Brevet FR2422463A1 — publié le 19791109

La présente invention se rapporte aux procédés de coulée et a notamment pour objet un procédé dfélaboration, sous laitier électroconducteur, de lingots de grandes dimensions utilisés comme ébauches destinées à la fabrication de rotors d'alternateurs et d'autres pièces de grandes dimensions. Ces derniers temps, dans plusieurs branches de l'industrie, surtout dans la construction de machines énergétiques, se fait de plus en plus sentir le besoin en pièces forgées obtenues à partir de lingots dont le poids atteint 100 tonnes et plus. Il est connu que la qualité de la pièce forgée dépend beaucoup de la structure du lingot de départ et détermine la qualité du produit fini. La pratique a montré que le procédé classique de fabrication de lingots de grandes dimensions par une opération unique de coulée de métal liquide dans une lingotière donne lieu inévitablement à des défauts tels que : ségrégations, soufflures, répartition défavorable des inclusions non métalliques dans la masse du lingot, oxydation de la surface du lingot. La non homogénéité physique et chimique marquée des lingots obtenus de cette manière ne permet pas, dans la majorité des cas, l'utilisation de ceux-ci pour la fabrication de pièces de grandes dimensions. Particulièrement insatisfaisante est la structure du métal dans le coeur du lingot. Cela s'explique par le fait que la solidification du métal liquide dans la lingotière s'effectue principalement à partir des parois de la lingotière vers sa zone centrale. En même temps à mesure que le front de solidification avance les conditions de ltévacuation de la chaleur se détériorent et la structure du métal en cours de solidification passe de l'état dendritique fin trempé près de la surface du lingot aux cristallites globulaires avec de nombreuses ségrégations au coeur du lingot. Il y a eu maintes tentatives de changer l'orientation de la solidification et d'exercer de cette manière une influence positive sur la structure du lingot. Il s'est avéré que, de ce point de vue, le procédé de coulée de lingots par portions sous laitier électroconducteur était le plus prometteur (voir le brevet d'invention américain nO 3807486, Int. Cl. 164-52). Ledit procédé comprend les opérations suivantes : formation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie et chauffage dudit bain par des électrodes, coulée du métal liquide par portions à travers une couche de laitier liquide. Dans ce procédé, la coulée de chaque portion successive s'effectue après solidification de plus de la moitié du métal de chaque portion précédente. Après coulée d'une portion de métal on effectue un chauffage de la surface du métal par le laitier électroconducteur, en utilisant pour cela une puissance électrique suffisante pour que toute la surface du métal soit maintenue liquide. Le métal coulé se solidifie graduellement de bas en haut de manière qu'au moment de la coulée de la portion suivante il reste sous la couche de laitier liquide une partie non solidifiée du métal de la portion précédente. Le métal liquide de chaque portion suivante coulée dans la lingotière se mélange avec la partie du métal non solidifié de la portion précédente. Le déplacement du front de solidification après la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes reste dirigé essentiellement de bas en haut. L'étude des lingots obtenus par le procédé décrit cidessus a montré que leur structure physique et chimique est relativement homogène dans tout leur volume, et que les dé fMut de retrait et de ségrégation sont pratiquement absents, méme au codeur du lingot. Le procédé considéré donne la possibilité d'obtenir des lingots de plus de 300 tones à l'aide d'une installation de fusion d'acier d'une capacité relativement faible (par exemple, de 30 à 50 tonnes). En outre, gracie à son interaction avec le laitier liquide, le métal est débarrassé dans une mesure sensible des inclusions non métalliques, ce qui a également une influence favorable sur les propriétés mécaniques du lingot. Toutefois, la pratique a montré que l'utilisation de ce procédé entrain inévitablement l'apparition de bourrelets sur la surface du lingot. Ces bourrelets se forment par suite de la fusion et de la rupture de la mince couche superficielle de métal solidifié de chaque portion lors de coulée de chaque portion suivante de métal liquide. La rupture de la couche de métal solidifié à lieu dans les zones périphériques de la cavité de la lingotière sous l'action du poids du métal liquide coulé. A travers les ruptures de cette couche le métal liquide passe à travers l'interstice entre le lingot en formation et la lingotière, en formant les bourrelets en question.Pour prévenir la formation de