Brevet FR2464771A1 — publié le 19810320

- 1 - La présente invention concerne d'une part un procédé de coulée de métaux en faisant usage d'un moule, d'autre part un appareillage pour la mise en oeuvre de ce procédé. La coulée de métaux liquides, notamment d'alliages d'aluminium, dans des moules en sable ou dans des moules permanents (coquilles) en fonts grise, en acier ou autres, s'effectue gé6néralement depuis le point le plus élevé du moule; pour ce faire, l'attaque de coulée est déplacée près de l'empreinte du moule de telle façon que son ali- mentation se fasse de c8té eu encore par le dessous, par un système d'attaque particulier. Par suite de la chute libre du métal en fusion lors de la coulée dans l'enton- noir de coulée et du passage de ce métal dans le canal et le système d'attaque, il se produit des turbulences du métal coulé et des valeurs instantanées différentes de la pression de ce métal qui conduisent à des défaits de coulée bien connus tels que formation d'écume, inclusions dtairs parties de moule incomplètement remplies, etc.- Dans un autre procédé de coulée connu, le métal coulé est refoulé par le bas dans le moule, par un tube 616vateur. Pour ce faire, on exerce au moyen d'un gaz amené sur un bain de métal contenu dans une enceinte de four fermée une pression qui envoie le métal liquide dans le moule permanent situé au-dessus du bain, par l'in- termédiaire du tube élévateur qui s'étend dans le bain. Après solidification du métal coulé dans le canal d'at.- taque du moule on réduit la pression gazeusa, de sorte que la colonne de métal liquide formée dans le tube élé- vateur se rompt au droit de l'attaque solidifiée et re- tombe à la surface du bain de métal. Avec ce procédé il subsiste sur les parois du tubo élévateur, après chaque retombée de métal liquide, des résidus métalliques oxydés, et il se produit aussi à la surface du métal qui retombe des phénomènes d'oxydation dus à l'entrée d'air extérieur. Lors de la montée du métal pour la coulée suivante ces oxydes parviennent dans le moule et peuvent conduire a la mise au rebut des moulages. Les moulages peuven.t n outre tre mis en danger par la formation de mousse ou d'écume causée par l'utilisation du gaz sous pression, L'appareillage nécessaire à la mise en oeuvre de ce pro- cédé est complexe, ce qui est un autre inconvénient. Le tube qui est plongé dans le bain de métal et est en un matériau réfractaire, par exemple an graphite, doit être armé par un tuyau en fer qui, à son tour, doit ttre pro- tégé de la corrosion et de la dissolution dans le bain qui peut 8tre par exemple un bain d'aluminium. Ces tubes si complexes n'ont cependant qu'une durée de service limitée, de sorte que leur remplacement relativement fre- quent implique souvent des travaux de vérification et de réparation pour la durée desquels l'appareillage de coulée doit atre mis à l'arr t. Si le gaz mis en oeuvre n'a pas été soigneusement épuré et séché, il y a risque, lors de la coulée d2aluminium et d'alliages d'aluminium, d'une absorption d'eau.qui conduit à des rebuts par gazéifi- cation des moulages. L'invention a pour but de concevoir un procédé de coulée ainsi qu'un appareillage pour le mettre en oeuvre, ce procédé et cet appareillage devant permettre de produire des moulages pratiquement sans rebuts, avec un matériel relativement simple et sans gaspillego de temps. Pour atteindre ce but, linvoention a conçu un procédé suivant lequel, lorsque lVentrée du moule reposes à l'état initial, sur la surface du bain de métal dmans 3O la cuve d'un four ou récipient de coulée, on élève cette surface, de préférence en inclinant la cuve dans le champ du moule, au moins jusqu'au niveau du sommet de ce dernier, puis, seulement après solidification du métal en au moins un endroit de l'attaque du moule, on ramène la dite surface du bain à son niveau correspondant à.l'état initial. Grace à ce procédé, le métal en fusion pénètre calmement dans le moule, sans turbulence et pratiquement sans effet de cavi- tation, et n'offre à l'air qu'une surface minime après la coulée, de sorte que des phénomènes d'oxydation qui pour- raient conduire à créer des impuretés dans le métal en fusion sont pratiquement évités, tandis que la suppression ou, par rapport à des procédés connus, la diminution au moins considérable de la Impression gazeuse, ainsi que d'autres avantages métallurgiques, excluent d'autres fac- teurs de perturbation. Pour créer