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"Perfectionnement à la coulée continue de métaux".
L'invention concerne la coulée continue de métaux et plus particulièrement l'amenée automatique de métaux à un moule pour couler de manière continue des billettes ou des lingots d'au" très formes à base de cuivre.
Dans un système ordinaire de coulée continue, le moule est espacé sous le récipient contenant le métal fondu à cou- ler. Le métal s'écoule du récipient par un tube d'alimentation dans la partie supérieure ouverte du moule, à une vitesse correspondant à celle à laquelle on retire le produit solidifié du fond du moule. Le métal fondu dans le moule possède sa pro- pre surface libre et des précautions sont nécessaires pour maintenir cette surface libre au niveau correct. On a proposé
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jusqu'ici un système de soupape pour contrôler automatique- ment l'écoulement du mtal dans le moule, afin de maintenir la surface libre au niveau correct pendant la coulée.
Ce système de soupape comprend un organe d'obturation mobile avec une soupape venant en contact avec un siège sur le tube d'alimentation descendant. La soupape se rapproche et s'écarte du siège, en assurant un étranglement variable de l'ouverture qui contrôle l'écoulement du métal dans le moule.
Les systèmes antérieurs présentent un ou plusieurs des inconvénients suivants. Certains organes d'obturation engagent des parties fixes de l'équipement et ne se déplacent pas d'une manière réellement libre. Certains systèmes utilisent des contrepoids pour équilibrer le poids de l'obturateur mobile.
Certains autres possèdent des joints qui sont sujets à l'atta- que du métal fondu. Certaines soupapes se placent oblique- ment et n'assurent qu'une fermeture imparfaite. Dans certains cas, la soupape ne peut pas être enlevée du moule en même temps que la poche de coulée à laquelle elle est attachée.
Dans d'autres cas encore, la soupape ne peut résister aux hautes températures de fusion, ni à l'action corrosive de métaux tels que le cuivre ou le fer.
Un but de la présente invention est d'éliminer certains inconvénients ci-dessus ou la totalité de ceux-ci et de four- nir un dispositif qui soit de construction simple et de fono- tionnement sur.
Suivant une forme préférée de l'invention, la soupape est constituée par un tube suspendu sous le récipient conte- nant le métal à couler et s'étendant dans le haut du moule, en-dessous de sa surface libre. A l'intérieur du tube, se trou- ve une tige portant dans le bas une cuvette entourant le tube.
L'extrémité supérieure de la tige porte une butée ou une tête qui maintient la tige et la cuvette asaemblées au ré-
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oipient, de sorte qu'on peut écarter celui-ci du moule en même temps que la soupape. Les parties mobiles de la soupape constituent un organe d'obturation et sont en une matière d'un poids spécifique moindre que le métal en voie de coulée. Dans le cas d'un métal à base de cuivre, cette matière est, de pré- férence, un graphite argileux.
En substance,l'entièreté de l'obturateur est immergée dans le métal fondu, c'est-à-dire l'arbre, la butée et la plus grande partie de la cuvette, et ainsi, toutes les pièces sont disponibles pour permettre à l'obturateur de flotter.
Cette flottabilité permet donc de fermer le tube l'alimenta- tion quand le niveau du métal dans le moule s'élève trop haut et de l'ouvrir quand le niveau du métal dans le moule descend trop bas.
D'autres buts et caractéristiques de l'invention appa- raîtront mieux à la lecture de la description suivante, faite en se reportant au dessin annexé où l'unique figure est une cou- pe verticale axiale partielle dans un récipient contenant le métal fondu et dans le moule auquel s'applique L'invention Le haut du réoipient et le fond du moule sont découpés pour simplifier l'exposé.
Dans la description qui suit et dans les revendications, divers détails seront identifiés par des termes .spécifiques, pour la commodité, mais ces termes doivent s'entendre dans un sens aussi général que le permet le domaine d'application.
En se reportant au dessin, l'appareil représenté comprend un moule 10, un récipient 11 (qui peut être une poche trans- portable) et une soupape automatique 12. Le moule 10 est constitué par une chemise de métal 20 avec un revêtement 21 en'graphite et peut être du type divulgué et revendiqué dans le brevet américain n 3.098.269, daté du 23 juillet 1963, et désigné parfois sous le nom de moule stable.
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La présente invention est décrite en se reportant spéciale- ment à la coulée d'un cuivre phosphoreux désoxydé, mais elle s'applique à la coulée d'autres types de cuivre et d'autres mé- taux. Dans cette description, on suppose d'abord que l'opé- ration de coulée est commencée et que le procédé se déroule à toute vitesse.
