Brevet FR2165769A1 — publié le 19730810

La présente invention concerne un procédé de coulée de métal, du genre où on chauffe au moins à fusion le dit métal, après quoi on le coule dans un moule, tout en assurant une protection du métal par vaporisation d'un gaz liquéfié inertant, tel qu'argon ou azote. On a déjà proposé d'utiliser l'argon ou de l'azote liquéfié pour miniser la contamination du métal fondu pendant la coulée. L'utilisation de gaz inertant liquéfié, au lieu de gaz à l'état simplement gazeux, présente l'avantage de pouvoir mieux et plus rapidement substituer l'ambiance d'air du moule par une fiance d'air du moule par une ambiance inertante. Dans ces procédés connus, on se contente simplement de placer le gaz liquéfié sur le fond du moule avant d'opérer la coulée du métal en fusion, ou de l'ajouter à la surface du métal dans le moule après que l'opération de coulée ait commencé.Toutefois, ces indications brèves décrites dans la littérature sont manifestement insuffi- santes pour qu'un homme de métier puisse réaliser des inertages convenables, sans risques de perturber l'opération de coulée ultérieure ; en effet, le fait de simplement placer du liquide dans un fond de moule, s'il peut, dans certains conditions, assurer effectivement l'inertage de la cavité du moule, conduit presque nécessairement à certains mécomptes dus à une méconnaissance des phénomènes qui se présentent. En effet, d'une part le simple déversement d'une masse de gaz liquéfié dans un moule provoque, dans la majorité des cas, un sous-refroidissement local accentué de la paroi du moule et d'inadmissibles contraintes thermiques différentielles lors de la coulée du métal en fusion. Enfin, cette masse de gaz liquéfié placée en fond du moule conduit, si, pour éviter le phénomène rappelé plus haut, on devait attendre sa vaporisation com plète, à un inertage généralement inopérant, car l'ambiance de la cavité du moule se trouve très substantiellement perturbée, notamment par les entratne- ments d'air extérieur, lors de la coulée du métal en fusion. En outre, en limitant cet inertage à la seule phase de coulée du métal dans un moule, on ne parvient évidemment pas à écarter les inconvénients dals à la contamination du métal lors de son chauffage dans le creux en fusion. L'expérience a montré d'abord qu'il convenait, dans la phase de coulée de procéder selon des règles relativement strictes pour obtenir une bonne exécution de l'opération. La présente invention concerne précisément ces règles et encore d'autres dispositions qui permettent d'obtenir un métal coulé particulièrement exempt de toute contamination. Selon l'invention, on assure, succesivement, une protection de surface du bain de métal en fusion lors de son chauffage, puis une protection de volume du moule au moins préalablement à la coulée proprement dite par un jet con trSlé et réparti, le tout de façon que le métal en fusion reste constamment dans une ambiance gazeuse ayant une très faible teneur en oxygène, en tout cas inférieure à 1% et de préférence inférieure à 0,1%.Par protection de surface on comprend ici une protection étendue à toute la surface du bain, niais dont l'épaisseur peut être restreinte ; en effet, le déversement de gaz liquéfié tel qu'argon ou azote sur un métal en fusion s'accompagne de la formation, à la surface du bain métallique, d'une nappe de gaz résultant de la caléfaction du gaz liquéfié, la partie excédentaire de ce gaz liquéfié étant supportée, en Blême temps que répartie, par la couche de caléfaction. Par contre, on a constaté pue ce mSme procédé -bien qu'indique dans la littérature comme équivalent à celui qui consiste à placer ce gaz liquéfié au fond du moule- est tout à fait inopérant pour assurer l'inertage au cours de l'opération de coulée, car ce qu'il convient d'éviter d'abord, c'est l'entratnement d'air dans le moule au début de la coulée.L'opération d'inertage préalable de la totalité de la cavité du moule est donc absolument indispensable, mais ce qui est essentiel pour le bon