Brevet FR2427153A1 — publié le 19791228

La présente invention concerne généralement la métallurgie et a notamment pour objet un procédé de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur, plus spécialement un procédé de coulée de gros lingots métalliques utilisés notamment comme ébauches pour la fabrication des rotors de générateurs électriques et d'autres pièces de grand encombrement. Actuellement plusieurs branches d'industrie, en particulier celle des constructions des matériels de l'industrie électrique exigent de plus en plus des ébauches de forge obtenues à partir de lingots pesant 100 tonnes et plus. On sait que la qualité de l'ébauche de forge est en bien des points fonction de la structure du lingot de départ et détermine, à son tour, la qualité du produit fini. La pratique a montré que le procédé commun de fabrication de gros lingots par coulée simple de la totalité du métal liquide nécessaire dans la lingotière entratnait un certain nombre de défauts tels que les ségrégations, les coquilles, la distribution irrégulière des inclusions non métalliques dans la masse du lingot, ainsi que l'oxydation de sa surface.En outre, dans la plupart des cas il est impossible d'utiliser des lingots obtenus de cette façon pour la fabrication de grosses pièces à cause d'un défaut d'homogéité très net aux points de vue chimique et physique. C'est au 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 évolue, de préférence dans le sens paroi-centre. Toutefois, à mesure que le front de solidification s'éloigne des parois, l'évacuation de la chaleur devient de plus en plus difficile, ce qui en trame des modifications de structure dans le métal : de structure trempée et dendritique fine qu'elle est à la surface, elle devient cristalline globulaire avec de multiples ségrégations au coeur du lingot. Maints essais ont été faits pour tenter de changer la direction de solidification et exercer ainsi une influence positive sur la structure du lingot. Il s'est avéré que le procédé le plus prometteur en ce sens est celui de la coulée par portions sous laitier électro-conducteur (voir le brevet américain nO 38 07486, cl. 164-52). Ledit procédé comporte les opérations suivantes : amenée du courant aux électrodes non consommables, formation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie et réchauffage de ce bain par des électrodes, coulée du métal liquide par portions à travers la couche de laitier liquide. La coulée de chaque portion nouvelle se fait, suivant le procédé, après solidification de plus de la moitié du métal de la portion précédente.Après avoir coulé une portion de métal, on chauffe son miroir au moyen du laitier liquide maintenu à température par chauffage électrique. La puissance électrique dépensée doit être suffisante pour maintenir liquide toute la surface du métal dans la lingotière. Dans ce cas, le métal se solidifie lentement de bas en haut de sorte qu'au moment de la coulée de la portion suivante il y a, sous la couche de laitier liquide,-une certaine quantité de métal de la portion précédente non solidifié. Le métal liquide de la nouvelle portion arrive dans la lingotière et se mélange avec le reste du métal liquide de la portion précédente. La direction prépondérante de solidification, après coulée de la-deuxième et de toutes les autres portions continue à entre de bas en haut. Les études des lingots obtenus par le procédé décrit ont montré que leur structure chimique et physique était relativement homogène dans la totalité du volume, alors que les défauts provenant des retassures et des ségre- gations font pratiquement défaut, même au coeur du lingot. Le procédé considéré permet d'obtenir des lingots de plus de 300 tonnes avec des unités de fonderie d'acier relativement peu importantes (de 30 à 50 tonnes, paxemple). En outre, par interaction avec le laitier liquide, le métal se libère dans une large mesure des inclusions non métalliques ce qui exerce également une influence bénéfique sur les caractéristiques mécaniques du lingot. Une particularité du procédé considéré, c'est que la puissance du courant électrique amené aux électrodes reste constante tout au long de la coulée du lingot. Ainsi, lors de la coulée de lingots de 200 tonnes, la puissance-optimale est atteinte à une intensité de 10 000 à 20 000 ampères et à une tension de 50 à 90 volts. Les études faites sur les lingots obtenus suivant cette technologie ont montré que dans plusieurs cas leur partie inférieure laissait apparaître des fissures longitudinales dont la longueur allait parfois jusqu'au coeur du lingot. Il a été constaté que cé défaut apparat le plus souvent au cours de la coulée de gros lingots en acier ayant une teneur en carbone de 0,15 à 0,40S6 ainsi qu'en aciers alliés. L'apparition de ces fissures longitudinales est due aux contraintes thermiques qui apparaissent dans le métal lors du refroidissement de la partie inférieure du lingot à mesure que celui-ci croit en hauteur lors de la coulée par portions. Théoriquement, on pourrait diminuer la valeur des contraintes thermiques par chauffage de la lingotière.Mais cela reviendrait d'une part à en compliquer sérieusement la construction et d'autre part à une consommation d'électricité complémentaire et exigerait en plus des ajustements constants du régime de travail du réchauffeur de la lingotière au fur et à mesure de la croissance du lingot. En plus de cela, le rendement de la coulée suivant le procédé décrit est limité par l'apport intense de chaleur du bain de laitier au métal liquide, ralentissant sa solidification. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précités. On s'est donc proposé de mettre au point un procédé de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur, permettant de réduire les contraintes thermiques au bas du lingot, en cas de coulée par portions, sans recourir au chauffage de la lingotière. Ce problème est résolu du fait que dans le procédé de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur, comprenant l'application d'un courant électrique à des électrodes non consommables, la formation d'un bain de laitier dans -une lingotière à refroidissement, le chauffage dudit bain par les électrodes non consommables et la coulée successive dans la lingotière, à travers la couche de laitier liquide réchauffé, d'une portion de métal liquide, suivant l'invention la puissance du courant électrique amené aux électrodes est réduite de 20 à 80% par rapport à la puissance nominale avant la coulée au moins de a première portion de métal. Lorsqu'on diminue la puissance du courant amené aux électrodes, le garnissage en laitier devient plus épais, ce qui permet de diminuer 11 évacuation de la chaleur à travers les parois de la lingotière-, d'égaliser la température suivant la hauteur du lingot et de réduire ainsi la pro babilité de formation de fissures longitudinales dues aux contrainte s thermiques. Il -est avantageux de diminuer la puissance du. courant, amené aux électrodes, 5 à 20 minutes avant le début de la coulée de la première portion de métal liquide. Cela permet d'obtenir l'épaisseur optimale du garnissage en laitier. Il est rationnel d'élever-de nouveau la puissance du courant électrique appliqué aux électrodes, 2 à 5 minutes avant le début de lacoulée de la première portion de métal en cas d'utilisation de laitier dont la température de fusion est supérieure à 1500?C. Cela permet d'éviter la formation de loups annulaires excédentaires en laitier dans le voisinage immédiat de la surface durain de laitier. En cas d'utilisation de laitier ayant une température de fusion de 1250 à 13000C, il est avantageux de le faire au début de la coulée, tandis quten cas d'utilisation de laitier à une température de fusion inférieure à 11000C, il est judicieux de le faire après la coulée de la première portion. Le plus avantageux, c'est de diminuer la puissance du courant électrique, appliqué aux électrodes, également après la coulée de la première, de la deuxième et des autres portions de métal liquide et de l'élever 5 à 20 minutes avant la coulée de la portion en attente. Dans ce cas les conditions de formation du lingot, aux points de jonction des portions du métal coulé, sont améliorées. En outre, la con sommation dténergie électrique diminue, tandis que la productivité du processus de coulée augmente. L'augmentation de la productivité s'explique par une solidification plus active du métal liquide, le bain de laitier cédant moins de chaleur. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs illustrés par les dessins annexés, dans lesquels - La figure 1 est une vue de la lingotière à refroidissement à électrodes introduites avant la formation du bain de laitier - La figure 2 est une vue de la lingotière à refroidissement avec des électrodes introduites et branchées sur la source de courant pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention - La figure 3 indique la position des électrodes dans la lingotière à refroidissement lors de la formation du bain de laitier - La figure 4 indique la position des électrodes dans la lingotière à refroidissement lors de l'épaississement du garnissage de laitier avant la coulée de la première portion de métal, suivant l'invention - La figure 5 indique la position des électrodes dans le bain de laitier lors de l'élévation de la puissance du courant, après épaississement du garnissage de laitier, suivant l'invention ; - La figure 6 montre la position des électrodes dans le bain de laitier après coulée de la première portion de métal liquide lors de l'abaissement de la puissance de courant en vue de l'accélération dû processus de solidification, suivant l'invention - La figure 7 montre la position des électrodes dans le bain de laitier lors de ltélévation de la puissance du courant juste avant la coulée de la deuxième fraction de métal liquide, suivant l'invention - La figure 8 montre la position des électrodes lors de l'élimination de la retassure en fin de formation du lingot. Pour la mise en oeuvre du procédé de coulée de