Le moule 10 et la soupape 12 peuvent avoir une section transversale horizontale circulaire, tandis que la poche 11 peut avoir une section horizontale de forme quelconque. La position des parties de la soupape représentée au dessin est une position de marche normale avec la soupape partiellement ouverte.
La poche 11 est remplie jusqu'à un niveau approprié de cuivre phosphoreux fondu. Le cuivre fondu s'écoule de la poche 11 dans le moule. Il se solidifie dans celui-ci et la billette massive 13 est retirée du fond du moule d'une manière quelconque.
Quand l'appareil fonctionne à pleine vitesse, le métal est déversé et la billette retirée à une vitesse telle que le métal solidifie sous la forme d'un cratère 15 avec une ooquil- le Il+. La coquille Il+ est remplie de métal fondu ayant sa pro- pre surface libre 16 dans le moule. Le niveau correct du mé- tal fondu dans le moule est maintenu par la soupape automati- que 12 que l'on va décrire.
La soupape 12 comprend un siège 17 relativement fixe et un obturateur 18 relativement mobile. Le siège 17 est consti- tué par un tube d'alimentation 19 suspendu sous le fond du ré- cipient 11 et s'étendant sous la surface du métal fondu.dans le moule.10. Le tube 19 possède une bride supérieure élargie 32 avec un certain nombre de fentes 33 permettant au métal fondu de s'écouler dans le tube, même quand la butée 31 de la tige engage l'élargissement 32. Un ciment 39 maintient le tube 19
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serré dans le fond du récipient 11,
L'obturateur 18 est constitué par une cuvette 22 et une tige 23 avec une tête 31. La cuvette 23 a un fond 24 avec un certain nombre de trous d'alimentation 25, une paroi latérale 26 avec plusieurs trous d'alimentation 27 et un sommet ouvert 28.
La cuvette 22 est à peu près à demi-immergée dans le métal fondu du moule 10 et sa paroi latérale 26 s'étend au-dessus du sommet de celui-ci. L'arbre 23 passe librement dans le tube 19 et se raccorde au fond 24 de la ouverte 22. Le haut de la tige 23 porte une tête supérieure ronde agrandie 31 pouvant en- gager le sommet élargi 32 du tube 19 qui s'avance au-dessus du fond de la poche 11.
L'obturateur mobile 18 (formé de la cuvette et d'une tige@ est fait de graphite argileux qui a un poids spécifique moindre que le cuivre fondu coulé de manière continue. La flottabilité est obtenue par une immersion partielle de la ouvette 22 dans le métal fondu se trouvant dans le moule, par immersion de la butée 31 dans le métal fondu de la poche 11 et par immersion de la tige 23 dans le métal fondu du tube 19. Ce tube peut être en graphite argileux.
Pour la coulée du cuivre phosphoreux, on préfère utiliser une couche protectrice de particules discontinues d'une matière carbonacée, telle que le graphite en paillettes, le noir de fumée, l'anthracite pulvérisé, etc..., flottant sur la surface du métal fondu se trouvant dans le moule. Une partie de cette couverture 34 se trouve à l'extérieur de la cuvette 22 et une partie 35 peut être à l'intérieur de celle-ci. La présence de la couverture 35 dans la cuvette ne revêt pas une importance spéciale.
Pendant l'opération, aussi longtemps que le niveau 16 du métal dans le moule 10 reste à une hauteur normale, comme
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indiqué dans le dessin, le métal fondu continue à descendre, entre le tube d'alimentation 19 et la tige 23, vers le fond de la cuvette 22 pour gagner le cratère 15 par les trous de sortie 25 et 27.
Le fonctionnement de la soupape repose sur le principe d'Archimède selon lequel un corps immergé dans un fluide subit une poussée égale à la masse du fluide déplacé. Pour que l'opé- ration s'effectue correctement, la soupape doit monter et des- cendre avec la surface libre 16 du liquide du moule. Quand la surface libre s'élève,la soupape doit monter et quand la surface libre tombe, la soupape doit descendre.
Pour que l'obturateur 18 réponde aux changements survenue dans le niveau de la surface libre, il est nécessaire qu'une partie de elui-ci ressorte à tout moment au-dessus de la sarfa- ce libre 16 dans le moule. Dans la forme d'exécution illustrée, cette partie est le bord supérieur de la paroi 26 de la soupa- pe. L'immersion dans une mesure variable de ce bord est un facteur critique et c'est pour cette raison qu'on le désigne parfois sous le nom de "vernier" de l'obturateur.
A titre d'exemple d'une manière dont fonctionne ce ver- nier, supposons que le niveau du métal dans le moule soit suf- fisamment élevé pour fermer l'ouverture étranglée par la sou- pape ( entre le siège 17 et le fond 24 de la cuvette). Ceci signifie que le vernier doit être suffisamment immergé pour communiquer à l'obturateur une poussée vers le haut égale au poids H de métal fondu s'étendant de la surface supérieure 36 du métal se trouvant dane la poche au siège 17 de la soupa- pe. Ceci arrête tout écoulement du métal dans le moule.
