Brevet FR2425289A1 — publié le 19791207

La présente invention concerne les procédés de coulée, et a notamment pour objet un procédé d'élaboration de lingots axs laita', Iectzoidur, en prtcu oe de grandes dimensions destinés à être employés comme ébauches pour la fabrication des rotors de générateurs et d'autres pièces de grand encombrement. Ces temps derniers, dans plusieurs domaines de l'in- dustrie et surtout dans les constructions de machines pour la production d'énergie se fait de plus en plus sentir le besoin en ébauches obtenues à partir de lingots dont le poids atteint ou dépasse 100 tonnes. On sait que la qualité d'une pièce forgée dépend dans une grande mesure de la structure du lingot de départ et détermine la qualité de la pièce finie. La pratique montre que lors de la fabrication de lingots de grandes dimensions par le procédé classique, en coulant le métal liquide en une seule fois dans la lingotière , il est impossible d'éviter des défauts tels que : ségrégations, cavités, mauvaise répartition des inclusions non métalliques dans le corps du lingot, oxydation de sa surface. La nette non homogénéité physique et chimique des lingots obtenus de cette façon ne permet pas, dans la plupart des cas, de les utiliser pour la fabrication de pièces de grandes dimensions. C'est dans le coeur du lingot que la structure du métal laisse surtout à désirer. Cela s'explique par le fait que la solidification du métal liquide du lingot se fait essentiellement à partir des parois de la lingotière vers sa zone centrale. Mais à mesure que le front de solidification avance, les conditions d'évacuation de la chaleur deviennent plus mauvaises, la structure du métal en cours de solidification se modifie, passant de l'état trempé dendritique fin à la surface du lingot à celui de cristallisation globulaire avec un grand nombre de ségrégations au coeur du lingot. Il y a eu maintes tentatives de modifier le sens de la solidification et d'exercer de la sorte une influence favorable sur la structure du lingot. Il s'est avéré que le procédé d'élaboration de lingot sous laitier électroconducteur par portions (voir le brevet d'invention américain N 3807486, cl. 164-52) était le plus prometteur. Ce procédé comprend les opérations suivantes : formation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie et chauffage du bain par des électrodes, coulée du métal liquide par portions à travers la couche de laitier liquide. Dans ce procédé, on coule chacune des portions après solidification de plus de la moitié de la portion précédente. La coulée se fait par portions égales et la masse de chacune d'elles représente 5 à 25% de la masse-du lingot à obtenir.Après la coulée d'une portion de métal, on procède au chauffage du miroir du bain de métal à l'aide de laitier électroconducteur, en utilisant une puissance électrique suffisante pour que la surface du métal reste liquide dans toute la section de la lingotière. Le métal se solidifie progressivement de bas en haut, de sorte qu'au moment de la coulée de la portion suivante, il reste sous la couche de laitier liquide une certaine quantité de métal non solidifié de la portion précédente. On coule le métal de la portion suivante dans la lingotière, où il se mélange avec la partie non solidifiée de la portion précédente. La direction principale du déplacement du front de solidification après la coulée de la deuxième portion et des suivantes se maintient de bas en haut. L'étudie des lingots obtenus par le procédé précité à montré qu'ils avaient une structure physique et chimique sensiblement homogène dans tout leur volume et que les défauts dus au retrait et aux ségrégations sont pratiquement nuls, mOme au coeur du lingot. Le procédé considéré permet d'obtenir des lingots de plus de 300 tonnes dans une installation de coulée de capacité relativement faible (30 à 50 tonnes par exemple). De plus, grâce à l'interaction entre le laitier liquide et le métal, ce dernier se débarrasse d'une quantité importante d'inclusions non métalliques, ce qui a également une influence favorable sur les propriétés mécaniques du lingot. Toutefois, malgré ses avantages indiscutables, le rendement du procédé est limité. En particulier, quand la masse des portions égales est relativement faible (de 5 à 25% de la masse totale du lingot), on doit effectuer un nombre assez important de coulées. Les tentatives faites pour élever le rendement en augmentant la masse des portions jusqu'à plus de 25% de la masse totale du lingots sont avérées vaines. C'est ainsi que déJA dans la zone de la deuxième portion et surtout celle de la troisième portion on constatait