Brevet FR2434670A1 — publié le 19800328

La presente invention se rapporte a la fonderie et a notamment pour objet un procédé de coulée centrifuge d'ébauches métalliques de tubes. L'invention peut être utilisée de la façon la plus efficace en vue d'obtenir des tubes de grande longueur (plus de 5 metres) et de grand diametre (6002000 mm) partir de différents alliages. La présente invention est applicable dans les secteurs de la technique (tels que les équipements énergétiques, les machines a papier, le matéreil chimique, les installations de gaz et de pétrole) qui font largement appel au transport des liquides, des gaz et des milieux agressifs de toute nature a travers des conduites tubulaires à 11 intérieur desquelles on crée en général des températures élevées et de fortes pressions. La puissance toujours croissante du matériel moderne, des installations d'énergie thermique et nucléaire et des machines à papier a tendance à rendre plus importants les cotes d'encombrement de tous ces équipements et à augmenter, en particulier, la longueur et le diametre des tubes. C'est ainsi, par exemple, que pour les centrales thermiques de grande puissance on prévoit des tubes d'une longueur d'au moins 6 m et de 800 à 1200 mm de diametre. Cependant, le procédé de fabrication par laminage des tubes sans soudure ayant les dimensions indiquées cidessus est compliqué et onéreux. Aussi ce probleme peut-il être résolu le plus efficacement en utilisant des procédés de coulée perfectionnés et notamment le procédé de coulée centrifuge. Dans le procédé de coulée centrifuge, le métal fondu se trouvant dans un moule métallique et subissant l'action des forces centrifuges est,rejeté avec force contre les parois du moule pour s'y solidifier en formantainsiune piece de fonderie Ce procédé de coulée est largement employé pour obtenir des pièces moulées creuses à surface libre, telles que des tubes en acier et en fonte, des segments, des bagues et des viroles. On place les moules sur des centrifugeuses de fonderie. Les pieces obtenues par coulée centrifuge se distinguent par une densité élevée. A la différence des moulages de faibles et moyennes dimensions (diamètre de 200 à 500 mm), la fabrication des pièees coulées de grand encombrement et de qualité élevée présente certaines difficultés. I1 est surtout difficile d'obtenir, dans les grands tubes moulés par la méthode centrifuge, une structure homogéne suivant la section trans versable, qui confere au produit des propriétés physiques et mécaniques élevées. Le défaut le plus répandu qui caractérise ltheterogenéite structurale, physique et chimique du métal des grandes ébauches, est la structure striée. La structure striée des pieces de fonderie réduit sensiblement les propriétés physiques et mécaniques du métal et donne naissance à une stratification du métal de la pièce obtenue. I1 est évident, par-conséquent, que les produits ayant une structure striée ne peuvent pas être utilisés en tant que pièces d'importance essentielle dans les constructions mécaniques. Un autre empêchement qui s oppose à l'obtention d'ébauches de tubes de grande longueur par coulée centrifuge réside dans le fait que la surface extérieure de la pièce de fonderie se caractérise par un manque de qualité. L'explication en est que lorsque le métal est transporté à des distances importantes (plus de 5 m) sur la surface intérieure du moule en rotatison, on assiste dans l'extrémité du moule à une brusque perte de chaleur dans le métal et, par consequent, à la "décohésion" ou exfoliation du métal à partir de la surface extérieure de l'ébauche de tube. Ces ébauches sont également mises au rebut étant donné que les défauts mentionnés cidessus constituent des zones de concentration de contraintes et peuvent conduire à l'apparition de fissurations. Si l'on élimine les "décohésions" par usinage, on doit augmenter sensiblement (de 4 à 6 fois) les surépaisseurs d'usinage de la surface extérieure des pièces moulées. La formation des structures striées dans les pièces de fonderie obtenues par coulée centrifuge est due au déplacement des différentes couches les unes par rapport aux autres lors du chargement et de la cristallisation du métal, par suite des différences de vitesse du métal pénétrant dans le moule et du moule lui mne aux valeurs ordinaires du coefficient de gravitation, soit:: ou m.w2.R est la force centrifuge m.g, la pesanteur Xr n w = --- , la vitesse angulaire