succès de l'opération, c'est que cet inertage préalable du moule soit effectué par un jet contrôlé et réparti de gaz liquéfié. I1 faut assurer progressivement et uniformément une substitution de l'ambiance d'air par les vapeurs de gaz liquéfié. Une autre condition essentielle est de prévoir l'injection de gaz liquéfié de façon à maintenir un inertage subséquent de qualité et de durée sufisantes pendant les opérations ultérieures à l'inertage, à savoir le transfert du moule au poste de coulée et/ou pendant la coulée proprement dite. Enfin, on a pu établir que la teneur résiduelle de l'oxygène ne devait pas excéder 1% et qu'elle devait de préférence rester inférieure à 0,1%. Une telle dissolution d'oxygène produit ou ralentit suffisamment l'intéraction du métal et de l'oxygène à un niveau tel que les conséquences de cette interaction soient négligeables. Selon une forme avantageuse de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la protection du volume du moule est assurée par déversement préalable à la coulée d'un gaz liquéfié inertant, pendant une durée et avec un débit tels que non seulement la cavité du moule soit entièrement saturée de gaz inertant, mais, en outre, qu'il subsiste dans la dite cavité de moule une quantité résiduelle de gaz liquéfié suffisante pour assurer pendant l'opération de coulée le maintien de la dite ambiance inertante, et de préférence, en outre, suffisante pour assurer le transfert du moule depuis le poste d'inertage jusqu'au poste de coulée. La protection en surface du bain de métal en fusion lors de son chauffage est assurée par déversement continu, au voisinage de la surface du bain, d'un jet de gaz liquéfié. L'expérience montre, en effet, qu'il convient de libérer le jet de gaz près de la surface du bain, en sorte que le gaz liquéfié parvient, au niveau du métal, pratiquement sans être vaporisé. Il en résulte un effet directionnel ascendant de la masse vaporisée qui prend naissance au voisinage du métal en fusion, assurant ainsiquin vigoureux mouvement de chasse de produit gazeux contaminant, en même temps qu'une étanchéité pneumatique quasi absolue à l'égard de l'atmosphère extérieure. La protection de volume du moule est assurée par déversement d'un gaz liquéfié réparti en permanence sur une partie substantielle de la surface de la cavité du moule. Cette répartition du jet constitue une condition essentielle du succès de l'opération, car elle permet non seulement d'uniformiser la température du moule à un niveau pas trop bas qui est compatible avec l'augmentation brutale de la température lors de la coulée, mais également d'obtenir une substitution progressive et complète de l'ambiance en même temps qu'elle assure une utilisation maximale de l'effet de réchauffement produit par la paroi du moule. Dans une forme particulière d'application du procédé un moule du type à coquille tournante, on effectue le déversement du gaz liquéfié tout en faisant tourner le moule.Dans l'application au moule du type pluralité de cavités de moulage étagées en grappe, le déversement du gaz liquéfié s'effectue par une pluralité de jets étagés au moyen d'une canne de déversement à section décroissante et présentant une pluralité d'orifices de déversement étagés. Les caractéristiques et avantages de l'invention re;sortiont d'ailleurs de la description, qui sont à titres d'exemples, une référence aux dessus annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'une installation de moulage "en grappe" mettant en oeuvre le procédé selon l'invention. - la figure 2 est une vue en élévation de cette même installation. - la figure 3 est une vue partielle en coupe et à échelle agrandie d'une canne d'injection. - la figure 4 est une vue en coupe d'un poste d'inertage par moulage en coquilles tournantes. - les figures 5 et 6 sont des diagrammes de teneur en oxygène en fonction du temps. En se référant aux figures 1 et 2, une installation de moulage comporte deux creusets basculants 1 et 2, par exemple, à four à induction dont les enroulements