Brevet FR2270965A1 — publié le 19751212

l'invention concerne les procédés d'élaboration de lingots appliqués dans la métallurgie et consistant à mouler ces lingots dans les lingotières refroidies, le métal liquide étant obtenu par refusion de demi-produi-ts ou d'électrodes consommables, par exemple dans des installations de refusion sous laitier électroconducteur. Actuellement, pour faire fondre des demi-produits ou les électrodes consommables, on utilise en tant que source de chaleur des arcs électriques ou un faisceau d'électrons sous vide, ainsi-qutun plasma d'arc ou la résistance électrique d'un laitier en fusion. Ces derniers temps, il s'est avéré nécessaire d'élaborer des lingots de fort tonnage. Toutefois, lors de la solidification des gros lingots en métaux et alliages à faible conductivité thermique ( grande résistance thermique), la dissipation de la chaleur latente de fusion est lente, aussi la vitesse de solidification du lingot diminue-t-elle. Ceci, à son tour, altère les conditions de solidification et de raffinage du métal liquide, contribue à l'apparition de processus de liquation et de retrait dans le lingot. En définitive, il se forme dans le lingot une macrostructure à gros grains, des ségrégations et d'autres défauts d'hétérogénéité structurale. La structure aciculaire à gros grains du lingot entraîne une série de difficultés dans les fabrications; elle est la cause de l'abaissement de la plasticité technologique du lingot, rend nécessaire un taux de déformation accru au forgeage, complique le contrale aux ultrasons et altère les autres propriétés du métal. On a tenté d'améliorer la qualité du métal en modifiant la structure du. lingot. A cet effet, lors de la refusion à l'arc sous vide, le métal liquide était soumis dans la lingotière refroidie à l'action dtun champ électromagnétique1 afin d'assurer- la rotation du bain. Cela a permis d'obtenir un lingot à structure cristalline fine. Toutefois, une telle action fait apparaitre un creux dans le bain de métal qui, à son tour, est la cause de porosités et de défauts de ségrégation (ségrégations en taches). Dans la refusion sous laitier électroconducteur, la mise en oeuvre d'un champ magnétique provoque la rotation du bain de scorie, mais n'a pas d'effet notable sur la solidification du métal. On connaît des procédés d'aetion mécanique sur le métal liquide en cours de solidification dans une lingotière refroidie. A cet effet, on dote la lingotière refroidie d'un entraînement la faisant tourner autour de son axe longitudinal. La rotation continue dans un sens, du métal liquide en cours de solidification, fait apparaître des porosités dans la zone axiale du lingot et n'a pas une action efficace sur la structure cristalline du lingot. On a tenté de soumettre à la vibration le métal liquide en cours de solidification, au cours de la refusion d'électrodes consommables, mais le résultat a été une altération de la surface du lingot. De la sorte, les tentatives antérieures indiquées d'action sur le métal liquide pendant sa solidification n'ont pas donné les résultats escomptés : elles n1 ont pas permis d'obtenir une structure cristalline fine dans le lingot sans altération de ses autres propriétés, telles que la densité et l'état de surface. Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est donc proposé de créer un procédé d'élaboration de lingots métalliques avec des modes d'action sur le métal du lingot au cours de sa solidIfication tels qu'ils assurent la formation d'une structure cristalline fine et dense, améliorent la plasticité technologique des alliages difficilement déformables, contribuent à l'accroissement de la production des installations élaborant les lingots, par exemple, par refusion d'électrodes consommables sous laitier électroconducteur, et permettent d'assurer un centrale efficace de la qualité du lingot par ultrasons. La solution consiste en un procédé d'élaboration d'un lingot avec un métal liquide obtenu par fusion d'un demi-produit métallique ou d'une électrode et-remplissant la cavité d'une lingotière refroidie, animée d'un mouvement de rotation autour de son axe longitudinal pendant la croissance et la solidification du lingot, procédé dans lequel, d'après l'invention, la lingotière refroidie, avec la couche extérieure d lingot qui s'y solidifie, 'sont animées d'une rotation alternative par rapport au métal liquide du lingot contactant ladite couche dans la zone de solidification,l'angle de rotation étant de 5 à 1800Cet la fréquence de l'alternance étant de 1 à 300 cycles par minutes. Grâce à la rotation alternative de la lingotière refroidie avec la couche extérieure du lingot s'y solidifiant, dans la zone de solidification à deux phases, la couche extérieure de métal en cours de solidification se déplace par rapport au métal liquide, ce qui s'oppose à la formation d'une structure à gros grains et provoque 1a rupture des axes des dentrites en cours de croissance, augmente le nombre de centres de solidiìcation, diminue la largeur de la zone à deux phases où le métal est dans un état intermédiaire. Tout cela contribue à la formation d'une structure fine dans le lingot et facilite le remplissage par le métal liquide des intervalles interoristallins se formant lors du retrait du métal