un excédent de pression la surface du bain peut tre élevée jusqu'aà une hauteur prédéterminée au-dessus du sommet du moule, de sorte que par suite de la pression hydrostatique le moulage obtenu est dense et présente une structure avantageuse. L'élévation de la surface du bain peut 8tre réalisée non seulement par inclinaison de la cuve, mais notamment aussi en soumettant la surface libre du bain à la pression d'un gaz de préfé- rence inerte, la dite surface libre étant séparée de la zone de coulée de la cuve par un redan. Cette élévation de la pression peut remplacer l'inclinaison de la cuve soit en totalités soit partiellement; elle pneut être mise en oeuvre pour accroître la pression hydrostatique; elle peut finalement être utilisée pour maintenir constant, au moins dans le champ de l'entrée du moule, le niveeau du bain qui s'abaisse du fait du prélèvement de métal de coulée. La mise en oeuvre de ce procédé est avantageusement réalisée au moyen d'un appareillage comportant une cuve de four de coulée ou de récipient de coulée soutenue de manier articulée autour d'un axe, fermée au moine à l'une de ses extrémités et munie, vers le haut, pour reckvoir un moule, d'une pla.que d'assise dans laquelle est ménagée une ouverture de coulée et qui, dans la position initiale de la cuve, est atteinte sans inclusion d'air par la sur- face.du bain de métal à couler, la cuve comportant un dis- positif qui permet de l'incliner en abaissant la plaque -4 - d'assise d'une hauteur prédéterminée. Dans un tel appa- reillage le métal liquide destiné à remplir le moule est, à l'exception de la petite surface de l'ouverture d'at- taque de coulée, protégé contre les effets de l'air, et il peut remplir le moule par le bas, en un écoulement non perturbé et sans aucun parcours de chute. Ceci est faci- lit6 lorsque le champ de la plaque d'assise est séparé de l'espace intérieur libre de la cuve par un redan quit depuis le haut, s'étend verticalement vers le bas en di- rection du fond de la cuve en créant des enceintes com- municantes, ce qui assure une nette délimitation par rap- port à la surface du bain située dans l'espace intérieur libre de la cuve. Lorsque la cuve occupe sa position initiale imposée par des butées fixes, le niveau du bain peut, même lorsque l'on rajoute du métal liquide dans la cuve, 8tre abaissé au niveau prédéterminé au moyen d'une décharge. Il s'est toutefois révélé avantageux de prévoir dans le champ de la plaque d'assise des transmetteurs qui, par l'intermédiaire d'um dispositif régulateur, déterminent la position initiale correspondant au degré de remplis- sage de la cuve. Un tel transmetteur peut etre conçu par exemple sous forme d'us transmetteur de pression qui> au moyen du dispositif régulateur et de la commarde de lin- clinaison (basculement de la cuve), détermine des positions - initiales. dans lesquelles la pression qui règne au-dessous de la plaque d'assise est certes positive, mais tend vers zéro. Il y a avantage à ce que la cuve puisse 5tre fermée ou installée dans une encainte fermée reliée à une con- duite d'amenée de gaz inerte sous pressionr Mais il faut cependant qu'au moins les évents du moule soient reliés à l'atmosphère. Il est important, dans cette disposition, que la conduite d'amenée de gaz destinéeà faire pression sur le bain ne soit pas -cmmamndée par un robinet, mais que l'action de ce gaz sur le bain s'exerce par l'intermédiaire d'un parcours étranglé et/ou d'un régulateur de pression, de façon qu'au moins la montée on pression ait lieu lentemena -5- c'est-à-dire avec un faible quotient différentiel dP/dt. Il peut 9tre prévu un dispositif régulateur également pour la pression finale qui s'établit, pour porter cette der- nière à une valeur prescrite qui, par exemple pour élever la pression durant la coulée, peut soit %tre réglée sur une. valeur fixe, soit prescrite par un dispositif régu- latnur qui opère en fonction d'un transmetteur qui capte le niveau de remplissage de la cuve, le poids de la charge de celle-ci, la pression exercée contre la plaque d'as- O sise, ou autre paramètre approprié. Il s'est révéle avantageux de prévoir un disposi- tif de commande qui déclenche automatiquement les diffe- rentes étapes du cycle de coulée. La cuve peut tre conçue en tant que four de coulée ou de fusion et tre munie d'un dispositif de chauffage, par exemple de résistances 6lec- triques, de bobines d'induction, etc. I1 y a intérêt à ce