sont représentés en 3, 4 respectivement. Chaque creuset est surmonté d'un couvercle 5, 6 comportant chacun deux orifices 7, 8 dont ltun sert d'orifice d'introduction d'une lance 9. Chaque lance 9, équipée d'un séparateur de phases 10 est raccordée par une tubulure 11, 12 et des vannes 13, 14 à un réservoir préssurisé 15 de gaz liquéfié. En regard des creusets 1 et 2 est disposée une voie de convoyage 18 permettant à un moule 19 d'être déplacé depuis un poste d'inertage en 20 vers l'un ou l'autre des postes de coulée 21 et 22, en regard des creusets 1 et 2, respectivement. Le moule 19 est du type à "grappe", c'est-à-dire qu'il présente, au tour d'un dégagement vertical 24, une pluralité de cavités de moulage 25a, 25b etc... jusqu'à 25n. Au poste d'inertage une canne de déversement de gaz liquéfié 27 est introduite dans le dégagement 24, cette canne 27 étant reliée, par un séparateur de phases 28 et une vanne 29, au réservoir 15. Cette canne de déversement 27 présente une section décroissante vers son extrémité de déversement. Par exemple elle est constituée de tronçon de tubes 30, 30', 30", soudés bout à bout, chaque tronçon présentant un ou plu sieurs orifices de déversement 31, 32 ----, angulairement décalés. Selon une autre forme de réalisation, la canne est constituée d'un tube de section uniforme avec des injecteurs en nombre le long de la canne et décalés angulairement l'un par rapport à l'autre. Comme on le voit à la figure 3, chaque injecteur est constitué d'un tube 33, ayant une partie calibrée 34 et une partie coupée en sifflet 35 servant de goulotte de récupération du liquide cryogénique chutant dans la sotie. Le fonctionnement de l'installation est le suivant : pendant l'opé- ration de chauffage du métal pour chaque creuset 1, 2 (en l'occurence le creu set 1 au dessin), du gaz liquéfié est déversé par la lance 9 au dessus du bain de métal. Comme on le remarque au dessin, la lance 9 pénètre largement dans le creuset 1 en sorte que le jet de gaz liquéfié atteint bien le métal à l'état liquide malgré la température ambiante. il se forme alors une mince nappe de liquide au dessus d'une couche de vapeur due à la caléfaction direclteement au dessus de la surface du bain de métal en fusion, en même temps que/débit de gaz est évacue vers l'extérieur par tous les orifices de fuites du couvercle, notamment l'orifice 8 prévu spécifiquement à cet effet. Cette protection en surface pendant au moins tout le laps de temps où le métal est en fusion, est particulièrement efficace pour éviter toute oxyda tion du métal par l'oxygène ambiant. il importe, bien entendu, de limiter le débit de gaz liquéfié et, à cet effet, on a intérêt à toujours disposer un couvercle de creuset. Une fois cette précaution prise, on règle le débit de gaz liquéfié pour que l'ambiance, située directement au-dessus du métal en fu sion, ait une teneur en oxygène inférieure au plafond désiré , par exemple une teneur inférieure à 200 v.p.m. Ce débit est donc fonction essentiellement de la surface du bain, et on a pu constater expérimentalement qu'un débit de 0,2 l/mn d'azote liquide par décimètre carré, pendant la durée où le métal est en fusion, permet bien d'assurer une teneur en oxygène inférieure à 200 v.p.m. Lorsque le métal dans le creuset 1 est prêt à astre coulé, on procède à l'opération d'inertage de la cavité d'un moule 19. A cet effet, ce moule 19 est amené au poste d'inertage 20, on introduit la canne de déversement 27 et on ouvre la vanne 29. Du gaz liquéfié est éjecté par les orifices 31, 31' -- dans les différentes cavités de moulage 25a, 25b jusqu 25n. Ce qui importe à cc stade , c'est d'une par de substituer à l'air des cavités de moulage une atmosphère de gaz inertant et en outre d'assurer au fond du moule et de préférence également dans les cavités de moulage individuelles, une légère charge résiduelle de gaz liquéfié. Ceci est obtenu en plusieurs phases : d'abord l'ouverture de la vanne 29 assurant l'écoulement du gaz liquéfié n'assure qu'un simple refroidissement