Quand on retire la pièce coulée solidifiée du fond du moule, le niveau de métal fondu descend dans celui-ci et le degré d'immersion du vernier dans la cuvette 22 diminue. Ceci réduit la poussée vers le haut et permet au poids de métal
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fondu de faire descendre de force l'obturateur, d'ouvrir la sou- pape et de laisser couler le métal fondu par les trous de la cuvette dans le moule.
L'obturateur 18 continue naturellement à descendre aussi longtemps que le niveau du métal dans le moule s'abaisse; ceci s'accompagne d'une augmentation du débit du métal par la soupa- pe, en raison de l'élargissement de l'ouverture. Quand l'obtu- rateur descend et quand le débit de métal accru provoque le relèvement du niveau dans le moule, le bord de la cuvette est immergé dans une mesure plus grande, ce qui augmente la poussée vers le haut sur l'obturateur qui a tendance à fermer l'ouver- ture de la soupape.
Cette action régulatrice se poursuit naturellement pendant toute la coulée, l'obturateur descendant avec l'abaissement de la surface libre 16, le débit de métal dans le moule augmentant, l'obturateur remontant avec l'élévation de la surface libre et l'écoulement de métal dans le moule par la soupape diminuant en conséquence.
On notera que la vitesse d'écoulement du métal relève le niveau de celui-ci dans la cuvette 22 au-dessus du niveau libre 16 dans le moule. Cette détente du metal prevoque un effort vers le bas sur l'obturateur 18, auquel s'oppose la poussée ascensionnelle.
L'invention offre de nombreux avantages. L'obturateur flotte de lui-même, du fait que toutes les parties mobiles (sauf le vernier) sont immergées dans le métal coulé de ma- nière continue et ont un poids spécifique moindre que celui-ci, La densité de masse est virtuellement égale à 100 %; aucune partie fermée creuse n'est néoessaire pour assurer la flotta- bilité de la fermeture mobile et il n'est besoin d'aucun contre- poids pour augmenter la flottabilité de l'obturateur mobile immergé dans le métal liquide. La poussée vers le haut est
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suffisante pour vaincre le poids de l'obturateur 18 et la force exercée vers le bas par l'écoulement du métal fondu de la poche dans le moule.
La matière dont est faite la soupape a une haute résis- tance; elle résiste à l'attaque par le métal coulé, son usinage est facile et elle n'exige aucun boulon pour maintenir les pièces ensemble.
Le courant de métal dans l'espace annulaire compris entre le tube d'alimentation 19 et la tige 23 est soumis à l'effet de Bernouilli qui maintient l'arbre centre) de sorte que, tandis que la soupape remplit sa fonction régulière, il flotte et se centre complètement de lui-même du fait qu'aucune partie mobile de l'obturateur n'engage le tube d'alimentation ou une partie fixe quelconque de la poche. En fait, il est possible que par- fois l'obturateur 18 se mette à tourner, en raison du manque de eymétrie dans le perçage des trous de la cuvette, les cou- rants de liquide passant dans ces troua étant dirigés avec une certaine obliquité par rapport au rayon, de sorte que la réac- tion communique une rotation à l'obturateur.
Cette rotation con- stitue un avantage, du fait qu'elle élimine toute tendance qu'auraient les courants fixes de métal fondu sortant des trous de la cuvette à affaiblir la coquille tendre du cratère en heurtant celle-ci en un même point.
Un autre avantage est la double immersion de la cuvette 22 et de la tête 31. Dans le cas où on désire modifier la forme ou la dimension de la cuvette, un changement correspon- dant peut être apporté à la tête de la tige pour maintenir un même déplacement total de l'obturateur ou le modifier si on le désire.
Les trous dans la cuvette distributrice 22 peuvent être répartis d'une manière quelconque et être dirigés sous un angle quelconque, suivant les conditions de l'opération, telles que
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la dimension du moule, la nature du métal coulé, la vitesse de coulée, etc...
Le bord de la cuvette dépassant le haut du moule peut être vu facilement de l'opérateur qui peut assurer l'alimentation simultanée de plusieurs moules. La tige pilote centrale 23 et la tête supérieure 31 maintiennent ensemble toutes les par- ties du moule, en permettant d'enlever la poche de coulée et la soupape de celui-ci et de les remettre en place ensemble. Quand la poche 11 est relevée, elle entraîne avec elle toutes les parties de la soupape. L'effet de centrage automatique de la tige pilote maintient la cuvette 22 centrée par rapport au tube 19 et au moule et empêche un basculement ou un relèvement de la cuvette par rapport au siège 17 de la soupape.
