CA2062276A1

CA2062276A1 - Procede et dispositif de coulee continue de fil metallique de faible diametre directement a partir de metal liquide

Info

Publication number: CA2062276A1
Application number: CA 2062276
Authority: CA
Inventors: Didier Huin
Original assignee: Individual
Current assignee: Unimetal SA
Priority date: 1991-03-05
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1992-09-06
Also published as: FR2673551A1; FR2673551B1; EP0502802A1; TR25618A

Abstract

Abrégé L'invention a pour objet un procédé de coulée continue de fil métallique fin dans lequel un jet de métal liquide sortant de la busette d'un réservoir est trempé et solidifie dans une couche de liquide refroidissant, caractérisé en ce que ledit liquide ruisselle sur une surface fixe cylindrique ou légèrement tronconique d'axe sensiblement vertical, en ce qu'on imprime au réservoir un mouvement de rotation autour de l'axe de ladite surface de manière à faire se déplacer l'extrémité de la busette sur une trajectoire circulaire concentrique à ladite surface, et en ce que le jet de métal est éjecté de la busette selon une direction opposée à la direction de déplacement de la busette. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Description

~62276 PROC~DE ET DISPOSITIF DE COU~EE CONTINUE DE FI~ METAh~IQUE
DE FAIBL~ DIAMETRE DIRECT~NT A PARTIR DE MET~L LIQUIDE

L'invention concerne la fabrication de fils métalliques de faible diamètre par trempe d'un jet de métal liquide dans une couche de liquide refroidissant.
Les dernières années ont vu le développement d'un procédé de coulée permettant d'obtenir, directement à partir de m~tal liquide, des filaments métalliques de longueur indéfinie, de section substantiellement circulaire et de diamètre très faible, pouvant descendre jusqu'à 80 ~m environ, et auquels on peut conférer une structure amorphe, si la composition du m~tal s'y prete et si les conditions de refroidissement du métal liquide sont suffisamment violentes (au moins 104C/s). Ce procédé est décrit notamment dans le Brevet Européen EP 39169. I1 consiste ~ former un jet de métal à partîr d'un réservoir de métal liquide muni de moyens de chauffage et d'une busette de sortie dont le diamètre est ~gal ou l~gèrement sup~rieur au diam~tre du filament desir~.
Ce jet de métal pénètre ensuite dans une couche de liquide refroidissant, tel que de l'eau ou une solution aqueuse d'un sel, qui assure la solidification du jet en un fil métallique. Cette couche de liquide est en mouvement dans une direction transversale ~ celle du jet de m~tal et.s7écoule sur une surface solide elle-même en mouvement qui entra~ne 10 liquide, et peut être constituée par l'int~rieur d'un ta~bour en rotation autour d'un axe horizontal (Brevet Européen EP
39169 déjà cité) ou par une portion horizontale ou concave d'une courroie rainur~e en d~filement formant une boucle (Brevet ~uropéen EP 89134). Le fil est entraîné dans le liquide refroidissant, qui se déplace de pr~férence laminairement ~ une vitesse sensiblement égale ou l~gèrement sup~rieure a la vitesse d'éjection du jet de métal liquide hors du r~servoir (de l'ordre de 5 ~ 15m/s). Au ~ur et mesure de sa coulée, le fil s'enroule dans le tambour sous l'effet ~e la force centrifuge, ou est sorti en continu du milieu r~froidissant par des moyens appropriés pour être ~ ~,