de la canne et de la tubulure ; après quoi le gaz liquéfié est effectivement déversé par les orifices 31, 31'-- sur les diffrentes cavités de moulage 25a, 25b -- jusqu'à 25n. Le débit de ce gaz liquéfié doit être choisi entre deux valeurs qui dépendent, en fait, d'un grand nombre de facteurs, tels que structure du moule, matière constituant le moule, forme du moule. il faut que ce débit soit suffisant pour qu'on obtienne une durée d'inertage subséquente, c'est-à-dire telle qu'après avoir terminé le déversement, elle permette, successivement, d'abord le transfert du moule du poste d'inertage 20 au poste de coulée 21 (ou 22), ensuite l'opération de coulée proprement dite, le tout en maintenant une atmosphère ambiante qui, tout en se dégradant, présente cependant jusqu'à fin de l'opération de coulée, une teneur en oxygène inférieure à la teneur maximale admise, par exemple 1% ou mieux 0,1X. A cet effet, il faut que le débit de gaz liquéfié soit suffisamment faible et l'opération d'inertage suffisamment rapide, pour éviter un refroidissement en profondeur du moule, ce qui conduirait à le soumettre à de trop fortes contraintes thermiques lors de la coulée du métal en fusion, mais il faut également que ce débit soit suffisamment élevé, cependant, pour qu'on arrive à obtenir la durée d'inertage subséquente souhaitée. En effet, on a constaté qu'un débit, en dessous d'un seuil déterminé, s'avère incapable de parvenir à un inertage subséquent déterminé. En pratique, donc, et pour chaque opération de moulage, on est amené à d'abord rechercher ce débit minimal permettant une durée minimale subséquente d'inertage donnée pour une ambiance de cavité de moule ayant une teneur maximale en oxygène. Cette rccherche du débit minimal s'effectue simplement en plaçant une sonde dans le moule et en augmentant progressivement le débit de gaz-liquéfié. Le débit maximum est plutôt déterminé par des considérations de rentabilité. En effet, en augmentant le débit au delà du débit minimal ci-dessus décrit, la durée subséquente d'inertage ont tendance à augmenter, mais l'une et l'autre de ces deux valeurs augmentent plus ou moins rapidement vers des valeurs limites. Selon, les caractéristiques de l'opération de moulage, a donc intérêt à choisir débit qui correspond à la plus grande durée subséquente d'inertage, ou à la meilleure qualité d'inertage, mais en tout cas, il y a intérêt bien entendu, à choisir le débit, qui, associé à une durée d'injection trouvée, permet d'obtenir les conditions d'inertage avec la quantité minimale de gaz liquéfié. A titre d'exemple, dans un moule en grappe ayant des cavités individuelles de moulage, avec un volume de moule de 13 dm3, on a injecté un débit de 0,75 litre par minute d'argon liquide et cela pendant 2 mn 30 secondes (y compris 30 secondes correspondant à la mise en froid des tubulures d'alimentation), en sorte que le volume de gaz liquéfié effectivement injecté est de 1,5 dm3, ce qui correspond à rapport volumétrique de 0,115 (gaz à l'état liquide) ou de 0,95 (gaz à l'état gazeux). En se référant maintenant à la figure 3, on voit qu'on applique le procédé d'inertage à un moule rotatif, ou moule à coquilles qui est adapté à la fabrication de tubes centrifuges. Un moule 35 en forme de tube, est supporté horizontalement par des galets d'entrainement 36, 37 et on introduit au travers d'un fond 39, une canne de déversement 40. L'op6ration d'inertage s'effectue ici en faisant tourner le moule 35, ce qui permet de répandre le gaz liquéfié sur pratiquement toute la surface interne de la cavité du moule. C'est en effet une condition importante de faire participer à la vaporisation l'ensemble de la surface de la cavité du moule En effet, il en résulte non seulement un gain, grâce à une vaporisation qui s effectue in situ, à l'endroit même où l'on a besoin des vapeurs de ce gaz, mais également à une réduction, voire une suppression, des refroidissements locaux exagérés et une uniformation de la température du moule. Pour ce genre de moule tournant, il