La soupape est entièrement compatible avec la couverture carbonacée sur la surface libre du métal du moule. Elle ne gêne pas l'introduction ou le fonctionnement de la couverture oar- bonacée, et, réciproquement, cette dernière n'entrave pas le fonotionnement de la soupape.
On comprendra que l'on peut monter plusieurs soupapes dans le fond du même récipient, pour alimenter un certain nom- bre de moules faisant partie de plusieurs postes. La soupape se prête elle-même spécialement au fonctionnement simultané @ de plusieurs postes, en n'exigeant qu'une attention minimum de la part de 3, ' opérateur.
Avant de commencer une opération de coulée, on enlevé du moule la poche avec la soupape attachée, on la place sur un côté et on la chauffe à l'aide d'une lampe à souder. Après pré- chauffage de la poche et de la soupape, l'ensemble est retour- né dans le moule, pour mettre la soupape en position opératoire.
On comprendra naturellement que pour démarrer, le bouchon habituel sera inséré dans l'extrémité inférieure ouverte du moule.
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Le cuivre fondu est ensuite amené à la poche et s'écoule par la soupape (puisque celle-ci est grande ouverte) dans le moule vide. Quand le niveau du métal dans le moule atteint la hauteur correcte, la soupape commence à fonctionner pour limiter toute nouvelle montée du niveau du métal ; au moment voulu, le bouchon de démarrage sera abaissé et la coulée continue pourra commence.
La soupape se prête d'elle-même à une modification de la vitesse de coulée. En marche normale, la vitesse de coulée peut être déterminée entièrement par la vitesse à laquelle la pièce coulée solidifiée est extraite du fond du moule, aussi long- temps que la poche est maintenue adéquatement remplie de métal fondu. Toutefois, pendant la période de démarrage, on peut désirer retirer le bouchon de démarrage et la pièce solidifiée à une allure plus lente que pendant la marche régulière. Dans ce cas, la vitesse à laquelle le métal fondu est amené au moule peut être contrôlée par la vitesse à laquelle il est amené à la poche.vide, tandis que la soupape se trouve dans sa posi- tion inférieure complètement ouverte.
La soupape, y compris le tube d'alimentation et l'obtu- rateur, peuvent être en des matériaux différente, suivant la nature du métal en cours de coulée continue. De toute façon, le matériau devrait résister à l'attaque du métal fondu et le poids spécifique du matériau dont est fait l'obturateur mobile doitêtre inférieur à celui du métal fondu.
Pour couler des métaux à base de cuivre, la soupape peut être faite en une bonne qualité quelconque de graphite, ou en matériaux contenant du graphite comme les carbones enduita de graphite. On peut également employer un grapnite argileux.
Un grapnite argileux acceptable peut contenir environ 40 % en poids d'argile et 60 % en poids de graphite. En général, on préfère utiliser un type de graphite ayant une densité, une
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résistance mécanique et une conductivité thermique maximales.
Le terme graphite utilisé dans les revendications est destina à couvrir tous les matériaux contenant des proportions substan- tielles de graphite.
D'autres matériaux acceptables pour la coulée de métaux à base de cuivre sont ceux dénommés "cermets", Un cermet appro- prié est une combinaison céramique-métal comprenant du chrome pulvérisé et de l'oxyde d'aluminium dans la proportion de 77 en poids de chrome métallique et de 23 % d'oxyde d'aluminium (Al2O3). Ces matières peuvent être préparées par le procédé bien connu dit "slip-casting", puis fritté.
Un autre matériau donnant satisfaction pour la coulée du cuivre et de ses alliages est une variété de talc dénommée stéatite. La stéatite se trouve dans la nature en formation dense et se caractérise par sa douceur. Elle se présente entre autres sous la forme d'un silicate de magnésium hydraté. Elle est façonnée à la forme désirée, puis passée au feu pour obte- nir un matériau réfractaire dur. On peut citer, comme autres matériaux satisfaisants pour la coulée du cuivre, le carborun- dum, l'alundum, la magnésie, le zircone et la chromite.
En outre, on comprendra que les différentes parties de l'obturateur peuvent être en matériau ayant des poids spé- cifiques différents, car il suffit que le poids de l'obtura- teur dans son ensemble soit inférieur au volume du métal fondu déplacé. Par exemple, la matière de la tige centrale peut en réalité avoir un poids spécifique plus élevé que celui du métal. fondu dans lequel elle est immergé. Des parties de l'obturateur peuvent être creusas.
L'invention peut s'appliquer pour couler d'autres métaux et alliages tels que l'acier, l'argent, le nickel, '''aluminium et le magnésium, mais elle ne se limite pas à e s métaux.