2 ~ 276 capté et éventuellement bobiné à l'extérieur de la machine de coulée.
Grâce à la vitesse de re~roidissement élev~e qu'il peut procurer, ce procédé permet, si le métal est amorphisable, d'obtenir des fils amorphes de dimension uniforme pr~sentant, entre autres propriétés, une résistance à la traction très élevée. On peut ainsi couler des fils amorphes en alliages à
base de divers métaux tels que le ~er, le cuivre, le cobalt, l'or, l'aluminium, etc...
Les inconvénients des dispositifs me~tant en oeuvre ce procédé sont cependant nomhreux. Les tambours à axe de rotation hori~ontale ne permettent pas, dans leurs versions les plus simples, de récupérer le fil d'une mani~re continue et de l'entralner ~ l'extérieur de l'installation, et se donner cette possihilité conduit à compliquer très sensiblement la construction de l'installation. Dans tous les cas, la taille du r~servoir demeure limitée, car celui-ci doit s'inscrire ~ 1'intérieur du tambour. Sau~ à augmenter exagérément le diam~tre du ta~bour, ce ~ui rend difficile l'entraînemen~- du liquide refroidissant sous l~ef~et de la force centrifuge, il n'est donc guère possible de traiter en une seule ~ois des ~uantit~s de m~tal dépassant quelques kg.
Quant aux installations utilisant des courroies rainur~es, ~lles autorisent l'utilisation de réservoirs de métal liguide de forte capacité, mais sont très encombrantes~ En effet le liquide refroldissant doit g~n~ralement parcourir plusieurs m~tres sur la bande après son d~pôt avant gue sa turbulence ne soit suffisamment dissipée pour autori~er une solidification régulière du métal.
Une variante de cP proc~dé, présentée dans la Demande de Brevet japonais JP 60250B59, consiste ~ placer le liquide refroidissant dans un bac fixe, ~ disposer le r~servoir de m~tal liquide au-dessus de ce bac, à orienter la busette de sortie du jet de métal liquide de mani~re ~ ce que ce dernier pénètre dans le liquide re~roidissan~ selon un angle inf~rieur ou ~gal ~ 30 par rapport ~ sa surface, et ~
imprimer au r~servoir un mouv~menk de rotation au~our d'un axe vertical ne passant pas par la husette de sortie.Celle-ci

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d~crit ainsi une trajectoire circulaire au-dessus du bac, et le fil solidifié se dépose au fond du bac sous forme de spires superposées. Il n'es~ cependant pas possible de r~cupérer le fil de manière continue.
Le but de l'invention est de proposer un procédé de coulée de fil autorisant une collecte du fil en continu et ne limitant pas ~ une valeur trop faible la quantité de métal qu'il est possible d~ traiter en une seule fois, ainsi qu'un dispositif de conception simple pour sa mise en oeuvre.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de coul~e continue de fil métallique fin dans lequel un jet de métal liquide sortant de la busette d'un réservoir est tremp~
et solidifié dans une couche de liquide refroidissant, caract~risé en ce que ledit fluide ruisselle sur ~ne surface fixe cylindrique ou lég~rement tronconique d'axe sensiblement vertical, en ce qulon imprime au réservoir un mouv~ment de rotation autour de l'axe de ladite surface de mani~re ~ faire se d~placer l'extr~mité de la busette sur une trajectoixe circulairs concentrique ~ ladite sur~àce, et en ce que le jet de m~tal est ~jecté de la busette selon une direction faisant un angle droit ou obtus avec la tangente de la trajectoire circulaire.
L'i~vention a également pour objet un dispositif de coulée continue de fil métallique fin comportant un réservoir contenant un m~tal liquide muni d'une busette, par laquelle s'~coule un jet dudit métal liquide, orientée en direction d'une cou~he de liquide re~roidissant dans laquelle ledit jet est tremp~ ek solidifi~ ssus forme d'un ~il, caract~ris~ en ce qu'il comprend une surface ~ixe cylindrique ou l~g~rement tronconique d'axe sensiblement vertical sur laquelle ruisselle ladite couche de liquide refroidissant, des ~oyens pour imprimer audit réservoir un mouvement de rotation autour de l'axe de ladite surfac~, et des moyen~ pour recueillir ledit fil au ~ur et ~ mesure de sa formation, placés en dessous de ladite sur~ace.
Comme on l'aura compris, l'invention consiste réaliser la solidification du jet de métal liquide darls un film de liquide re~roidissant ruisselant librement sur une , 2~:~