après solidification des ségrégations et d'autres défauts dus à la non homogénéité de la structure. La raison proncipale de leur apparition était le changement du sens principal de déplacement du front de solidification, du à la diminution de l'évacuation de la chaleur vers la plaque de fond au cours de la croissance du lingot et à une évacuation intense de la chaleur par les parois de la lingotière, suivant pratiquement la plus grande partie de la hauteur de la portion. En fait, à partir de la seconde portion, la solidification reprenait le caractère qu'elle avait quand la coulée du lingot s'effectuait normalement, en une fois. Compte tenu des inconvénients énumérés ci-dessus, on s'est proposé de mettre au point un procédé d'élaboration de lingot sous laitier électroconducteur permettant d'élever le rendement en alertant la masse des portons etd'obtenir en même temps une solidification dirigée de bas en haut. La solution consiste en ce que dans le procédé d'gla- boration de lingot sous laitier électroconducteur du type comprenant la réalisation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie et le chauffage de ce bain par des électrodes, et la coulée du métal liquide par portions à travers une couche de laitier liquide après solidification de plus de 50 96.de chaque portion précédente, suivant l'invention on interrompt la coulée de la première portion de métal dans le bain de laitier lorsque sa masse atteint 30 à 5046 de la masse total du lingot, et on effectue la coulée de chaque portion suivante Jusqu'à ce que sa masse atteigne 10 à 50% de la masse de la-première portion. Lors de la coulée de la première portion de métal, même quand elle forme 50% du lingot, la solidificatioea lieu à-partir du fond de la lingotière à cause * ltévacuation de la chaleur intense vers la plaque de fond. La diminution de la masse de la deuxième portion ainsi que des portions suivantes, avec apport de chaleur au bain de laitier, permet de diminuer la vitesse de solidification à partir des parois de la lingotière et d'assurer la croissance des cristaux essentiellement à partir du fond. Ces facteurs contribuent à l'augmentation du rendement du procédé sans nuire à la qualité du lingot obtenu. Afin d'améliorer la qualité du lingot, il est avantageux que la coulée de chacune des portions successives subséquentes à la seconde steffectue avec diminution de la masse de chacune desdites portions par rapport à la précédente. Il est avantageux,- après la seconde portion, d'arrêter la coulée de chaque portion suivante lorsque sa masse atteint 50 à 90% de celle de la portion précédente. Il est avantageux, du point de vue technologique, de continuer la coulée de la première portion de métal dans le bain de laitier Jusqu'à ce que la masse de la portion atteigne 30,' de la masse totale du lingot, et après la seconde portion, d'effectuer de chacune des portions suivantes Jusqu'à ce que sa masse atteigne 90g de la masse de la portion précédente. Suivante une autre variante de mise en oeuvre du procédé, la coulée de la première portion de métal liquide dans le bain de laitier est réalisée Jusqu'à ce que sa masse atteigne 50% de la masse totale du lingot, et la coulée de chaque portion suivante est interrompue quand sa masse atteint 50% de celle de la portion précédente. Ceci permet d'obtenir un maximum d'homogénéité de la structure physique du lingot. Selon un mode optimal de mise en oeuvre-du procédé la coulée de la première portion de métal liquide dans le bain de laitier est réalisée Jusqu'à ce que sa masse atteigne 40% de la masse totale du lingot, et après la seconde portion, la coulée de chacune des portions suivantes est arrêtée quand sa masse atteint 77% de la masse de la portion précédente. D'autre caractéristiques et avantages de l'invention serons mieux compris à la lecturé de la description qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente une lingotière refroidie dans laquelle sont introduites les électrodes (vue de côté, en coupe) - la figure 2 représente une lingotière refroidie avec les électrodes connectées à une source d'alimentation; - la figure 3 représente la lingotière refroidie et les électrodes lors de la formation du bain de laitier, conformément à l'invention; - la figure 4 représente la position des électrodes et celle du tube central lors de la coulée de la première portion de métal liquide dans la lingotière refroidie à travers la couche de laitier liquide, conformément à l'invention;; - la figure 5 représente la position des électrodes après la coulée de la première portion de métal liquide et illustre clairement le processus de solidification