lingots métalliaues sous laitier électroconducteur conforme a l'invention, on utilise, en la montant sur une plaque de fondl(figure 1) une lingotière 2 à refroidissement. On dispose sur la plaque de fond 1 un disque métallique 3 dont la compostion chimique est proche de celle du métal à couler. Les parois de la lingotière 2 comportent une chemise d'eau 4. Des électrodes 5 de graphite sont introduites dans la lingotière 2 comme on peut le voir sur la figure 1. Le nombre d'électrodes 5 doit être un multiple de trois. Comme source de courant 6 on emploie un transformateur triphasé connecté auxdites électrodes 5 en graphite, comme le montrait la figure 2. On met en oeuvre le procédé de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur de la façon suivante. On coule dans la lingotière refroidi 2(figure 3) du laitier liquide possédant unbaut pouvoir d'affinage, ou bien on y verse un mélange de composants d'un lit de laitier de ce genre. On chauffe le laitier par les électrodes non consommables 5 en graphite en formant dans la lingotière refroidie 2 le bain de laitier 7. Ce faisant, on maintient la puissance du courant à sa valeur nominale, à une intensité de 10 000 à 20 000 ampères et à une tension de 50 à 90 volts. Etant donné 11 évacuation rapide de chaleur à travers les parois de la lingotière 2 à refroidissement et la plaque de fond 1, sur les parois- de cette lingotière 2 et dans l'est pace entre le disque métallique 3 et les parois de la lingotière 2 il se forme un garnissage de laitier 8 comme on le voit sur la figure 3. Avant la coulée de la première portion de métal, on diminue la puissance du courant électrique amené aux électrodes-5 de 20 à 80Sv par rapport à la puissance nominale, suivant l'invention. On fait varier la puissance en diminuant la profondeur d'immersion des électrodes 5 dans le bain de laitier 7 de a h comme on le voit sur la figure 4. il se forme alors sur les parois de la lingotière refroidie 2 un garnissage plus épais de laitier 9. Dans le voisinage immédiat du miroir du bain de laitier il se forme un loup annulaire excédentaire 10 de laitier. Après avoir obtenu le garnissage épaissi de laitier 9, la puissance~du courant électrique est ramenée à sa valeur nominale en enfonçant les électrodes dans le bain de laitier 7 comme le montre la figure 5. Cette élévation de la puissance contribue à faire fondre le loup excédentaire annulaire 10 de laitier. On coule la première portion de métal liquide à travers le bain de laitier 7. Au cours de la coulée on fait remonter les électrodes 5 à mesure de la montée du bain de laitier 7 soulevé par le métal coulé. Après avoir achevé la coulée de la première portion Il de métal liquide, on diminue de nouveau la puissance du courant électrique en sortant partiellement les électrodes 5 du bain de laitier 7 comme le montre la figure 6. Cela a pour conséquence de diminuer l'apport de chaleur du bain de laitier 7 au métal, ce qui contribue à sa solidification orientée. Puis la puissance de courant électrique est de nouveau ramenée à la valeur nominale et on coule la deuxième portion de métal liquide comme on le voit sur la figure 7. On réchauffe le bain de laitier avant la coulée des portions successives de la même façon, jusqu'à formation complète du lingot. Le garnissage épaissi de laitier 9 réduit l'évacuation de chaleur par 12 partie inférieure du lingot, diminue le gradient de température suivant la hauteur du lingot, et, par conséquent, empêche l'apparition de contraintes thermiques dangereuses et la formation de fissures longitudinales. Lorsque le lingot est formé après la coulée de la dernière portion de métal liquide, on élimine la retassure en diminuant progressivement la puissance du courant électrique fourni aux électrodes, en diminuant par exemple la tension comme le montre la figure 8. Exemple 1. On a utilisé, pour la fabrication d'un lingot de forge de 200 tonnes en acier à 0,25 de carbone, un laitier à point de fusion de 1500 C. La coulée a été conduite, comme décrit plus haut, en observant les régimes suivants : en appliquant un courant électrique de 20 000 ampères à la tension de 90 volts, on a fait fondre les composants du lit de laitier, on a formé le bain de laitier dans la lingotière et on l'afait chauffer. Au cours de ces opérations il s'est formé sur les parois de la lingotière un garnissage de laitier d'une épaisseur de 4à 6 mm.Après formation du bain de laitier dans la lingotière à refroidissement, 20 minutes avant la coulée de la première portion de métal, on a abaissé de 20% la puissance du courant électrique fourni par rapport à la puissance nominale en diminuant l'immersion des électrodes dans le bain de laitier. La température ayant diminué, l'épaisseur du garnissage de laitier a augmenté et a atteint 10-15 mm. Cinq minutes avant-la coulée de la première portion de métal liquide on ramène la puissance du courant électrique à sa valeur nominale en enfonçant les électrodes dans le bain de laitier jusqu'à leur niveau initial. Cela fait