Brevet FR2129945A1 — publié le 19721103

La présente invention concerne un dispositif pour la coulée de pièces métalliques dans des moules, ce dispositif comprenant un édifice destiné à être disposé à la partie supérieure d'un moule pour éviter les creux de retrait lors de la coulée. On empêche la formation, à la partie supérieure des pièces coulées, d'un creux provenant du retrait du métal au moment de sa solidificatIon, en disposant sur le moule, au voisinage de sa partie supérieure, un édifice destiné à servir de réservoir de métal en fusion pour alimenter le moule en métal et le maintenir constamment rempli à mesure que la solidification se poursuit. Afin d'éviter que le métal ne se solidifie à l'intérieur de cet édifice tant que l'alimentation du moule en métal en fusion doit être poursuivie, on est amené à donner audit édifice des dimensions telles que le refroidissement du métal qutil renferme soit suffisamment lent ; la masse de métal correspondante est en général très supérieure à celle qui serait nécessaire pour alimenter simplement le moule et une fraction importante de cette masse passe donc dans les chutes de fabrication. I1 est connu, pour diminuer cette perte de métal, de munir l'édifice d'une paroi calorifuge et exothermique qui permet, à volume égal de métal, d'obtenir un refroidissement beaucoup plus lent qu'avec une paroi simplement réfractaire et, par suite, de conserver le métal en fusion pendant le temps nécessaire, tout en mettant en oeuvre une masse réduite. Cependant des difficultés subsistent, du fait que pour faciliter à la fois le démoulage de l'édifice avant sa mise en place et la descente du métal au cours de la coulée, on donne généralement à 11 édifice une forme évasée vers le haut ; souvent on dispose en outre un étranglement à sa partie inférieure pour que le métal en fusion qu?il renferme se déverse uniquement dans la zone centrale du moule sousJacent. Des accrochages de métal solide tendent alors à se produire vers la fin de la coulée le long des parois de l'édifice, particulièrement à la partie inférieure de celui-ci et au niveau de l'étranglement quand il y en a un.Ce risque d'accrochage impose, malgré ltemploi d'une paroi calorifuge et exothermique, de ne pas descendre au-dessous d'une certaine limite en ce qui concerne les dimensions de édifice, notamment par le fait d'une variation incohérente du rapport entre volume de métal contenu et surface de refroidissement correspondante, d'une partIe à l'autre de l'édifice ; cette limitation se traduit de nouveau par une perte de métal ; le précédent rapport volume sur surface est appelé module de refroidissement de la partie considérée. La présente invention a pour but d'éviter cette perte dans la mesure du possible en supprimant la limitation visée ci-dessus qui en est la cause. Suivant l'invention, le-dispositif perfectionné pour la coulée de pièces métalliques dans des moules, comprenant un édifice destiné à être disposé à la partie supérieure d'un moule pour éviter les creux de retrait lors de la coulée du métal et composé d'une matière à la fois calorifuge et exothermique ou entièrement exothermique, la paroi dudit édifice délimitant sur chaque section horizontale une surface intérieure variable suivant le niveau auquel est faite ladite section, est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour assurer une égalisation, d'un niveau à un autre, de la vitesse de refroidissement du métal liquide à travers la paroi dudit édifice. La vitesse de refroidissement du métal liquide étant la même aux différents niveaux malgré la variation du volume contenu et de la surface de refroidissement correspondante, on ne risque plus de voir se produire une solidification prématurée du métal au contact de la paroi du fait d'un module de refroidissement plus petit à certains niveaux. Les moyens visés ci-dessus consistent, de préférence, en une paroi d'épaisseur variable suivant le niveau de la section horizontale considérée, la variation d'épaisseur de ladite paroi ayant lieu en sens inverse du module de refroidissement de la partie considérée et une compensation étant réalisée entre, d'une part, l'augmentation de la vitesse de refroidissement du métal liquide due à une diminution dudit module et, d'autre part, la diminution de ladite vitesse due à une augmentation