à partir du fond de la lingotière, conformément à l'invention; - la figure 6 représente la coulée de la deuxième portion demé liquide dans la lingotière à travers la couche de laitier liquide, conformément à l'invention. - la figure 7 représente la position des électrodes après la coulée de toutes les portions de métal liquide dans la lingotière lors de la suppression de la retassure; - la figure 8 représente la structure du lingot coulé conformément à l'invention. Lors de la fabrication des lingots métalliques conformément au procédé, obJet de l'invention, une lingotière refroidie2estpcsée sur une plaque de fond 1 et munie d'une chemise d'eau 3, comme on le voit sur la figure 1. Sur la plaque de fond 1 est posé un disque métallique d'amorçage 4 dont la composition chimique est proche du celle du métal du lingot à fabriquer. On intruduit dans la lingotière 2 des électrodes non consommables 5 en graphite, dont le nombre est un multiple de trois. Les électrodes 5 sont connectées à une source de courant triphasé 6 de fréquence industrielle, et sont régulièrement disposées suivant la péripherie de la section transversale de la lingotière 2, comme on le voit sur la figure 2. Le procédé d'élaboration de lingot sous laitier électroconducteur est mis en oeuvre comme suit. Les électrode 5 sont descendues Jusqu'à ce que leurs extrémités inférieures touchent le disque d'amorçage 4. Pans la lingotière 2 on verse un laitier à haut pourvoir d-!á *inage, ou bien un mélange de composants de charge d'un tel laitier. La source de courant triphasé- 6 fournit aux électrodes 5 un courant que l'on maintient dans les limites de 10 000 à 20 000 ampères et une tension dans les limites de 50 à 90 volts. il se forme alors dans la lingotière une couche de laitier liquide et un bain de laitier 7 estddenu comme on le voit sur la figure 3. Par la suite la couche de laitier liquide ainsi forméeest chauffée tout le temps par les électrodes 5. On peut formér le bain de laitier 7 de toute autre façon appropriée, par exemple en versant dans la lingotière 2 un laitier liquide spécialement fondu. Sur la paroi de la lingotière 2, de même que dans l'espace entre le disque 4 et la paroi de la lingotière 2, il se forme un garnissage de laitier 8 dont la hauteur est égale à la hauteur du bain de laitier 7 dans la lingotière 2. Après la formation du bain de laitier 7, on procède à la coulée du métal liquide par portions. La première portion de métal liquide 9 (figure 4) est coulée dans la lingotière 2 à travers la couche de laitier liquide 7. A mesure du remplissage de la lingotière 2, on fait monter les électrodesq5 tout en maintenant leurs extrémités dans le bain de-itier 7, comme le montre la figure 4. Suivant l'invention, on arrête la coulée de la première portion 9 de métal liquide lorsque sa masse atteint 30 à 50% de la masse totale du lingot à élaborer. La coulée de cette portion terminée, on continue à chauffer le bain de laitier 7 par les électrodes 5. La couche de laitier chauffée 7 transmet sa chaleur aux couches superficielles de la première portion 9 de métal liquide. Mais par suite de l'évacuation intense de chaleur par la plaque de fond 1, le métal liquide se solidifie près de la surface du disque d'amorçage 4 et de la paroi de la lingotière re froide La croissance des cristaux se déroule essentiellement à partir du fond de la lingotière 2, comme on le voit sur la figure 5. Après solidification de plus de 50% du métal de la première portion 9, on coule à travers la couche de laitier liquide la seconde portion (figure 6). Lors de la coulée de la seconde portion de métal liquide, celui-ci se mélange avec la partie non solidifiée du métal de la première portion 9, ce qui uniformise la composition chimique du lingot à élaborer. Suivant l'invention, on coule la seconde portion jusqu'à ce qu'elle forme 10 à 5096 de la masse de la première portion 9. A mesure que le lingot croit, l'évacuation de la chaleur du métal liquide vers la plaque de fond 1 se ralentit. Dans ces conditions, la diminution de la masse de, la seconde portion et l'apport de chaleur dans le bain de laitier diminuent sensiblement la vitesse de solidification à partir des parois de la lingotière 2- et assurent de cette façon la prédominance de la croissance des cristaux à partir du fond de la lingotière, conformément à l'invention. Après solidification de plus de 50% du métal de la second portion, on coule à travers la couche de laitier liquide la troisième portion, dont la masse est égale ou inférieure à celle de la seconde portion. Par la suite les opérations de coulée des portions successives de métal liquide