fondre complètement le loup annulaire excédentaire formé auparavant près du miroir du bain de laitier, alors que l'épaisseur de la garniture de laitier aux parois n'a fondu que très peu (2 à3 mm).On a coulé la première portion de métal à travers la couche de laitier liquide. Par la suite on a continué la coulée du métal par portions sans modifier la puissance de courant électrique jusqu'à la formation complète du lingot. Le garnissage de laitier qui s'est formé sur les parois de la lingotière grâce à ses propriétés calorifuges a maintenu une température de plus de 5000C à la surface inférieure du lingot durant toute l'opération de coulée par portions. Legradient de température- suivant la hauteur du lingot n'a pas dépassé la cote dangereuse, et on n'a pas observé de formation de fissures à la partie inférieure du lingot. Exemple 2. On a procédé, suivant l'invention, à la coulée d'un lingot de 120 tonnes en acier à (j,20 de carbone. On a utilisé à cet effet un laitier à point de fusion de 11000C. La coulée a été menée de la façon suivante. On a applique aux électrodes un courant électrique de 10 000 ampères à la tension de 50 volts, on a fait fondre les composants du laitier, on a formé et fait chauffer le bain de laitier dans la lingotière. il s1 est alors formé sur les parois de cette lingotière un garnissage de laitier d'une épaisseur de 4 à 5 mm. Après avoir formé le bain de laitier dans la lingotière refroidie, 5 minutes avant le début de la coulée de la première portion de métal, on a abaissé la puissance du courant électrique de 80% de sa valeur nominale en diminuant l'immersion des électrodes dans le bain de laitier. Par suite de l'abaissement de température qui en a résulté, l'épaisseur du garnissage de laitier a augmenté et a atteint 14-16 mm : on a coulé la première portion de métal à travers la couche de laitier liquide.Immédiatement après cette coulée de la première portion on a augmenté la puissance du courant électrique à sa valeur nominale. Pour ce faire, on a augmenté l'immersion des électrodes dans le bain de laitier. Cinq minutes avant la coulée de la seconde portion on a abaissé la puissance du courant de 80% de sa valeur nominale, après la coulée on l'a augmenté jusqu'à la valeur nominale et on a procédé de même pour toutes les coulées. Le garnissage de laitier qui s'est formé le long des parois de la lingotière a maintenu la température de la surface inférieure du lingot à plus de 5000C durant toutes les opérations de coulée. Le gradient de température suivant toute la hauteur du lingot n'a pas dépassé la cote dangereuse, et on n'a pas observé de formation de fissures dans la partie inférieure du lingot. Exemple 3. On a procédé à la coulée d'un lingot de forge de 190 tonnes en acier à 0,20% de carbone en utilisant un laitier à température de fusion entre 1250 à 1300 C. La coulée a été conduite comme décrit plus haut en observant les régimes suivants. En maintenant l'intensité du courant électrique appliqué à 15 000 ampères avec une tension de 70 volts, on a fait fondre les composants du laitier, on a formé et fait chauffer le bain de laitier dans la lingotière. I1 s'est formé au cours de ces opérations sur les parois de la lingotière un garnissage de laitier d'une épaisseur de 4-5 mm. Après formation du bain de laitier dans la lingotière refroidie, 12 ou 14 minutes avant la coulée de la première portion de métal, on a abaissé la puissance du courant électrique fourni de 45-50 de sa valeur nominale en diminuant l'immersion des électrodes dans le bain de laitier. il en est résulté un abaissement de la température, et l'-épaisseur du garnissage de laitier est passée à 10-15 mm. On a coulé la première portion de métal, liquide à travers la couche de laitier liquide, et, simultanément avec le début de la coulée, on a augmenté la puissance du courant électrique appliqué pour l'amener à sa valeur nominale.Par la suite on a conduit la coulée par portions jusqu'à la formation complète du lingot sans modifier la puissance du courant électrique fourni aux électrodes. Après extraction du lingot on n'a pas observé de fissures à sa surface inférieure. Exemple 4. Suivant l'invention, on a procédé à la coulée d'un lingot de 200 tonnes en acier à 0,35%-de carbone en utilisant un laitier à point de fusion de 15O00C. La coulée a été conduite comme décrit plus haut en observant les régimes suivants. L'intensité du courant électrique appliqué a été maintenue à 20 000 ampères et la tension à 90 volts. A l'aide des électrodes on a fait fondre les composants de laitier, on a formé un bain de laitier dans la lingotière et on l'a chauffé. Pendant ces opérations, sur les parois de la lingotière un garnissage de laitier d'une épaisseur de 4 à 6 mm a été formé. Après formation du bain de laitier dans la lingotière, 15 ou 17 minutes avant le début de la coulée de la première portion de métal on a abaissé la puissance du courant électrique de 30 à 520 par rapport à sa valeur nominale. Par suite de l'abaissement de température