repliures lors du forgeage ou du laminage ultérieur du lingot il faut éliminer ces bourrelets par un traitement mécanique, ce qui exige un travail supplémentaire et entrain des pertes considérables et irréversibles de métal de qualité, notamment dans es conditions de production en channe des lingots. Outre cela, les bourrelets atteignant certaines dimensions compliquent l'extraction du lingot de la lingotière. Compte tenu des inconvénients énumérés ci-dessus, on s'est proposé de créer un procédé d'élaboration de lingots sous laitier électroconducteur qui permettrait d'éviter la formation de bourrelets sur la surface des lingots lors de la coulée du métal liquide par portions. Ce problème est résolu grace à un procédé d'élaboration de lingots sous laitier électroconducteur, comprenant la formation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie, le chauffage de celui-ci par des électrodes non consommables et la coulée de portions successives de métal liquide dans la lingotière à travers la couche de laitier chauffé, ledit procédé étant caractérisé, suivant l'invention, en ce que la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes s'effectue d'une maniere intermittente en interrompant périodiquement le jet de métal liquide. La coulée intermittente de la deuxième portion et des portions suivantes permet de diminuer la hauteur de la colonne de métal coulée en une fois, et par conséquent , la valeur de sa pression sur la mince couche de métal solidifié de la portion précédente. En même temps, lors des interruptions du jet de métal, une solidification partielle du métal coulé a lieu près des parois de la lingotière, ainsi qu'une augmentation de ltépaisseur de ladite couche, suffisante pour lui permettre de supporter le poids de toute la portion et pour empêcher le passage du métal liquide à travers l'interstice entre la lingotière et le lingot en formation. Il est rationnel d'interrompre provisoirement la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes quand la hauteur de la colonne de métal liquide. atteint 1/10 à 1/5 de la hauteur totale de la portion à couler. Il est rationnel, lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes, d'interrompre le jet de métal liquide pendant 3 à 30 minutes. Suivant une variante du procédé de l'invention, lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes, on interrompt le jet de métal liquide pendant 3 minutes quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint sensiblement 1/10 de la hauteur totale de la portion à couler Cette variante est préférée quand il s'agit d'élaborer des lingots d'une masse inférieure à 100 tonnes en acier à teneur en carbone de plus de 0,30, ainsi qu'en cas de fabrication de lingots d'une masse supérieure à50 tonnes. Suivant une autre variante de mise en oeuvre du procédé de l'invention, lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes, on interrompt le jet de métal liquide pendant 30 minutes quand la hauteur de colonne de métal coulé en une fois atteint 5/10 de la hauteur totale de la portion à couler. Il est rationnel d'obtenir ces conditions quand il s'agit de couler des lingots à faible teneur en carbone, ainsi que lors de la fabrication de lingots dont le poids ne dépasse pas 50 tonnes. Suivant une variante universelle et optimale compte tenu de la productivité, lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes on interrompt le jet de métal liquide pendant 12 minutes quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une seule fois atteint sensiblement 28/100 de la hauteur totale de la portion à couler. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description détaillée suivante de divers modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure I est une vue schématique de la lingotière refroidie, des électrodes introduites dans oelle-ci et de la poche de coulée avec la quenouille, pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invenbion - la figure 2 est une vue en plan de la lingotière refroidie avec les électrodes connectées à la source de courant - la figure 3 représente la lingotière refroidie et les électrodes lors de la formation du bain de laitier - la figure 4 représente la position des électrodes et de la quenouille de la poche de coulée lors de la coulée de la première portion de métal liquide, conformément à l'invention - la figure 5 représente la position des électrodes et de la quenouille de la poche de coulée après la coulée de la première portion de métal liquide, lors du chauffage du bain de laitier, conformément à l'invention - la figure 6 représente la position de la quenouille de la poche de coulée au début de la coulée de la deuxième portion de métal liquide, conformément à l'invention; - la figure 7 