surface cylindrique ou lég~rement tronconique. Le ~i.l ainsi solidifié descend progressivement le long de Cette surface soUs forme de spires, et, en dessous de la surface, est saisi par un dispositif perm~ttant de l'évacuer.
L'invention sera mieux comprise à la lectura de la description qui Suit~ faisant référence à la ~igure unique annex~e, montrant 1'installation vue en coupe frontale et en perspective.
Dans l'installation de coulée de fil telle que représentée sur la figure unique, le milieu refroidissant dans lequel s'effPctuent la trempe et la solidi~ication du métal li~uide M est constitué par une couche de liquide 1 ruisselant à une vitesse v sur la surface supérieure 2 plane et hori~ontale d'un support fixe 3. Ce support pr~sente une form~ générale quelconque, par exemple cylindrique comme ~eprésent~. Sa car~ct~ristique essentielle est de poss'der, dans sa partie centrale, un évidement 4 le traversant de part en part, et r~alise de mani~re que la sur~ace 5 du support 3 d~limitant c~t ~videme~t soit cylindrique, d'axe X-Y
vertica~. Le liquide l ruisse~le depuis la surface supérieure 2 du support jusgue sur la ~r~ace cylindrigue 5 et forme ainsi une couche d 9 ~paisseur e s'écoul~nt ~ une vitesse v'.
La jonction entre l~ surface supérieure 2 du support et la - surface cylindrique 5 de l'~idement s'effectue de préf~rence sans angle vif, afin de minimiser les perturbations apport~es coulement du liquide 1 par la rupture de pente. Le liquide 1 est amen~ sur le support 3 par des moyens tels qu'une virole 6 creuse reliée ~ une alimentation en liquide non repr~sentée. Cette vir~le po~sède un orifice 7 par lequel s'écoule le liquide. Cet orifice décrit un cercle ~ensiblement concentrique ~ videment 4. Ses dimensions ainsi que le d~bit du liquide sont calculés de manière former une couche de liquide 1 d'épaisseur réguli~re e de l'ordre de 1 cm, et avec un écoulement ~ vitesse v' relativement faible dans l'évidement 4 pour ~viter que ne s'~tablissent de~ tur~ulences trop importantes ~ l'int~rieur de la couche 1.

2 ~ 7 ~

Au dessus de l'evidement 4 est disposé un réservoir 8 contenant le métal liquide M. Ce réservoir présente un~
symétrie de r~volution par rapport ~ l'axe XY, et peut par exemple avoir une forme générale cylindrique comme repr~senté. Il est revêtu intérieurement d'une couche de réfractaire peu réactif vis-à-vis du métal M, ou est lui même entièrement en ce réfractaire. I1 est équip~ de moyens de chauffage, tels qu'une bobine d'induction 9, dont lralimentation électrique n'~st pas représentée. Ces moyens de chauf~age permettent de maintenir au niveau d~siré la température du métal liquide M qui a été préalablement introduit dans le r~æervair, ou mêm~ également d'assurer eux-mêmes la fusion de morceaux de ce métal. Le réservoir 8 comporte également des moyans 10 pour sa mise en rotation aurour de l'axe X-Y à une vitesse angulair~ ~ , et des moyens 11 d'introduction d'un gaz neutre en son intérieur. Ce gaz permet de prot~ger le m~tal liquide M aontre l'oxydation atmosph~ri~ue. I~ permet ~galement de mettre le réservoir sous pression de manière ~ favoriser l'éjection du m~tal liquide et à r~guler son débit de soxtie indépendamment ~e la quantité de métal qui subsiste à l'int~rieur du réservoir 8.
Cette sortie du métal liquide du réservoir 8 s'e~fectue par une busette 12 plac~e dans le fond 13 du réservoir. Cette busette 12 doit remplir les conditions suivantes :
- son dia~tre terminal est égal ou tr~s légèrement sup~rieur au dia~tre désir~ pour le fil 14, soit de l'ordre de 80 ~ 200 ~m, afin de former un jet de m~tal liqui~e 15 coh~rent poss~dant ce diamatre ;
- elle doit orienter le ~et de métal liquide vers la couch~ de liquide re~roidissant 1 ruisselant sur la surface cylindrique 5, et dans une dir~c~ion opposée ~ la direction de d~placement de la busette , par exemple, si, comme représenté sur la figu~e, la rota~ion du réservoir s~ef~ectue dans le sens antihoraire, l'extr~mité de la busette 12 doit etre orientée vers l'arrière du plan de coupe ;
- son extr~mit~ doit être situ~e ~ une très faible distance (de l'ordre de 1 à quelques mm) de la sur~ace de la couche de liquide re~roidissant 1, pour afisurex une bonne 6 2~62~7~

