraction.
Les éléments de verrouillage comprennent typiquement des éléments en saillie (tétons, bossages, plots,...) et des éléments en creux (encoches, rainures,...), qui coopèrent pour permettre à chaque lingot d'être retenu par les lingots voisins. Les éléments d'empilement comprennent typiquement des éléments en saillie ou en creux (tels que des enfoncements) qui permettent d'empiler les lingots de manière optimale et/ou qui permettent de placer des moyens de stabilisation de l'empilement, tels que des sangles. Les éléments de manutention comprennent typiquement des éléments en saillie et/ou en creux qui forment des moyens de préhension, tels que des "oreilles" ou des poignées.
L'invention a également pour objet un lingot (11) en métal comportant une surface moulée Sm et une surface brute Sb, comportant au moins un élément choisi parmi les éléments de verrouillage, les éléments d'empilement et les éléments de manutention et caractérisé en ce que la surface moulée Sm comprend au moins un élément de surface plan Si, en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface moulée Sm au point C passent uniquement à l'intérieur du lingot (11), et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface moulée Sm.
Ainsi, à l'image du cas de la lingotière selon l'invention, une contraction homothétique de la surface Sm, d'une quantité K déterminée par rapport au point C, ne génère pas d'intersection entre la surface contractée Sm' ainsi obtenue et la surface moulée Sm. De préférence, l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 15 % de la surface moulée Sm, et de préférence encore au moins égale à 20 % de la surface moulée Sm.
Chaque élément de surface Si est avantageusement incliné d'un angle Oj par rapport à la surface brut Sb du lingot, ce qui permet d'optimiser le volume du lingot tout en libérant un espace sous celui-ci qui permet de passer une sangle lors de l'empilement des lingots. L'angle Oi est de préférence inférieur à 30°, et de préférence encore inférieur à 20°. La demanderesse a noté que l'espace libre ainsi obtenu était particulièrement avantageux car il permet d'utiliser une sangle en matériau souple, tel que le polyester, qui assure une bonne tenue de l'empilement, lorsque les lingots sont empilés, sans risquer qu'elle s'use lors de la manutention de l'empilement. En effet, en l'absence de cet espace libre, la sangle peut frotter sur le sol et s'user par abrasion. Il est généralement suffisant que la profondeur H de l'espace libre sous le lingot obtenu soit compris entre 6 et 12 mm pour un lingot d'une longueur totale de 70 cm environ.
Le lingot selon F invention comporte typiquement un nombre pair d'éléments de surface Si, et de préférence deux éléments de surface Si afin de simplifier sa fabrication. Dans ce dernier cas, les deux éléments de surface Si sont typiquement jointifs.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le lingot possède un axe principal A et un plan de symétrie B perpendiculaire à son axe principal A, et le point C se situe dans le plan de symétrie B. Dans ce mode de réalisation, l'angle Oi est le même pour les éléments de surface Si disposés symétriquement. Le nombre d'éléments de surface Si est de préférence égal à 2 (tel qu'illustré aux figures 3 à 5). Les éléments de surface Si sont de préférence jointifs (tel qu'illustré aux figures 3 et
4). De manière à faciliter la manutention des lingots selon l'invention, ceux-ci comprennent de préférence des éléments de manutention (13), typiquement deux éléments d'extrémité, appelés « oreilles », tel qu'illustré à la figure 4.
Le lingot selon l'invention, qui est typiquement un lingot empilable, peut être obtenu avec la lingotière selon l'invention.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de lingots en métal dans lequel on verse un volume Vo de métal liquide dans une lingotière selon l'invention, on soumet la lingotière à un flux de fluide de refroidissement (typiquement de l'eau) et on extrait le lingot après refroidissement et solidification du métal.
Le métal est typiquement de l'aluminium, un alliage d'aluminium, du magnésium, un alliage de magnésium, du zinc ou un alliage de zinc.
L'invention permet d'obtenir des lingots exempts de bulles et de fissures provenant de la retassure du métal lors de son refroidissement.
Elle permet également d'éviter le blocage des lingots dans la lingotière, par contraction thermique. Le démoulage des lingots en est facilité, ce qui contribue également à accélérer les opérations de fabrication des lingots.
Essais
Des essais comparatifs ont été réalisés avec des lingotières en métal similaires à celles représentées à la figure 2 (art antérieur) et à la figure 3 (invention). Le métal était de l'aluminium. Le volume de métal coulé était typiquement 23 et 28 kg.
Les temps de solidification étaient respectivement supérieurs à 350 s pour les lingotières de l'art antérieur et de l'ordre de 335 s pour les lingotières selon l'invention. En outre, les temps de solidification obtenus avec des lingotières de l'art antérieur étaient très dispersées (écart type supérieur à 30 s), alors qu'elles étaient peu dispersés avec les lingotières selon l'invention (écart type inférieure à 3 sec). Les lingots obtenus avec les lingotières selon l'invention étaient généralement exemptes de retassures et de fissures.