représente la position de la quenouille de la poche de coulée au moment de l'interruption du jet de métal liquide lors de la coulée de la deuxième portion, et illustre clairement le processus d'augmentation de ltépais- seur de la couche de métal solidifié lors de la solidification partielle du métal liquide de la deuxième portion près de la paroi de la lingotière, conformément à l'invention - la figure 8 représente la position de la quenouille de la poche de coulée lors de la coulée subséquente de la deuxième portion de métal liquide dans la lingotière, conformément à l'invention - la figure 9 représente la position des électrodes dans la lingotière après la coulée de toutes les portions de métal liquide au moment de l'élimination de retassure. Lors de la coulée des lingots métalliques conformément à l'invention, on utilise une lingotière 2 refroidie, montée sur une plaque de fond 1 et comportant une chemise d'eau 3, comme montré sur la figure 1. Sur la plaque de fond 1 est posé un disque-amorce métallique 4 dont la composition chimique est proche de la composition chimique du métal du lingot à couler. Dans la lingotière 2 sont introduites des électrodes non consommables 5 en graphite, dont le nombre est multiple de trois. Au-dessus de la lingotière refroidie 2 se trouve la poche de coulée 6 comportant dans son fond un orifice d'évacuation 7. L'orifice 7 est muni d'un obturateur 8 comprenant la commande 9 reliée à une quenouille 10.Quand la quenouille 10 est introduite dans l'orifice d'évacuation 7 de la poche de coulée 6, elle coupe complètement l'arrivée du métal liquide dans la lingotière refroidie 2. Les électrodes 5 sont reliées à une source Il de courant triphasé à fréquence industrielle et disposées régulièrement le long de la périphérie de la section transversale de la lingotière 2, comme montré sur la figure 2. Le procédé d'élaboration de lingots sous laitier électroconducteur, objet de l'invention, est mis en oeuvre de la façon suivante. Les électrodes 5 sont abaissées jusqu'à ce que leurs extrémités inférieures entrent en contact avec le disqueamorce 4. On verse dans la lingotière 2 un laitier possèdant une haute capacité d'affinage, ou un mélange de composants de charge d'un tel laitier. On alimente les électrodes 5 en énergie électrique à partir de la source de courant électrique Il en maintenant le courant à une valeur de 10000 à 20000 ampères, et la tension, de 50 à 90 volts. il se forme alors dans la lingotière une couche de laitier liquide, c'est-à-dire un bain de laitier 12, comme montré sur la figure 3. Par la suite la couche de laitier liquide ainsi formée est constamment chauffée à l'aide des électrodes 5.On peut ainsi former le bain de laitier 12 d'une autre manière, par exemple en versant dans la lingotière 2 un laitier liquide spécialement fondu à cet effet. Sur la paroi de la lingotière 2, de même que dans l'interstice entre le disque 4 et la paroi de la lingotière 2, il se forme un garnissage 13 de laitier. La hauteur du garnissage 13 est égale au niveau du bain de laitier 12 se trouvant dans la lingotière 2. Après la formation du bain de laitier 12 on effectue la coulée du métal liquide par portions. La première portion 14 de métal liquide est coulée dans la lingotière 2 à travers la couche de laitier liquide 12 en soulevant à l'aide de la commande 9 la quenouille 10 et en ouvrant de cette manière l'orifice d'évacuation 7, comme montré sur la figure 4. La coulée de la première portion 14 de métal liquide, conformément à l'invention, s'effectue continuellement, en maintenant la quenouille en position levée jusqu'à l'achèvement de la coulée. A mesure que la lingotière 2 se remplit on déplace graduellement les électrodes 5 vers le haut de manière que leurs extrémités se trouvent toujours dans le bain de laitier 12, au-dessus du métal liquide. Une fois achevée la coulée de la première portion de métal liquide, on ferme à l'aide de la quenouille 10 l'orifice d'évacuation 7 de la poche de coulée 6, comme montré sur la figure 5. On continue de chauffer le bain de laitier 12 à l'aide des électrodes 5. A ce moment commence la solidification du métal liquide près de la surface du disque-amorce 4 et près des parois de la lingotière refroidie 2. Après solidification de plus de la moitié du métal de la première portion 14, on a, près des parois de la lingotière 2, une couche 15 de métal solidifié. On commence alors à couler à travers la couche de laitier liquide 12 la deuxième portion du métal liquide, en soulevant la quenouille 10 et en ouvrant l'orifice d'évacuation 7 de la poche de coulée 6, comme montré sur la figure 6. La coulée de cette deuxième portion s'effectue conformément à 11 invention, d'une manière intermittente, en interrompant