que la zone d6limitée par le redan soit petite par rap- port à celle de l'espace intérieur, ceci afin que les variations de niveau du bain dues aux prélèvements et aux apports de métal de coulée restent faibles. Les caractéristiques de l'invention sont exposées plus en détail ci-après à l'aide dtun exemple d'exécution illustré au dessin; sur ce dernier - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une cuve munie d'un moule, en position initiale sur un appui articulé et disposée sous un four de fusion, et - la figure 2 illustre la cuve selon la fig 1 basculée dans sa position de travail. On a représenté à la fig. 1 la cuve 1 d'un four de coulée. L'enveloppe 2 de cette cuvre est munie d'un garÀissage 3 et s'étend du c8té gauche également au-dessus de la cuve. Cette dernière est portée par un appui (non représenté au dessin) do son axe de pivotement formé par des tourillons 4 solidaires de l'enivelorppe 2. Une plaque d'assise 5 destinée à recevoir un moule permanent (coquille) 6 est encastrée dans l'enveloppe 2, du côté gauche de la - 6 - cuve en regardant le dessin. Cette platue 5 comporte un orifice 7 d'alimentation du canal de carotte 8 du moule 6. En direction de l'espace intérieur de la cuve et de l'ori- fice de coulée 7, la plaque d:assise 5 rendue solidaire de l'enveloppe 2 est recouverte par un revêtement isolant. Au-dessus de la cuve 1 on a représenté une partie d'un four de fusion qui peut déverser dans cette cuve, par l'orifice d'alimentation lO, du métal en fusion, de préférence de l'aluminium ou un alliage d'aluminium, de sorte que dans la cuve le bain de métal atteint un niveau ll qui atteint la face inférieure du revêtement de la plaque d'assise 5 mais non pas la face supérieure de cette plaque qui forme la base de la coquille 6 en deux parties agrafée sur elle. Il est vrai que dans l'espace intérieur 14 proprement dit de la cuve 1 la surface l du bain est exposée à l'air extérieur, mais par contre le métal situé au-dessous de la plaque d'assise 5, prat à 9tre coulé, ne l'est pratiquement pas. En effet, ce métal n'entre en contact avec l'air que par une très petite surface qui correspond à la section de l'orifice 7. Cette séparation par rapport à l'encehte intérieure proprement dite 14 de la cuve est assurée par un redan 13 dirigé verticalement vers le fond de la cuve, de sor-te que les oxydes formés à la swurface libre du bain restent dans la dite enceinte 14 ot les peaux queils forment ne peuvent parvenir jus- qu'à lorifice de coulée ménagé dlans la plaque d'assise 5. Lorsque la cuve a été remplie de meétal ou alliage en fusion, le four de fusion 9 est renvoyé dans sa position initiale illustrée à la fige 2. Le trop-plein 12 (fig. 1) évite tout remplissage excessif do la cuve et fixe ainsi le niveau Il du bain. Pour effectuer une coulée. un fluide sous pression ost envoyé dans les vérins hydrauliques 16 qui, comme les tourillons 4, sont disposés de chaque cSté de la cuve. Ces vérins attaquent des axes 15 solidaires de l'enveloppe 2 de la cuve et font basculer celle-ci senestrorsun. Ce bas- -7 - culement de la cuve de forme générale plate a pour effet de faire monter le niveau du bain jusqu'en 17, lentement et sans à-coup. En fonction de la différence entre ce niveau et le niveau initial 11 et de la pression hydro- statique qui en résulte à la ban de la coquille 6, le métal de coulée traverse l'orifice 7 de la plaque d'assise , pénètre dans le canal de. carotte 8 et ainsi, de bas en haut, sans créer ni courant ni turbulence, directement dans l'empreinte de la coquille 6 qui ne comporte aucunes iu attaches de jet de coulée ou autres dispositions analogues. $E, comme représenté au dessin, la coquille est fermée à sa partie haute et ne comporte que des évents, le niveau 17 du bain peut, comme le montre la fig. 2, s'élever bien au-dessus de celui de la coquille 6. Cette dernière reste alors, après coulée et jusqu'à solidification du moulage, soumise à une pression hydrostatique accrue, ce qui est bénéfique pour obtenir des moulages denses ayant une tex- ture avantageuse. Si, contrairement à ce qui est repréa senté, la coquille est ouverte à sa partie haute, il ne faut-faire basculer la cuve que jusqu'à ce que le niveau du bain dans celle-ci se trouve dans le même plan que le sommet de l'empreinte de la coquille. - Dans les deux cas (coquille fermée ou ouverte), après solidification du métal dans le canal de carotte 8 de la coquille 