de rotation du moule (n étant égal au 30 nombre de tours par minute du moule) R, le rayon de la surface libre de la pièces moulée g, l'accélération de la pesanteur m, la masse du moule C'est pourquoi l'une des conditions essentielles permettant d'éviter ce défaut consiste à prendre des mesures empêchant les déplacements relatifs des couches dans le métal On connaît un procédé permettant d'éviter les structures striées. Ledit procédé prévoit la création d'actions dynamiques sur le métal en rotation et consiste à freiner périodiquement le moule rotatif (voir Judine S.B. et roll. "Coulée centrifuge't, Editions "Constructions mécaniques", 1962). Le procédé en question est destiné à éviter les déplacements relatifs des couches de métal grâce aux vibrations imposées- au métal fondu se trouvant dans le moule. Cependant, ledit procédé ne donne pas satisfaction, car les faibles actions qui-sont exercées sur le métal liquide n' arrivent pas à neutraliser les effets nocifs des déplacements relatifs des couches du métal, alors que des actions plus fortes rendent encore plus important l'effet de déplacement des couches du métal. On connais également un procédé qui consiste à créer une surpression de gaz inerte s'exerçant sur le métal en cours de cristallisation après sa coulée dans le moule en vue de rendre plus fine la microstructure du tube (brevet japonais NO 20609, Cl. llB04, 1969). Toutefois, le recours à ce procédé ne conduit pas aux résultats recher chés, étant donné que la surpression qui ne se crée dans le moule qu'après la coulée du métal ne permet pas d'interdire les déplacements des couches de métal pendant le chargement du métal et ne peut donc pas supprimer la formation de structures striées dans l'ébauche de tube. Une autre condition assurant l'obtention de grosses pièces coulées de haute qualité consiste à empêcher les "décohesions" du métal sur la surface extérieure des ébauches de tubes. On connaît un procédé permettant d'éviter les "décohesions" du métal lors de la fabrication d'ébauches de tubes, et prévoyant à cet effet une augmentation de la température du métal, au cours de sa coulée, de 70 èîoe0c par rapport à sa température de solidification. I1 faut dire que cet accroissement de la température pendant la coulée du métal dans le moule reste sans effet quand il s'agit d'ébauchesdeplusde 5 m, et qu'une plus grande augmentation de la température affecte la qualité du métal en raison de l'augmentation de la saturation du métal en gaz. I1 existe un autre procédé de coulée centrifuge d'ébauches de tubes, suivant lequel on coule le métal liquide dans un moule rotatif à travers un long tuyau mobile (plus de 5 m) servant de jet de coulée et disposé suivant l'axe de rotation du moule. L'inconvénient de ce procédé est qu'il est impossible de faire sortir le tuyau (jet de coulée) du moule en raison de son gauchissement et de sa déformation, ce qui peut entraîner des accidents au cours de l'exploitation des machines mettant en oeuvre ce procédé. Ainsi, les procédés de coulée centrifuge d'ébauches métalliques de tubes, qui viennent d'être décrits, ne permettent pas d'obtenir de gros tubes de qualité, ayant plus de 5 mètres de longueur. Le but de la présente invention est de palier les inconvénients indiqués ci-dessus. L'invention vise pour cela un procédé de coulée centrifuge d'ébauches métalliques de tubes, dans-lequel la même vitesse de rotation du moule et celle du métal liquide en cours de coulée dans ledit moule seraient identiques. La solution consiste en ce que dans le procédé de coulée centrifuge d'ébauches métalliques de tubes, du type comprenant la coulée du métal liquide dans un moule en rotation et l'action de la surpression d'un gaz inerte sur le métal se trouvant dans le moule, dont la valeur du coefficient de gravitation (rapport de la force centrifuge à la pesanteur)assure la formation de la surface libre de l'ébauche de tube, selon l'invention le-métal liquide passe dans le moule lorsqu'on y crée une surpression de gaz inerte. Le procédé, objet de la présente invention, permet d'améliorer sensiblement la qualité des tubes que l'on obtient. Grâce à la surpression de gaz inerte que lon crée avant la coulée du métal liquide dans le moule, le métal passant dans le moule a une vitesse égale à la vitesse de rotation du moule en raison de l'augmentation des forces de frottement tant entre le moule et le métal liquide qu'à l'intérieur