de la quantité de chaleur dégagée par la matière calorifuge etjou exothermique en raison de l'épaisseur plus grande de ladite paroi. Dans une réalisation préférée de l'invention on donne à ltépaisseur e de la paroi dans une section horizontale ayant un diamètre intérieur D la valeur calculée au moyen de la formule dans laquelle la valeur de A est donnée par la formule où Do représente le diamètre intérieur d'une section horizontale de référence et eO ltépaisseur de paroi correspondante. Ces formules, obtenues au moyen d'une étude simplifiée de la transmission de la chaleur, donnent pour l'épaisseur de la paroi à différents niveaux des valeurs suffisamment correctes pour être utilisables dans la pratique avec de bons résultats. On peut notamment les utiliser pour réaliser des édifices ayant des sections de surface intérieure décroissante du haut vers le bas et présentant éventuellement un étranglement à leur partie inférieure. D'autres particularités de l'invention résulteront encore de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs on a représenté une forme particulière d'exécution de l'édifice faisant l'objet de l'invention. La figure 1 représente une coupe verticale, passant par l'axe de symétrie, d'un édifice de forme classique. La figure 2 représente une coupe, analogue à la précédente, du même édifice, modifié conformément à l'invention. La figure 3 représente une coupe, analogue aux précédentes, d'un deuxième édifice de forme connue. La figure 4 représente une coupe, analogue aux précédentes, du deuxième édifice, modifié conformément à l'invention. On voit sur la figure 1 une coupe verticale de la partie supérieure d'un moule 1 ayant un axe vertical XX et une largeur L. Le bord supérieur 2 du moule 1 supporte un édifice 3 destiné à servir de réservoir de métal en fusion pendant la coulée de celui ci dans le moule 1. Cet édifice 3, de forme classique, comprend une partie tronconique supérieure 4, qui fait avec la direction verticele un petit angle 2 et à laquelle se raccorde une partie tronconique inférieure 5 qui fait avec la direction verticale un angle b sensiblement plus grand que a. Le diamètre intérieur de l'édifice 3 va en diminuant depuis une valeur maximale Do en haut de l'édifice jusqu'a une valeur minimale D1 en bas. La paroi 6 présente, aussi bien dans la partie supérieure 4 de l'édifice que dans sa partie inférieure 5, une épaisseur uniforme eO dont la valeur, exprimée en millimètres, est sensiblement égale à Do + 10 La paroi 6 est faite d'une matière dont une partie est calorifuge et une partie exothermique, chaque partie pouvant avoir n.tamment les deux compositions a et b ci-apres, données uniquement à titre d'exemples 1 ) Partie exothermique a) Grenaille d'aluminium 25 % Oxyde de fer 10 % Nitrate alcalin 10 % Charge réfractaire en grains 50 % Liant (par exemple : silicate de sodium) 5 % b) Grenaille d'aluminium 25 % Oxyde de fer 10 k Nitrate alcalin 10 % Charge réfractaire en grains 35 % Charge réfractaire fibreuse 10 % Charge organique fibreuse Liant 5% 20) Partie calorifuge a) Charge réfractaire en grains 90 % Liant 10 % b) Charge réfractaire en grains 75 % Charge réfractaire fibreuse 10 % Charge organique fibreuse 10 fO Liant 5% Avec cet édifice classique, on observe, au cours de la coulée, que la solidification du métal en fusion remplissant l'édifice 3 qui s'étend progressivement des parois 6 vers la zone centrale commence par la partie la plus basse où le diamètre intérieur D1 est le plus petit ; il se produit dans cette partir basse un accro chage du métal à la paroi malgré ie caractère exothermique de eelle-ci et Je métal cesse de s'écouler du réservoir que constitue l'édifice par suite de l'étranglement de ce réservoir bien avant quil ne soit vide. On est alors conduit, pour alimenter le moule 1 avec du métal en fusion pendant un temps suffisant, à donner à l'édifice 3 un volume intérieur sensiblement plus grand que ce qui serait nécessaire si l'écoulement n'était pas gêné par ltétrangle- ment du réservoir ; cela entraine une perte de métal importante dans les chutes. La figure 2 représente un édifice 13 perfectionné selon 1,in vention, dont la composition et le profil intérieur sont les meAmes que,ceux de l'édifice 3 mais dans lequel la paroi 16 présente une épaisseur variant de haut en bas en sens