l'épaisseur du garnissage de laitier est passée à 15 mm. Cinq minutes avant le début de la coulée de la première portion de métal liquide on amené la puissance électrique à sa valeur nominale en immergeant les électrodes dans le bain de laitier jusqu'à leur niveau précédent.Cela a fait fondre complètement le loup annulaire excédentaire de laitier près du miroir du bain de laitier, tandis que ltépaisseur du garnissage-de laitier sur les parois de la lingotière a diminué de 2 ou 3 mm. On a coulé la première portion de métal liquide à travers la couche de laitier liquide.Immédiatement après cette coulée de métal on a abaissé la puissance du courant électrique appliqué de 30 à 40% de sa valeur nominale, ce qui a provoqué une diminution de l'apport de chaleur du bain de laitier au métal liquide et la solidification de celui-ci est devenue plus rapide. 5-20 minutes avant le début de coulée de la deuxième portion, on a de nouveau augmenté la puissance électrique fournie jusqu'à sa valeur nominale, en faisant fondre le loup annulaire excédentaire de laitier et la mince couche périphérique de métal de la première portion, solidifié aux parois de la lingotière à la limite du bain de laitier et du métal de la première portion. On a procédé à la coulée de la deuxième portion de métal liquide et immédiatement après cette opération on a diminué la puissance du courant électrique fourni.Avant de commencer la coulée de-la troisième portion on a de nouveau augmenté la puissance du courant à sa valeur nominale. On a procédé ensuite de la même façon avec les mêmes modifications de puissance pour toutes les autres coulées jusqu'à formation complète du lingot. Une telle modification de la technologie, suivant l'invention, permet d'améliorer les lingots et d'obtenir un rendement maximum du processus de coulée. Le procédé de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur décrit ci-dessus peut ne pas être réalisé de la façon décrite dans les exemples,on peut modifier la réalisation du procédé suivant l'invention. D'après ces modifications on peut faire varier la puissance de courant électrique, et par conséquent, le régime de température dans le bain de laitier, non-par déplacement des électrodes, mais par variation soit de l'intensité, soit de la tension du courant électrique appliqué aux électrodes. Le procédé de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur est des plus avantageux pour la fabrication de lingots de forge de haute qualité de 40 à 750 tonnes et plus, utilisée en particulier dans la fabrication des rotors de turbines d'une puissance unitaire de plus de 1000 mégawatts. Le principal avantage du procédé de l'invention en comparaison des procédés connus dans ce domaine, c'est qu'il permet d'obtenir des lingots sans fissures longitudinales à leur surface inférieure (sur leur fond) au cours de la coulée par portions, et d'améliorer en même tempos le rendement de ce processus. Bien. entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés Qli n'ont été donnés qu'à titre dtexemple. 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 de coulée de lingots métalliques sous laitier électroconducteur, du type comprenant l'application d'un courant électrique à des électrodes non consommables, la formation d'un bain de laitier dans une lingotière refroidie, le chauffage dudit bain par les électrodes, et la coulée de portions successives de métal liquide à travers la couche de laitier chauffé, caractérisé en ce qu'on diminue la puissance du courant appliqué aux électrodes dans une proportion de 20 à 80% de sa valeur nominale avant la coulée d'au moins la première portion de métal. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite diminution de la puissance du courant électrique appliqué aux électrodes est effectuée 5 à 20 minutes avant le début de la coulée de la première portion de métal liquide. 3. - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la puissance du courant appliqué aux électrodes est augmentée à nouveau Jusqu'à sa valeur nominale 2 à 5 minutes avant le début de la coulée de la première portion de métal liquide. 4. - Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la puissance du courant appliqué aux électrodes est augmentée à nouveau jusqu'à sa valeur nominale simultanément avec le début de la coulée. 5. - Procédé suivant l'une des revendicatons 1 et 2, caractérisé en ce que la puissance du courant électrique appliqué aux électrodes est augmentée à nouveau jusqu'à sa valeur nominale après la coulée de la première portion. 6. - Procédé suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la puissance du courant électrique appliqué aux électrodes est diminuée immédiatement après la coulée de la première portion, de la deuxième portion et des portions de métal suivantes, et quelle est ramenée à nouveau à sa valeur nominale 5 à 20 minutes avant le début de la coulée de chacune des portions successives. 7. - Lingots métalliques caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications I à 6.