périodiquement le jet de métal liquide-. Suivant un mode particulier de réalisation de liinvention, on interrompt le jet de métal liquide pendant 3 à 30 minutes quand la hauteur de la colonne de métal coulé de la deuxième portion atteint 1/10 à 5/10 de la hauteur totale de cette portion à couler.Le jet de métal liquide est interrompu en femnant avecla quenouille 10 l'orifice d'évacuation 7 de la poche de coulée 6, comme montré sur la figure 7. Pendant cette interruption de la coulée de la deuxième portion ont lieu une solidification partielle du métal près des parois de la lingotière 2 et une augmentation de l'épaisseur de la couche 15, suffisante pour lui permettre de supporter le poids du métal de toute la portion ou de la coulée suivante. Par la suite on -continue la coulée intermittente de la deuxième portion, en ouvrant et en fermant l'orifice d'évacuation 7 et en alternant les coulées avec les interruptions jusqu'à ce que la deuxième portion soit entièrement coulée, comme montré sur la figure 8. Quand la coulée de la deuxième portion est achevée, on continue le chauffage du bain de laitier 12 au moyen des électrodes 5. Au bout de 5 à 20 heures (en fonction du poids de la portion) après la solidification de plus de la moitié de la deuxième portion, on coule, à travers la couche de laitier liquide 12, la troisième portion de métal liquide. La coulée de la troisième portion et de toutes les portions suivantes s'effectue, conformément à l'invention, avec interruptions périodiques du jet de métal liquide de la même manière que lors de la coulée de la deuxième portion. Après la coulée de la dernière portion de métal liquide dans la lingotière 2, on élimine la retassure en chauffant le bain de laitier 12 au-dessus du lingot 16 à l'aide des électrodes 5, comme montré sur la figure 9. Plusieurs exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé d'élaboration de lingots conforme à l'invention sont décrits ci-après. Exemple 1. Lors de la fabrication de lingots de grandes dimensions, d'un poids de 200 tones, on utilise une lingotière refroidie par eau, d'un diamètre de 2500 mm et d'une hauteur de 6000 mm. On monte ladite lingotière sur une plaque de fond sur laquelle est posé un disque-amorce. On introduit dans la lingotière trois ou six électrodes en graphite, jusqu'à ce que leurs extrémités inférieures touchent le disque-amorce. Le diamètre de chaque électrode est de 250 à 500 mm. On verse dans la lingotière du laitier ou un mélange de composants de charge de laitier. On alimente les électrodes en courant, en maintenant son intensité de 10000 à 20000 ampères, et la tension, de 50 à 90 volts. il se forme alors dans la lingotière un bain de laitier, réchauffé sans interruption par les électrodes.Le bain de laitier étant formé, on coule dans la lingotière, à travers la couche de laitier liquide, une première portion de métal liquide, dont le poids est de 50 tonnes. La coulée de la première portion de métal liquide s'effectue sans interruption, l'orifice dtévacua- tion de la poche de coulée étant constamment ouvert. Une fois achevée la coulée de la première portion, on continue de chauffer le bain de laitier au moyen des électrodes pendant 7 à 14 heures. Après solidification de plus de lamoitié du métal de la première portion, on coule la deuxième portion de métal liquide, en interrompant périodiquement le jet à l'aide de la quenouille de la poche de coulée.On interrompt le jet de métal liquide pendant 3 minutes quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint î/io de la hauteur totale de la portion à couler. Après l'achèvement de la coulée de la deuxième portion, quand sa masse atteint 50 tonnes, on continue le chauffage du bain de laitier pendant 7 à 14 heures. Quand plus de la moitié du métal de la deuxième portion s'est solidifié, on coule la troisième portion et les portions suivantes de la même manière manière que lors de la coulée de la deuxième portion. Après la coulée de la dernière portion on élimine la retassure en chauffant le bain de laitier à l'aide des électrodes. Une telle variante de réalisation du procédé est avantageuse pour la coulée de lingots de plus de 50 tonnes, en acier à 0,45% de carbone. Exemple 2. L'élaboration de lingots de forge de 200 tonnes à partir d'aciers à teneur en carbone de 0,20 à 0,50% sEìctuécomme durit ci-dessus, sauf en ce qui concerne le temps d'interruption du jet lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes. En particulier, on interrompt le jet de métal liquide pendant 30 minutes quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint 1/10 de la hauteur totale de la portion à couler. Exeiriple 3. L'élaboration d'un lingot de forge de 50 tonnes à partir d'un acier à teneur en