La surface intérieure totale des lingotières (y compris les parois latérales (2')) de l'art antérieur et selon l'invention était de 2300 cm2 environ. La demanderesse estime que la valeur de la surface de contact résiduelle était de 5 % environ de la surface totale pour les lingotières de l'art antérieur et de 20 % environ de la surface totale avec les lingotières selon l'invention.
Liste des repères numériques
1 Lingotière à métaux
2 Paroi 2' Parois latérales
2" Parois d'extrémité
3 Ouverture
4 Fond
5 Surface intérieure 6, 7, 8 Eléments de forme
9 Lames d'air
10 Métal liquide
11 Lingot
12 Surface libre du métal liquide 13 Eléments de manutention
14, 15 Eléments de forme
16 Bord extérieur de l'ouverture de la lingotière

Claims

REVENDICATIONS
1. Lingotière à métaux (1) destinée à la fabrication d'un lingot (11) par refroidissement et solidification d'une masse de métal liquide (10), comportant une paroi (2) et une ouverture (3), ladite paroi (2) définissant un fond (4) et une surface intérieure (5) dont une partie S, dite surface de refroidissement, est apte à évacuer tout ou partie de l'énergie thermique dégagée par la masse de métal (10) au cours de son refroidissement et de sa solidification, ladite paroi (2) comportant au moins un élément de forme (6, 7, 8) destiné à former au moins un élément de verrouillage, un élément d'empilement ou un élément de manutention sur le lingot (11), et caractérisée en ce que la surface de refroidissement S comprend au moins un élément de surface plan Si formant tout ou partie du fond (4) de la lingotière (1), en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface de refroidissement S au point C passent uniquement à l'intérieur de la lingotière (1), et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface de refroidissement S.
2. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 15 % de la surface de refroidissement S.
3. Lingotière selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 20 % de la surface de refroidissement S.
4. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque élément de surface Si est incliné d'un angle oti par rapport au niveau normal N initial du métal liquide (10).
5. Lingotière selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'angle 0Ci est inférieur à 30°, et de préférence inférieur à 20°.
6. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un nombre pair d'éléments de surface Si.
7. Lingotière selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte deux éléments de surface Si.
8. Lingotière selon la revendication 7, caractérisée en ce que les deux éléments de surface Si sont jointifs.
9. Lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle possède un axe principal A et un plan de symétrie B perpendiculaire à son axe principal A, et en ce que le point C se situe dans le plan de symétrie B.
10. Lingot (11) en métal comportant une surface moulée Sm et une surface brute Sb, comportant au moins un élément choisi parmi les éléments de verrouillage, les éléments d'empilement et les éléments de manutention, et caractérisé en ce que la surface moulée Sm comprend au moins un élément de surface plan Si, en ce qu'il existe au moins un point C sur un plan Pi tangent à l'élément, ou à chaque élément, de surface Si tel que tous les segments de droite D reliant tout point R de la surface moulée Sm au point C passent uniquement à l'intérieur du lingot (11), et en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 10 % de la surface moulée Sm.
11. Lingot selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 15 % de la surface moulée Sm.
12. Lingot selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'aire totale de l'élément, ou des éléments, de surface Si est au moins égale à 20 % de la surface moulée Sm.
13. Lingot selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que chaque élément de surface Si est incliné d'un angle Oj par rapport à la surface brut Sb du lingot.
14. Lingot selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'angle 0Cj est inférieur à 30°, et de préférence inférieur à 20°.
15. Lingot selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte un nombre pair d'éléments de surface Si.
16. Lingot selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments de surface Si.
17. Lingot selon la revendication 16, caractérisé en ce que les deux éléments de surface Si sont jointifs.
18. Lingot selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, caractérisé en ce qu'il possède un axe principal A et un plan de symétrie B pe endiculaire à son axe principal A, et en ce que le point C se situe dans le plan de symétrie B.
19. Utilisation de la lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la fabrication de lingots en métal.
20. Utilisation selon la revendication 19, caractérisée en ce que le métal est un métal non ferreux.
21. Utilisation selon la revendication 20, caractérisée en ce que le métal non feπeux est choisi parmi l' aluminium, les alliages d'aluminium, le magnésium, les alliages de magnésium, le zinc et les alliages de zinc.
22. Procédé de fabrication de lingots en métal dans lequel on verse un volume Vo de métal liquide dans une lingotière selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, on soumet la lingotière à un flux de fluide de refroidissement et on extrait le lingot après refroidissement et solidification du métal.
23. Procédé de fabrication selon la revendication 22, caractérisée en ce que le métal est un métal non feπeux.
24. Procédé de fabrication selon la revendication 23, caractérisée en ce que le métal non feπeux est choisi parmi l'aluminium, les alliages d'aluminium, le magnésium, les alliages de magnésium, le zinc et les alliages de zinc.
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