cohérence du jet de métal 15 au moment de sa pénétration dans le liquide.
Habituellement, dans les installations de coulée directe de fil le liquide refroidissant est mis en mouvement, alors que le réservoir est fixe, mais on fait en sorte que la vitesse Vf du jet de métal liquide, qui est aussi la vitesse du fil solidifié, et la vitesse Vl du liquide soient ~gales, ou que Vl soit lég~rement supérieure à Vf, dans un rapport ne dépassant pas 1,3 ~ 1,5. Si Vf est supérieure à Vl, le jet et le fil ne sont pas entraîne~ par le liquide, et il se produit un effet d'accumulation qui aboutit ~ une épaisseur du fil irr~gulière. Si, au contraire Vl est tr~s supérieure à Vf lieffet d'entraînement du jet est trop important et conduit à
sa rupture périodique, c~ qui rend impossible l'obtention d'un fil continu de grande longueur~ Dans l'installation selon l'in~ention, on peut négliger la vitesse de chute v' de la couche de liquide refroidissant 1 et admettre que celle-ci est fixe. Le rapport des vitesses à prendre en considération pour le r~glage de l'installation est donc le rapport entre 20 `` la vitesse du jet de métal 15 et du fil 14, et la vitesse lin~aire Vb de l'extr~mit~ de la buse~te 12, égale ~ ~ R si R
est la distance entre l'extrémit~ de la busette 12 et l'axe XY de rotation du r~servoir 8. Ces vitesses sont 9 par exemple, de l'ordre de 5 ~ 15 m/s, comme sur les installation~ classiques, et doivent être suffisantes pour garantir une vitesse de solidi~ication ~levée, surtout si on recherche la ~ormation d'un ~il amorphe. Leur rapport V~ est aussi dans les limites de 1 à 1,5. la direction de V~
pénétration du jet 15 dans le liquide refroidissant 1 doit ~galement ~tr~ optimisée, comme sur les installations classiques, o~ l~inclinaison du ~et par rapport à la ~urface du liquide est tr~s variable. Dans cette optimisation, on pourra être amené à tenir compte de la vitesse de chute v' de la couche de li~uide re~roidissant 1.
Pour constituer cette couche 1, tout li~uide connu pour ses capacit~s refroidissantes peut être utilis~, par exemple l'eau, les solutions aqueuses salines, ou les gaz liqu~fiés.

7 ~2~7~

Sous l'effet de la force centrifuge et de la direction imposée initialement au jet de métal 15, le fil solldifié 14 vient se plaquer contre la surface cylindrique 5. Sous l'effet de son poids et de la poussée qu'exerce sur lui la couche descendante de liquide refroidissant 1, le fil descend progressivement le long de la surface 5 et forme ainsi des spires. En dessous du support 3, ces spires tombent le~ unes sur les autres et se ~éposent sur uns bande transporteuse 16 mue par des moyens symbolisés par une poulie 17 et qui évacue lo les spires de fil au fur et ~ mesure de l~ur formation.
L'installation peut également comprendre des moyens (non repr~sentés~ de collecte du ~luide de refroidissement usé et de renvoi de ce liquide dans le circuit d'alimentation de l'installation.
Par rapport à la solution habituelle consistant à
utiliser un réservoir fixe et une couche de liquide deposée sur une surface mobile, un avantage de l'invention est de provoquer une centrifugation du m~tal M à l'intérieur du r~servoir. Cette centrifugation accentue la séparation entre le m~tal et les inclusions non-métalliques qu'il contient in~vitablement, et gui en fin de compte remontent ~ la surface du métal N pour former une couche de laitier 18. On au~mente ainsi la qualit~ du fil, tout en diminuant les risques de bouchage de la busstte 12 par les inc]usions. Un autre avantage de cette installation est que le r~servoir de métal 8 n'est pas limité en taille dans le sens de la hauteur~ Il est donc possible de traiter en une seule fois une quantité de métal aussi importante qu'on le désire, ~
condition de prévoir des moyens d'entrainement en rotation du réservoir d'une puissance adapt~eO Enfin, le ~il solidifié
quitte de lui-même la zone de solidification sous forme de spires, et son évacuation et son bobinage ne néces~itent pas d'installation complexe. A cet effet, au lieu d'une bande transporteuse, on peut prévoir un plateau descendant progressivement, ou tout autre moyen permettant de capter l'extrémité du fil et de bobiner celui-ci sur un mandrin.
En variante, la surface 5 de l'évidement peut ne pas être rigoureu~ement cylindrique, mai~ lég~rement tronconique.