s'avère nécessaire d'obtenir un rapport volumétrique (gazeux) de l'ordre de 30 (rapport volumétrique pour liquide de l'ordre de 0,044 pour l'azote et 0,037 pour l'argon). A titre d'exemple, dans le cas d'un moule de 160 mm de diamètre, de 4 mètres de longueur, présentant un volume de cavité de moulage de 80 dm3, on a injecté 3,5 litres d'azote liquide, à raison de 2,5 litres par minute pendant 75 secondes. La teneur en oxygène de la cavité de moule est inférieure à 10 000 v.p.m. (soit 1%) et la durée subséquente d'inertage est de 50 secondes, ce qui laisse suffisamment de temps pour assurer le moulage proprement dit. A titre d'exemple on a représenté aux figures 5 et 6 les courbes caractéristiques de pourcentage en oxygène à l'intérieur d'un moule en "grappe" pendant la période d'injection (période A), pendant la période de transfert et de coulée (période B, se décomposant en B' pour le transfert et B" pour la coulée), pendant la période qui met immédiatement la coulée (période C) et cela avec de l'azote liquide donc 1,2 litres a été injecté (figure 5) et de l'argon liquide dont 1,5 litre a été injecté (figure 6), les teneurs en oxygène ayant été relevées pour trois hauteurs ho (compartiment inférieur) h 1 (compartiment médian) h 2 (compartiment supérieur). On rappelle que le moule à un v olume de 13 dm3. On voit qu'on a assuré dans les deux cas une durée d'injection de 2,5 minutes, mais que la durée de transfert et de coulée, qui est de 1 minute avec l'azote liquide, passe à 2,5 minutes pour l'argon. L'invention s'applique au moulage de pièces métalliques. R E V E N D I C T I O N S t. Procédé de coulée de métal, selon lequel on chauffe au moins à fusion ledit métal, après quoi on le coule dans un moule, tout en assurant une protection du métal par vaporisation d'un gaz liquéfié inertant, tel qu'argon ou azote, caractérisé en ce qu'on assure, successivement, une protection de surface du bain de métal en fusion lors de son chauffage, puis une protection de volume du moule au moins préalablement à la coulée proprement dite par un jet contrôlé et réparti de gaz liquéfié, le tout de façon que le métal en fusion reste dans une ambiance gazeuse ayant une trier faible teneur en oxygène, en tout cas inférieure à I , et de pré- Lérence inférieure à 0,1 ,. 2. Procédé de coulée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la protection de volume du moule est assurée par déversement préalable à la cou lée d'un gaz liquéfié inertant, pendant une durée et avec un débit tels que non seulement la cavité du moule soit entièrencnt saturée de gaz inertant, mais en outre qutil subsiste dans ladite cavité du moule une quantité résiduelle de gaz liquéfié suffisante pour assurer pendant l'opération de coulée le maintien de ladite ambiance inertante. 3. Procédé de coulée selon la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité résiduelle de gaz liquéfié est en outre suffisante pour assurer le transfert du moule depuis le poste d' inertage jusqu'au poste de coulée. 4. Procédé de coulée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la protection de surface du bain de métal en fusion lors de son chauffage est assurée par déversement continu, au voisinage de la surface du bain, d'un jet de gaz liquéfié, 5. Procédé de coulée selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la protection de volume du moule est assurée par déversement d'un gaz liquéfié réparti en permanence sur une partie substantielle de la surface de la cavité du moule. 6. Procédé de coulée selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moule étant du type à coquille tournante, on effectue le déversement du gaz liquéfi tout en faisant tourner le dit moule. 7. Procédé de coulée selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moule étant du type à pluralité de cavités de moulage étagées en grappe, le déversement du gaz liquéfié s'effectue par une pluralité de jets étagés au moyen d'une canne de déversement présentant une pluralité d'orifices de déversement étagés.