6, on raene la cuve dans sa position initiale représentée à la f'ig. 1. Au cours de ce retour, la colonne de métal située au-dessous de la partie en cours de solidification se rompt, ce qui permet le démoulage après que la cuve ait regagné sa position initiale. La surface du métal liquide dans la cuve se trouve alors à nouveau dans le champ de l'orifice de coulée. Le basculement de la cuve 1 de sa position initiale (fig. 1) à sa position de travail (fig. 2), le maintien dans cette dernière et le retour a sa position initiale, ainsi que l'apport de métal en fusion dans la cuve pour -8- compléter le niveau, sont des opérations qui peuvent être assurées automatiquement par un dispositif de commande. Dans le cadre de ce programme il s'est révélé avantageux de limiter la course des vérins hydrauliques 16 et de permettre le réglage du temps durant lequel la cuve reste dans sa position de travail, ceci afin de permettre une adaptation de ce temps à des coquilles différentes. Le déclenchement de la coulée suivante peut également avoir lieu A la fin d'un laps de temps réglable pour tenir compte L0 de celui nécessaire au démoulage; il peut 8tre commandé soit manuellement, soit automatiquement par la fermeture ou le verrouillage de la coquille. Il y a intérêt à li- miter la vitesse de sortie des tiges de piston des vérins hydrauliques afin que le bain ne soit pas perturbé ou mis en oscillation par des accélérations trop fortes. Il est en outre possible de prévoir par exemple dans le champ de la plaque d'assise 5 un transmetteur de pression 18 capable de déterminer au moins l'une des deux positions de fin de course de la cuve. Dans le cas o ce transmetteur commande la position initiale de la cuve, il faut qu'il maintienne sous la plaque d'assise 5 une faible pression résiduelle qui assure le contact du métal en fusion avec l'isolant de la dite plaque, tandis que lorsqu'il commande la position de fin de course de travail de la cuve il doit réagir à un seuil de pression prescrit correspondant à la coquille et éventuellement à la nature du métal ou de l'alliage en fusion, Il est possible d'assurer par l'action d'une pres- sion supplémentaire au moyen d'un gaz inerte le déplace- ment du niveau du bain et/ou l'application d'une pression hydrostatique supplémentaire. Il faut alors mettre en oeuvre des étranglements, des robinets régulateurs de pres- sion ou autres appareils analogues pour assurer un accrois- sement de pression relativement lent jusqu'à l'obtention certaine de la pression finale désirée, et pour éviter une mise en oscillation du bain, un remplissage excessivement -9 - rapide de la coquille ou toute autre perturbation de la Coulée en coquille. L'à encore on peut éventuellement prévoir un régulateur exploitant le transmetteur de pres- slon 18. Dans des cas extrêmes on peut ne pas faire bas- culer du tout la cuve et assurer le déplacement du niveau du bain entre celui de la plaque d'assise et celui du som- met de la coquille uniquement en faisant agir la pression gazeuse. L'important est seulement que le métal ptn4taant dans la coquille ne puisse entraîner des parties de la surface du bain qui, ayant été exposées à l'air ou à un autre gaz oxydant, pourraient contenir des produits d'o- xydation ou autres impuretés. Selon le volume utile de la cuve 1 on procédera à un apport de métal en fusion après chaque coulée en coquille, ou à un chargement après plusieurs coulées. Une modification ou un réglage de la position initiale de la cuve en fonction du degré de remplissage peut avoir un effet favorable sur ces cycles de chargement. La cuve peut être équipée de moyens de chauffage, par exemple de résistances chauffantes, de bobines d'in- duction, etc.pour maintenir le métal de coulée à une tem- pérature optimale. Si des moyens de chauffage efficaces sont prévus, le chargement de la cuve peut être constitué aussi par une matière à fondre. L'essentiel dans le procédé selon l'invention et dans l'appareillage conçu pour le mettre en oeuvre est le maintien du métal de coulée, au stade initial, dans des conditions telles que aeules des parties minimes de sa surface entrent en contact avec l'air environnant, que la surface du métal en fusion se trouve tout contre le canal de carotte de la coquille et que pour exécuter la coulée le niveau du bain soit élevé lentement par incli- naison de la cuve et/ou mise sous pression de celle-ci, de façon que l'empreinte de la coquille