inverse du diamètre depuis la valeur eO correspondant au diamètre Do jusqurà la valeur el correspondant au diamètre D1.On constate que, si l'épaisseur e est convenablement choisie à chaque niveau NN, en fonction du diamètre intérieur D, le refroidissement et la solidification du métal se produisent sensiblement avec la même vitesse à tous les niveaux, à partir de la paroi 16 et le métal contenu dans le réservoir formé par l'édifice 13 se trouve beaucoup mieux utilisé que dans le cas de l'édifice 3. On peut donc employer l'édifice 13 pour couler le métal dans un moule 11 ayant une largeur L' supérieure à la largeur L du moule 1, comme on l'a représenté sur la figure 2. On pourrait aussi, bien entendu, employer avec le moule 1 un édifice semblable à l'édifice 13, mais ayant des dimensions plus petites.Dans tous les cas on constate que l'adoption d'un édifice perfectionné confor mément à 1 t invention se traduit par une diminution sensible des pertes relatives de métal, ce qui constitue un résultat industriel important. On peut calculer, au moins approximativement, dans le cas d'un édifice de forme et de composition déterminées comment il convient de faire varier 1!épaisseur e de la paroi suivant son diamètre intérieur D pour assurer légalité de la vitesse due refroidissement aux différents niveaux de l'édifice. On a déjà indiqué plus haut que, si on appelle V le volume d'un corps chaud et S sa surface de refroidissement, sa vitesse de V refroidissement dépend du rapport M = Vs appelé nmodule de refroi- dissement". Dans le cas où le corps considéré est une masse de métal en fusion contenue dans une paroi réfractaire, le remplacement de celle-ci par une paroi faite d'une matière à la fois calorifuge et exothermique entraîne une diminution de la vitesse de refroidissement puisque la dissipation de chaleur vers ltextérieur est en partie compensée par le dégagement de chaleur qui se produit au sein de la paroi.Les choses se passent, au point de vue thermique, comme si, la surface latérale S restant la même, le volume V était augmenté d'une quantité fictive XJ et si le module de refroidissement M prenait une nouvelle valeur : S Le volume fictif V', qui dépend des propriétés de la matière exothermique est, pour une composition et une densité déterminées de cette matière, proportionnel au volume réel W occupé par ladite matière, ce que l'on exprime en écrivant : V' = K x W, le coeffi cient K défini par cette relation pouvant être trouvé par l'expé- rience ou par le calcul. Dans le cas d'édifices sensiblement cylindriques, l'sxpérienee montre que le module de refroidissement se trouve multiplié sensiblement par 1,5 quand on remplace la paroi réfractaire par une paroi calorifuge et exothermique, sans changer sa forme ni ses dimensions, c'est-a-dire que : M' = l,5xM (1) v Comine : M = et : = = Vs\' = ou en déduit que :KW = O,5xV (2) Si on considère en particulier un cylindre calorifuge et exothermique dont la paroi a le même diamètre intérieur Do et la mêne épaisseur eO que la paroi de l'édifice 3 visé ci-dessus à son niveau le plus élevé et une hauteur H qui peut être choisie arbitrairement, on a dans ce cas et :: En portant ces valeurs de V et W dans la relation (2), on trouve d'où Si on cherche maintenant à quelle condition le module de refroidissement M dans une section horizontale quelconque NN, où la paroi présente un diamètre intérieur D et une épaisseur e, sera le même que le module de refroidissement M0 dans la section située au niveau le plus élevé à laquelle correspondent les valeurs Do et eO (section de référence), on compare pour cela deux cylindres calorifuges et exothermiques de même hauteur H et ayant des sections droites identiques respectivement à la section NN et à la section la plus élevée. D'après ce qu'on a vu plus haut on peut écrIre pour le premier cylindre M = V + KW S V (volume intérieur du cylindre) -= W (volume d'exothermique) = fte (D+e) H S (surface latérale du cylindre) =Ttu H D'où : D'autre part pour la section de référence on a vu plus haut que Si l'on veut que : q = Ko, il faut donc que ou, en faisant tout passer dans le premier membre et en ordonnant par rapport à e : 2 ou encore : e + De + A = O avec Cette équation permet de trouver e, connaissant D, Do et e0 puis que K est lui-mema déterminé par D et e0 d'après la