sont réalisées d'une manière analogue Jusqu'à la formation complète du lingot. Après lå coulée de la dernière portion dans la lingotière 2, on supprime la retassure en chauffant le bain de laitier au-dessus du lingot 10 à l'aide des électrodes 5, comme on le voit sur la figure 7. La structure du lingot élaboré suivant le procédé, obJet de l'invention, est montrée sur la figure 8, avec indication du pourcentage de la masse M1 de la première portion par rapport à la masse totale M du lingot, ainsi que des pourcentages de la masse M2 de la seconde portion de la masse N3 de la troisième et celles des portions suivantes par rapport à la masse M1 de la première portion. Ci-après sont décrits quelques exempleqboncrets mais non limitatifs de réalisation de l'invention. Exemple 1 Lors de la production de grands lingots de forge ayant une masse de 200 tonnes, on utilise une lingotière refroidie par eau de 2 500 mm de diamètre et de 6 ooo me de hauteur. On installe la lingotière sur une plaque de fond où est posé un disque d'amorçage. On introduit dans la lingotière trois ou six électrodes gn graphite Jusqu'à ce que leurs extrémités inférieures soient en contact avec le disque d'amorçage. Le diamètre de chacune des électrodes est de 250 à 500 n. On verse dans la lingotière du laitier ou un mélange de composants de charge de laitier de ce type. On fait circuler par les électrodes un courant de 10 000 à 20 000 ampères à une tenEioa de 50 à 90 volts.Il se forme alors dans la lingotière une couche -de laitier liquide, ctest àwdire un bain de laitier qui est tout le temps chauffé par les électrodes. Après la formation du bain de laitier, on coule dans la lingotière, à travers la couche de ce laitier, la première portion de métal liquide. La masse de cette première portion est de 60 tonnes, c'est-a-dire 30% de la masse totale du lingot. La coulée de la première portion terminée, on continue de chauffer le bain de laitier à l'aide des électrodes pendant une période de huit à quinze heures. -Une fois le métal de la première portion-solidifié à plus de 50%, on coule la seconde portion de métal liquide, d'une masse de 20 tonnes, soit 33 1/Nó de la masse de la première portion. Après coulée de la seconde portion, on continue de chauffer le bain de laitier au moyen des électrodes, et trois à dix heures plus tard on coule dans la lingotière la troisièmes portion de métal liquide La masse de la seconde portion, de la troisième et de chacune des suivantes est de 20 tonnes. Après la coulée de la dernière portion on supprime ou on égalise la retassure. En appliquant une telle technique on empêche le développement des défauts du type ségrégation, même dans le cas d'aciers se solidifiant dans une large gamme de températures. Exemple 2. Un lingot de forge de 200 tonnes en-un acier se solidifiant dans une plage limitée de température est élaboré de la même façon que'ci-dessus mais les paramètres de fa bzicatirn sont les suivants. On coule la première portion de métal liquide Jusqu'à ce que sa masse atteigne 80 tonnes, soit 40% de la masse totale du lingot à élaborer. La seconde portion est coulée 6 à 15-heures plus tard, quand le métal de la première s'est solidifié à plus de 5050,. La seconde et toutes les portions suivantes sont coulées jusqu'à ce que la masse de chacune d'elles atteigne 20 tonnes, l'intervalle de temps séparant ces coulées successives étant de 3 à 10 heures. Cette technique assure un rendement élevé de la fa bricaton de lingots en aciers à plage réduite de température de solidification.Le lingot complet de 200 tonnes est obtenu après sept coulées. Exemple 3 L'élaboration d'un lingot de-forge de 200 tonnes est réalisée, suivant l'invention, en coulant une première portion de métal liquide Jusqu'à une masse de 100 tonnes, soit 50% de la masse totale du lingot. On arrête la coulée de la seconde portion à- 50 tonnes, soit 50% de la masse de la première, et on coule les portions suivantes en diminuant pro gressivement la masse de chaque portion par rapport à la portion précédente. Notamment, la coulée des troisième et quatrième portions et celle des suivantes est réalisée à des intervalles diminuant successivement de 10 heures à 0,5 heures, en diminuant la masse de chaque portion de manière qu'elle soit égale à 50% de la masse de la portion précédente. Dans ce cas, non seulement le rendement est relativement élevé (huit coulées seulement), mais de plus les conditions de formation du lingot sont meilleures, puisque la modification de la masse de chacune des portions correspond à la variation de l'évacuation de la chaleur à mesure de la croissance du lingot et