en cours de solidi -fication. Il est avantageux d'animer la lingotière et la couche exté rieure de métal du lingot s'y solidifiant dlune rotation alternative dans le cas de refusion d'électrodes sous laitier électroconducteur. Dans ce cas, la chaleur est plus uniformément répartie dans le bain de laitier (l'évacuation de chaleur à travers la paroi de la lingo tière refroidie diminue et la puissance fournie l'électrode augmente) et l'arrachement des gouttes de métal liquide à la surface fondue de l'électrode consommable est accéléré, ce qui contribue à l'augmentation de la production de l'installation. Pour explique l'invention, on décrit plus bas des exemples de réalisation du procédé. Le procédé faisant l'objet de l'invention peut etre réalisé dans une installation comprenant un dispositif pour la fusion d'un demiproduit métallique ou d'électrodes consommables et ayant une lingotière refroidie dotée d'une commande réversible. Exemple Dans une installation pour la refusion d'électrodes consommables sous laitier électroconducteur on a élaboré sous un flux de fluorine et d'alumine des lingots de 110 mm de diamètre, la fréquence de rotation alternative étant 'de 120 cycles par minute et la rotation de la lingotière refroidie autour de son axe longitudinal étant de 30e, les lingots ont été comparés à des lingots de mêmes dimensions, élaborés dans une lingotière refroidie fixe Il s'est avéré que le lingot élaboré par le procédé faisant l'objet de l'invention avait une macrostructure homogène plus dense. Ainsi, les grains du lingot élaboré dans la lingotière à rotation alternative étaient sept fois plus petits; la résistance à chaud aux efforts mécaniques était de 15% plus grande et la plasticité de 25X plus grande. Exemple Dans une installation de refusion sous laitier électroconducteur, on a élaboré un lingot de 150 mm de diamètre en alliage nickelchrome sous flux de fluorine. Pendant la formation du lingot, la lingotière refroidie était animée d'une rotation alternative de 400 d'amplitude à la fréquence de 90 cycles par minute. Le lingot élaboré avait une structure cristalline fine et homogène. Exemple Dans un four à plasma-arc,. dont la lingotière refroidie a une cavité de 80 mm de diamètre, on a refondu des demi-produits (électrodes consommables) en alliage réfractaire à base de molybdène, dans une atmosphère de gaz inerte. Au cours de la formation du lingot, la lingotière refroidie étant animée d'une rotation alternative dont l'amplitude était de 5 à 100 et la fréquence de 180 à 300 cycles par minute. Grâce à un tel procédé d'élaboration de lingots, on obtient dans les lingots une structure cristalline fine, le métal est dense et sa déformation allégée. Exemple Dans une installation de refusion sous laitier électroconducteur dont la lingotière refroidie a une cavité de 425 mm de diamètre, on a refondu sous un flux à la fluorine et à l'alumine des électrodes en acier inoxydable, fortement allié,résistant aux efforts mécaniques à chaud. La lingotière refroidie était animée d'une rotation alternative dont l'amplitude était de 150 à 1800 et la fréquence de 1 à 5 cycles par minute. Le lingot élaboré avait une structure cristalline fine et le contrôle par ultrasons de la qualité des ébauches forgées à partir du lingot s'est nettement amélioré. Le procédé décrit peut trouver des applications dans divers fours pour la refusion de demi-produits métalliques ou d'électrodes consommables dans une lingotière refroidie dotée d'une commande réversible pour sa rotation alternative autour de son axe longitidonal. Pendant la formation du lingot, la phase solide ae déplace par rapport à la phase liquide et la structure du lingot devient homogène, à grains fins; le nombre de défauts du type solidification couche par couche et contour clair diminue. Les essais ont montré que la vitesse de fusion des électrodes augmente dans les fours à laitier électroconducteur et les résultats du contrôle de la qualité des lingots et des pièces forgées par ultrasons sçanéllorent; la plasticité et la résistance mécanique à chaud du métal augmentent. Le procédé augmente la production des installations et améliore la qualité des lingots. bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par L'homme de ltart au procédé qui vient d'etre décrit à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS l. Procédé d'élaboration de lingots avec un métal liquide obtenu par fusion d'un demi-produit métallique ou d'une électrode consommable et remplissant la cavité d'une lingotière refroidie, animée d'une rotation autour de son axe longitudinal pendant la croissance et la solidification du lingot, ce procédé étant caractérisé en ce que la lingotière refroidie avec la couche extérieure du lingot qui s'y solidifie sont animées d'une rotation alternative par rapport au métal liquide du lingot contactant ladite couche dans la zone de solidification, l'angle de rotation étant de 5 à 180 et la fréquence d'alternance de 1 à 300 cycles par minute. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rotation alternative de la lingotière refroidie et de la couche extérieure du lingot qui s'y solidifie, par rapport au métal liquide, est effectuée pendant la refusion d'électrodes sous laitier électroconducteur dans la lingotière.