relation (3) o ci-dessus.La racine positive de ltéquation est est Si dans A on remplace K par sa valeur tirée de la relation (3), 0 pour illustrer ces formules, on va en faire une application numérique au cas d'un édifice tronconique ayant à son extrémité supérieure un A diamètre. @o = 35 mmet une paroi calorifuge exothermique d'épaisseur ; eO = 1 3,5 mm. Si le diamètre à l'extrémité inférieure est : D = 75 mm, on va rechercher l'épaisseur de paroi correspondante pour que les modules ae refroidissement soient les memes. On a dans e cas : h = 2 x 13,5 (85 + 13,5) ou Si, avec un édifice 5 d verre représente par la figure 1, on modifie l'épaisseur e de la paroi en fonction du diamètre intérieur S en appliquant la formule (), on obtient un édifice 13 du genre représenté par la figure 2. La diminution des pertes ae chaleur qui en résulte permet d'opérer avec un édifice de dimen sions sensiblement réduites, dont le volume ne représente plus que 57% du volume de l'édifice initial de référence. I1 est évident que l'invention s'applique à d'autres genres d'édifices que celui représenté par les figures 1 et 2, en parti culier à celui représenté par les figures 3 et 4. La figure 3, sur laquelle on n'a représenté que l'édifice, à l'exclusion du moule qui le supporte, est une coupe verticale dtun édifice 23 qui présente un étranglement à sa partie inférieure et qui a la forme générale d'un godet dont le fond serait percé. I1 est constitué de la même matière calorifuge et exothermique que les édifices 3 et 13. Si on modifie 11épaisseur de la paroi pour que le module de refroidissement soit sensiblement le même dans toutes les sections horizontales, on obtient un édifice 33 tel que celui représenté par la figure 4. La diminution des pertes de chaleur qui résulte de cette modification permet, cette fois, d'opérer avec un édifice dont le volume ne représente plus que 35% du volume de l'édifice initial de référence. On voit d'après ces deux exemples l'importance du gain que l'invention permet de réaliser en ce qui concerne la quantité de métal à mettre en oeuvre pour alimenter le moule en métal pendant le refroidissement de celui-ci afin d'éviter les creux de retrait. RxVE1MD nATIONS 1. Dispositif perfectionné pour la coulée de pièces métalliques dans des moules, comprenant un édifice destiné à être disposé à la partie supérieure d'un moule pour évlter les creux de retrait lors de la coulée du métal et composé d'une matière à la fois calorifuge et exothermique, ou entièrement exothermique, la paroi dudit édifice délimitant, sur chaque section horizontale, une surface intérieure variable suivant le niveau auquel est faite ladite section, caractérisé en ce qutil comporte des moyens pour assurer une égalisation, d'un niveau à un autre, de la vitesse de refroidissement du métal liquide à travers la paroi dudit édifice. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens visés dans cette revendication consistent en une paroi d'épaisseur variable suivant le niveau de la section horizontale considérée, la variation d'épaisseur de la paroi ayant lieu en sens inverse de la variation du module de refroidissement M lequel est égal au rapport V/S entre le volume V de la partie de métal liquide considérée et sa surface S de refroidissement et une compensation étant réalisée entre d'une part l'augmentation de la vitesse de refroidissement du métal liquide due à une diminution dudit module et d'autre part la diminution de ladite vitesse due à une augmentation de la quantité de chaleur dégagée par la matière calorifuge et/ou exothermique en raison de l'épaisseur plus grande de la paroi. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que, sur une partie au moins de la hauteur de l'édifice, 1'é- Daisseur e de sa naroi dans une section horizontale avant un diamètre intérieur D est donnée par la formule dans laquelle A est une grandeur calculée, en fonction du diamètre intérieur Do de édifice et de l'épaisseur eO de sa paroi dans la section horizontale dont le niveau est le plus élevé, au moyen de 4. Dlspos1tlr conforme a la revenication caracserlse en ce que ltédifice présente la forme d'un manchon dont le diamètre intérieur va en décroissant dehaut en bas. 5. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'édifice présente un étranglement à sa partie inférieure.