soit remplie par le bas en suivant un court trajet et sans formation de courants ou turbulences notables, ce qui est assuré par - 10 - le basculement lent et/ou la lente élévation de pression au-dessus de la surface du bain. En continuant d'incliner la cuve ou d'élever la pression, ce qui peut alors 9tre effectué plus rapidement, une surpression peut 9tre main- tenue durant la solidi.ication dans la coquille. Le retour à l'état initial peut Atre effectué après que le métal se soit solidifié au moins dans une section du canal de ca- rotte. Dans tous les cas la coulée est simplifiée et les pièces moulées obtenues présentent de meilleures propriétés métallurgiques par rapport à celles des pièces obtenues par des procédés connus, et des produits parfaits peuvent tre. obtenus avec un appareillage relativement simple. REVE. ICAT IONS 1. Proodf.de coulée de métaux en faisant usage d' un moule, remarquable en ce que, lorsque l'entrée du moule repose, h l'état initial, sur la surface du bain de métal dans la cuve d'un four ou récipient de coulée, on élève cette surface dans le champ du moule, de pré- férence en inclinant la cuve, au moins jusqu'au niveau du sommet du moule, puis, seulement après solidification du métal en au moins un endroit de l'attaque du moule, on rambne la dite surface du bain à son niveau corres- pondant à l'état initial. 2. roo6d6 selon la revendication 1, remarquable en ce que l'on élève la surface du bain jusqu'à une hauteur predéterminee au-dessus du sommet du moule. 3. Procéde selon la revendication 1 ou 2, remar- quable en ce que, la zone de coulée de la cuve étant sé- parée de la surface libre du bain par un redan, l'élé- vation de la surface du bain et/ou de la pression hydro- statique du métal de coulée dans le champ du moule est assurée en. soumettant la surface libre du bain à la pression d'un gaz de préférence inerte. 4. Appareillage conçu pour la mise en oeuvre du procéddé- selon l'une quelconque des revendications pré- cédentes, remarquable en ce qu'il comporte une cuve (1) de:four ou de récipient de coulée appuyée de façon arti- culée autotur d'un axe (4), fermée à l'une de ses extré- mités et munies vers le haut, pour rccevoir un moule (6), d'une plaque d'assise (5) dans laquelle est ménagée une ouverture de coulée (7) et qui, dans la position initiale de la cuve (1), est atteinte sans inclusion d'air par la surface (11) du bain de métal à couler, et en ce que la. cuve cormporta lu dispositif (véarins 16) qui permet de lt incliner en abaissant la plaque d'assise (5) d'une hau- teur prédéterminée 5. Apparc:illage selon la revendication 4, remarquable en ce que le chaml de la plaque d'assise (5) est séparé de l'espace intérieur libre (14) de la cuve (1) par un - ll - --.12 - redan(13) qui, depuis le haut de la cuve, s'étend verti- calement vers le bas en direction du fond de la cuve en créant des enceintes communicantes. 6. Appareillage selon la revendication 4 ou 5, re- marquable en ce que lorsque la cuve occupe sa position initiale imposée par des butées fixes, le niveau du bain (11) est déterminé par une décharge (12) prévue à une hauteur prescrite. 7. Appareillage selon la revendication.4 ou 5, re- marquable en ce que dans le champ de la plaque d'assise (5) sont disposés des transmetteurs (18) qui, par l'in- term6diaire d',un dispositif régulateur, déterminent la position initiale ccrrespondant au degré de remplissage de la cuve. - 8. Appareillage selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 7, reriezquable en ce que la cuve est fer- mée ou disposée dans une enceinte fermée reliée à une conduite d'amenée de gaz inerte sous pression. 9. Appareillage selan la revondication 8, remarquable en ce que l'action. du gaz inerte sur le bain au moyen de la dite conduite d'amenée s'exerce par l'intermédiaire d'un parcours étranglé et/ou d'un régulateur de pression à faible quotient dP/dt. 10. Appareillage selon la revendication 8 ou 9, re- marquable ence qu'il comporte una dispositif régulateur qui porte à une valeur réglable la pression finale qui s'établit dans le moule. 11. 1Lppareillage selon l'une quelconque des reven- dications 4 à 10, remarquable en ce qu'il comporte un dispositif de corunnde qui déclenche automatiquement les différentes 8tapes du cycle de coulée. - 12. Appareillage selon l'une quelconque des reven- dications 4 à hl, remarquable en ce que 1.l cuve (1) est équipée d'une dispositif de chauffage.