carbone de 0,30% s'effectue dans une lingotière d'un diamètre de 1600 mm et d'une hauteur de 3200mm. La première portion de métal liquide est coulée sans interruption jusqu'à ce que sa masse atteigne 10 tonnes. Après solidification de plus de la moitié du métal de la première portion, on coule la deuxième portion, en interrompant périodiquement le jet de métal liquide. Le jet est interrompu pendant 30 minutes quand la hauteur de la colonne de métal liquide coulé en une fois atteint 5/10 de la hauteur de toute la deuxième portion. La coulée de la troisième portion et des portions suivantes s' effectue d'une manière analogue. Exemple 4. Lfélaboration d'un lingot de forge de 50 tonnes à partir d'un acier à teneur en carbone de 0,25% s1 effectue comme décrit dans 11 exemple précédent, sauf en ce qui concerne le temps d'interruption du jet lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes. En particulier, le jet de métal liquide est interrompu pendant 3 minutes quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint 5/10 de la hauteur totale de la portion à couler. Exemple 5. L'élaboration d'un lingot de forge de 200 tonnes à partir d'un acier à teneur en carbone de 0,20 à 0,35% est effectuée avec des interruptions périodiques du jet de métal liquide lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes. En particulier, le jet de métal liquide est interrompu pendant 12 minutes quand la hauteur de la colonne du métal à couler en une fois atteint 28/100 de la hauteur totale de la portion à couler. Cette variante du procédé est la plus universelle et la plus acceptable en cas de coulée de lingots de 10 à 350 tonnes à partir d'aciers à teneur en carbone de 0,10 à 0,60%. Le procédé faisant l'objet de l'invention est particulièrement prometteur pour l'obtention de lingots de forge de haute qualité d'un poids de 40 à 350 tonnes et plus, nécessaires, en particulier, pour la fabrication des rotors de turbines d'une puissance supérieure à 1000 mégawatts dans une seule machine. L'avantage principal duocpopoenconparaison du niveau de la technique antérieure consiste en ce qu'il permet d'éviter la formation de bourrelets sur la surface du lingot lors de la coulée par portions sous laitier électroconducteur, sans diminuer la productivité de la coulée. Pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention on peut utiliser un équipement diffèrent de celui décrit ci-dessus à titre d'exemple. En particulier, pour l'interruption périodique du jet on peut utiliser la poche de coulée basculante largement connue, ou une vanne à coulisse, ou encore une vannedoseuse électromagnétique. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée autmodes 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 celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de coulée de lingots sous laitier électroconducteur, du type comprenant la formation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie, le chauffage de ce bain à l'aide d'électrodes non consommables, et la coulée de portions successives de métal liquide dans la lIngotière à travers une couche de laitier réchauffé, caractérisé en ce que la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes s'effectue d'une manière intermittente, en interrompant périodiquement l'amenée de métal liquide dans la lingotière au cours de la coulée de chacune de ces portions. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes on interrompt provisoirement l'amenée de métal liquide dans la lingotière quand la hauteur de la colonne de métal coulé atteint i/10 à 5/10 de la hauteur totale de la portion à couler. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que lors de la coulée de la deuxième portion et de chacune des portions suivantes on interrompt pendant 3 à 30 minutes l'amenée de métal liquide dans la lingotière. 4. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes, on interrompt pendant 3 minutes l'amenée de métal liquide dans la lingotière quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint sensiblement 1/10 de la hauteur totale de la portion à couler. 5. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes on interrompt pendant 30 minutes l'amenée de métal liquide-dans la lingotière quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint sensiblement 5/10 de la hauteur totale de la portion à couler. 6. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que lors de la coulée de la deuxième portion et des portions suivantes, on interrompt pendant 12 minutes l'amenée de métal liquide dans la lingotière quand la hauteur de la colonne de métal coulé en une fois atteint sensiblement 28/100 de la hauteur totale de la portion à couler. 7. Lingots caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 6.