, 8 ~2~7~

Une telle forme permet un meilleur guidage et une meilleure formation des spireS, et permet de diminuer la Vitesse v' de la couche de liquide 1, pour une vitesse v ~gale à la sortie de la virole~ on se rapproche ainsi davantage des conditions de solidi~ication du fil dans les installations de ~ype classique. De plus, la distance entre la busette 12 et la surface de la couche de liquide 1 peut être réglée par simple tr~nslation verticale du réservoir 8. La conicité de la surface 5 ne doit cependant pas etre importante au point de gêner la descente des spires d~ fil ~ui pourraient se retrouver bloqué~s ~ l'intérieur de l'évidement, ce qui obligerait d'interrompre la coul~e.
De même, on peut prévoir d'alimenter le réservoir 8 de m~tal en continu, soit par du métal déjà li~uide, soit par du :L5 métal solide divisé suffisa~ment finement pour que sa ~usion compl~te intervienne avant qu'il ne parvienne à la busette 120 On peut ainsi reculer encore la limite de la quantit~ de fil que l'on peut couler en une seule opération. On peut aussi ~quiper le réservoir 8 de plusieurs busettes voisines pour couler des fils multi-brins, de mani~re analogue à ce qui est exposé dans le document JP 63273554. On peut enfin, de mani~re GOnnUe ~ éloigner l'extr~mité de la busette 12 de la couche de liquide 1 de davantage ~ue quel~ues mm, s'il est possible de maintenir artificiellement la cohérence du jet de m~tal 15. Ce peut etre fait en cr~ant ~ la surface du jet, de manière connue, une pellicule d'oxydes, g~âce ~ l'oxydation limit~e d'un des co~posants du m~tal par l'air ou par une atmosph~r~ oxydante appropriée, comme exposé par exemple dans le document EP 360104.
L'invention s'applique à la coulée de fils métalliques de faible diam~re, par exemple en acier, et permet d'obtenir des fils de structure amorphe si les conditions de solidi~ication sont suffisamment violentes e-t si la composition du métal coul~ s'y prête.

Claims

1) Procédé de coulée continue de fil métallique fin dans lequel un jet de métal liquide sortant de la busette d'un réservoir est trempé et solidifié dans une couche de liquide refroidissant, caractérisé en ce que ledit liquide ruisselle sur une surface fixe cylindrique ou légèrement-tronconique d'axe sensiblement vertical, en ce qu'on imprime au réservoir un mouvement de rotation autour de l'axe de ladite surface de manière à faire se déplacer l'extrémité de la busette sur une trajectoire circulaire concentrique à
ladite surface, et en ce que le jet de métal est éjecté de la busette selon une direction opposée à la direction de déplacement de la busette.

2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse linéaire de déplacement Vb de l'extrémité de la busette et la vitesse Vf du jet de métal sortant de la busette sont dans un rapport compris entre l et 1,5 environ.

3) Dispositif de coulée continue de fil métallique fin comportant un réservoir (8) contenant un métal liquida (M) muni d'une busette (12) par laquelle s'écoule un jet (15) dudit métal liquide (M) orienté en direction d'une couche de liquide refroidissant (1) dans laquelle ledit jet (15) est trempe et solidifié sous forme d'un fil (14), caractérisé en ce qu'il comprend une surface (5) fixe cylindrique ou légèrement tronconique d'axe (X-Y) sensiblement vertical sur laquelle ruisselle ladite couche (1) de liquide refroidissant, des moyens (10) pour imprimer audit réservoir (8) un mouvement de rotation autour de l'axe (XY) de ladite surface, et de moyens pour recueillir ledit fil (14) au fur et à mesure de sa formation, places en dessous de ladite surface (5).

4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour recueillir le fil métallique (14) sont constitués par un plateau descendant progressivement.

5) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens pour recueillir le fil métallique sont constitués par une bande transporteuse (16).