est plus favorable à une solidification dirigée. ExemPle 4 L'élaboration d'un lingot de forge de 200 tonnes est réalisée comme décrit ci-dessus, à l'exception du dosage des portionsMde métal coulées. La première portion de métal liquide est coulée jusqu'à ce que sa masse dans la lingotière atteigne 30% de la masse totale du lingot. On coule la seconde portion jusqu'à une masse de 30 tonnes, soit 50% de la masse de la première portion. Après la première portion, on coule les portions suivantes en diminuant successivement la masse de chacune d'elles de 10in par rapport à la. masse drla poztloei précédente. Exemple 5 L'élaboration d'un lingot de forge de 200 tonnes est réalisée de la façon décrite plus haut, à l'exception du dosage du métal liquide coulé. En particulier, on coule la première portion de métal jusqu'à ce que sa masse atteigne 40%de la masse totale du lingot, c'est-à-dire 80 tonnes. La seconde portion est coulée jusqu'à 50% de la masse de la première portion, c'est-à-dire 40 tonnes. On coule les portions qui suivent la seconde en diminuant la masse de chacune d'elles de 230/0 par rapport à la masse de chaque portion précédente. On diminue successivement l'intervalle entre les coulées de 20 heures à 2 heures. Cette variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention est préférable quand on veut assurer un rendement élevé et une bonne qualité des gros lingots de forge. Le procédé conforme à l'invention d'élaboration de lingots sous laitier électroconducteur offre le plus de possibilitésquand il s'agit de fabriquer les gros lingots de forge de plus de 40 tonnes, et pouvant aller jusqu'à 350 tonnes, qui sont nécessaires à la fabrication des rotors de turbines de plus d'un millier de mégawatts. L'avantage principal dudit procédé par rapport aux procédés connus consiste en ce qu'il permet d'augmenter le rendement de la coulée par portions en augmentant les masses des portions coulées, tout en assurant l'obtention d'une structure cristalline et chimique homogène dans pratiquement tout le volume du lingot gr ce à sa solidification dirigée de bas en haut. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés-qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé d2élaboration de lingots sous laitier électroconducteur, du type consistant à créer un bain de laitier dans une lingotière refroidie, à le chauffer à l'aide d'électrodes et couler le métal-liquide par portions à travers la couche de laitier liquide, la coulée de chaque portion étant eerectuée après solidification de plus de 50% de la portion précédente, caractérisé en ce qu'on arrête la coulée de la première portion de métal liquide dans le bain de laitier quand la masse du métal dans la lingotière atteint 30 à 5070 de la masse totale du lingot, et qu'on effectue la coulée de chacune des portions suivantes Jusqu'à ce que sa masse dans la lingotière atteigne 10 à 50% de la masse de la première portion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, après la seconde portion, ou coule chaque portion successive en diminuant sa masse par rapport à la précédente. 3. Procédé selon l'une des revendicatioi 1 et 2, caractérisé en ce que, après la seconde portion, la coulée de chaque portion successive est interrompue quand sa masse atteint 50 à 9/ de la masse de la portion précédente. 4. Procédé selon l'une des revendication 1, 2 et 3 caractérisé en ce que la coulée de la première portion de métal liquide dans le bain de laitier continue Jusqu'à ce que sa masse dans la lingotière atteigne 30% de la masse totaledu lingot, et qu'après la seconde portion, la coulée de chacune des portions successives est réalisée jusqu'à ce que sa masse dans la lingotière atteigne 9aS de la-masse de la portion précédente. 5. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que- la coulée de la première portion de métal liquide dans le bain de laitier est réalisée Jusqu'à ce que sa masse dans la lingotière atteigne 50% de la masse totale du lingot, et que la coulée de chacune des portions suivantes est arrêtée au moment où sa masse atteint 50% de celle de la portion précédente. 6; Procédé selon l'une des revendication 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la coulée de la première portion de métal liquide dans le bain de laitier est effectuée jusqu'à ce que sa masse dans la lingotière atteigne 40% de la masse totale du lingot, et qu'après la seconde portion, la coulée de chacune des portions successives est arrêtée quand sa masse atteint 77 ,4 de celle de la portion précédente 7. Lingots caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'obJet de l'une des revendications 1 à 6.