même du métal. On évite ainsi les déplacements relatifs des couches de métal et par conséquent on n'a plus de structure striée dans l'ébauche de tube, dont la structure devient homogene. L'une des variantes de réalisation de l'invention prévoit, pendant la période de coulée du métal dans le moule, un coefficient de gravitation dont la valeur dépasse de 300% la valeur du coefficient de gravitation assurant la formation de la surface libre des ébauches de tubes. La vitesse de rotation du moule que l'on obtient pendant le chargement du métal dans ledit moule accélère le passage du métal dans les extrémités du moule, ce qui donne naissance à un champ de température homogène le long de l'ébauche de tube, et par conséquent, empêche l'apparition de "décohésions" du métal sur la surface extérieure des tubes. D'autres buts et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description détaillée suivante d'un exemple de réalisation non limitatif, avec référence au dessin unique annexé qui représente le schéma de principe d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. Le moule 1 destiné à la formation d'un tube 2 s'appuie sur les galets 3 qui sont mis en rotation à l'aide d'un moyen d'entratnement (non repré -senté sur le dessin) spécialement prévu. à cet effet. Un système de jet de coulée 4 assurant 11 amenée du métal fondu 5 dans le moule 1 est installé à une extrémité du moule 1. L'autre extrémité du moule 1 reçoit une tubulure 6 qui amène dans le moule 1 un gaz inerte sous pression. Le dispositif, objet de l'invention, fonctionne de la façon suivante. Avant de faire passer le métal fondu 5 dans le moule 1 à travers le système de jet de coulée 4, on se sert de la tubure 6 pour amener dans la cavité du moule 1 un gaz inerte afin d'y creer une surpression. La valeur de la surpression dépend de l'épaisseur de la paroi du tube 2 et atteint 3 atm. pour une paroi de 100 mm, 4 atm. pour une paroi de 200 mm, et 5 atm. si l'épaisseur de la paroi est de 300 mm. Une fois la surpression atteinte, le système de jet de coulée 4 introduit dans le moule I en rotation le métal 5 et une poudre métallique à raison de 2 à 4% du poids du métal 5 se trouvant dans le moule 1. L'amenée de la poudre métallique simultanément avec la coulée du métal liquide 5 dans le moule 1 contribue à l'augmentation de la viscosité de l'alliage et à la création d'un effet de "rotation rigide" du métal 5 dans le moule 1. L'intérêt d'utiliser-simultanement la surpression du-gaz inerte et le métal 5 en suspension croît à mesure que la paroi du tube augmente au-delà de 100 mm. Durant la période de coulée du métal 5 dans le moule 1, la valeur de son coefficient de grávitation ou nw2R représente la force centrifuge, mg, la apesanteur, dépasse de 300% la valeur du coefficient de gravitation assurant la formation de la surface libre de l'ébauche de tube 2. Après la coulée du métal 5 dans le moule 1, on diminue la vitesse de rotation du moule 1 pour atteindre une valeur de coefficient de gravitation K dépassant de 200% la valeur du coefficient de gravitation assurant la formation de la surface libre de l'ébauche de tube 2. Le procédé conforme à la présente invention permet de réduire de 4 à 5 fois le prix de revient de la fabrication des ébauches de tubes et d'augmenter de 2 à 3 fois la productivité du travail par rapport aux procédés de coulée centrifuge connus. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a eté donné qu a 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 centrifuge -d'ébauches métalliques de tubes, du type consistant à couler un métal liquide dans un moule en rotation et à faire agir la surpression dtun gaz inerte sur le métal se trouvant dans le moule dont le coefficient de gravitation, clest-à-dire le rapport de la force centrifuge à la pesanteur, assure la formation de la surface libre de l'ébauche de tube, caractérisé en ce que le metal liquide est coulé dans le moule pendant que dans celui-ci règne une surpression de gaz inerte. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pendant la période de coulée du métal dans le moule on crée un coefficient de gravitation dudit moule dont la valeur dépasse de 300% la valeur du coefficient de gravitation à laquelle se forme la surface libre de l'ébauche de tube. 3. Ebauches métalliques de tubes, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par le procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 et 2.