Brevet FR2525131A1 — publié le 19831021

La présente invention concerne la fabrication de lingots creux en acier, et est spécialement intéressante pour couler de gros lingots creux utilisés ensuite comme ébauches pour forger des pièces creuses de grande taille. La technique traditionnelle pour réaliser des pièces forgees creuses, telles que des viroles, des tubes, des récipients destinés à etre mis sous pression, etc ..., consiste à faire subir à un lingot classique, donc plein, les opérations successives suivantes : bloomirge, écrasement, perage, étirage sur mandrin, bigornage. On a parfois pensé à utiliser des lingots creux, maSs cette technique 51 est très peu développée, jusqutà présent. Pourtant, elle présente d'importants avantages sur la technique traditionnelle 1 - Les opérations de forgeage se trouvent simplifiées, car le bloomage, l'écrasement et le perçage deviennent inutiles et sont supprimés; 2 - La mise au mille, ctest-à-dire le rapport entre le poids en kilogrammes du lingot de forge constituant l'ébauche de forgeage et le poids en tonnes de la pièce finie après forgeage, se trouve notablement réduite; 3 - Le taux de ségrégation du carbone et des impuretés est diminué grâce à une durée de solidification du lingot creux beaucoup plus courte que celle d'un lingot classique plein;; 4 - Si ltévacuation de la chaleur par le centre creux du lingot est satisfaisante, la ségrégation résiduelle du carbone et des impuretés se localise au voisinage de la mi-épaisseur du lingot creux, puis du produit fini, de telle sorte que la surface intérieure de ce dernier est exempte de toute ségrégation. C'est là un avantage important, car cette surface est celle qui est la plus sollicitée en service et elle doit, par conséquent, présenter partout une analyse homogène du rital de base. C'est ainsi par exemple, qu'elle est souvent recouverte d'acier inoxydable, dans le cas de soudures de cuves nucléaires, ou de pièces creuses utilisées en pétrochimie. Malgré ces multiples avantages du forgeage d'une pièce creuse à partir d'un lingot creux, cette technique s'est très peu développée, essentiellement à cause de la grande difficulté de réaliser un lingot creux. Ceci nécessite en effet de placer dans la lingotière un noyau, et de nombreux problèmes relatifs à ce noyau apparaissent, parmi lesquels il faut citer (a) Les difficultés pour obtenir une bonne tenue du noyau. (b) Les difficultés de démoulage du noyau. (c) Les difficultés pour évacuer les calories communiquées au noyau pendant la coulee et la solidification du lingot. Plusieurs solutions ont bien été proposées, parmi lesquelles on peut citer par exemple celle qui est décrite dans le brevet n0 79-09210 (ou 2.422.459), et qui consiste à utiliser un noyau réfractaire cylindri- que pris en sandwich entre deux tubes métalliques, 11 ensemble se trouvant refroidi intérieurement par un courant gazeux. Dans celle qui vient d'hêtre mentionnée, le noyau réfractaire cylindrique s'oppose à l'évacuation rapide de la chaleur par le courant gazeux, ce qui est défavorable. Le but de la présente invention est de pouvoir réaliser un lingot creux assurant une évacuation énergique de la chaleur par le noyau pendant la solidification du lingot, et evitant les inconvénients mentionnés ci-dessus en (a) et (b). A cet effet, la présente invention a d'abord pour objet un procédé de fabrication d'un lingot d'acier creux, utilisant de façon traditionnelle une lingotière posée sur une base, comportant en outre, dans la partie centrale de la lingotière, la pose d'un noyau cylindrique vertical et caractérisé à la fois en ce que le noyau est entièrement métallique, et en ce qutil est parcouru par un courant refroIdissant constitué par un gaz. Ce courant refroidissant peut aussi être constitué par un brouillard, ou encore par un mélange d'un gaz et d'un brouillard, à l'exclusion de tout liquide. L'élément refroidissant du noyau est choisi de préférence, mais non obligatoirement, parmi les corps suivants : air ordinaire, gaz carb nique, vapeur d'eau, brouillard dîeau. La circulation du courant refroidissant s'effectue en descendant selon l'axe du noyau et en remontant le long de ses bords. L'invention présente une possibilité de moduler le débit et la nature del'élément refroidissant, en vue de réaliser un refroidissement variable, plus ou moins énergique, qui soit optimal à chaque instant de la solidification du lingot, par exemole décroissant au cours de la solidification du lingot suivant une loi de variation bien précise pour chaque type de lingot. Suivant une première variante du procédé selon l'invention, qui utilise la coulée en source, le noyau est disposé dans la lingotière avant d'introduire le métal en fusion, et celui-ci est ensuite coulé de bas en haut entre le noyau et la lingotière. Suivant une deuxième variante du procédé selon l'invention, qui peut utiliser soit la coulée en source, soit la coulée directe à l'air, soit la coulée directe sous vide, le métal en fusion est d'abord coulé dans la lingotière, puis le noyau muni de son système de refroidissement est descendu dans le lingot encore liquide immédiatement après la fin de la coulée du métal en lingotière. L'invention a aussi pour objet un dispositif de fabrication d'un lingot d'acier creux, appliquant le procédé mentionné ci-dessus, comportant de façon traditionnelle une lingotière posée sur une base, et en outre un noyau cylindrique vertical disposé au centre de la lingotière, ce dispositif étant caractérisé en ce que le noyau cylindrique vertical est constitué dtune chemise en tôle cylindrique consommable, fermée à sa partie inférieure par un fond métallique reposant sur la base, et d'un mandrin métallique creux réutilisable, introduit au centre de ladite chemise, ménageant avec elle un intervalle régulier, et reposant sur ledit fond métallique par l'intermédiaire de cales laissant entre elles des passages libres ; et en ce que ledit noyau est parcouru par un courant refroidissant de gaz ou de brouillard descendant au centre du mandrin, passant entre lesdites cales et remontant dans l'intervalle ménagé entre le mandrin et la chemise cylindrique. Le précédent dispositif selon l'invention peut comporter des plaquettes exothermiques ou isolantes formant masstelottes, disposées au niveau supérieur du métal liquide, et adossées d'une part à la paroi interne de la lingotière, et d'autre part à la chemise cylindrique du noyau. L'un des principaux avantages du procédé et-du dispositif selon l'invention est constitué par l'importante évacuation de chaleur à travers le noyau, pendant toute la solidification du lingot, du. fait que la chemise cylindrique du noyau n'est qu'une tôle métallique, bonne conductrice de la chaleur, dont la face interne est directement en contact avec le courant refroidissant, et que le noyau ne comporte aucune partie réfractaire, donc aucune partie isolante s'opposant au transfert de chaleur. Ce transfert de la chineur à travers le noyau est d'ailleurs complexe : d'une part, la chemise cylindrique rougit et rayonne sur le mandrin refroidi, et d'autre part les calories échauffant le mandrin et la chemise sont évacuées, par conductibilité et par convection, par le cou- rant refroidissant. Un autre avantage notable de l'invention est sa flexibilité et sa rapidité de réponse. En effet, grâce à la faible épaisseur de la chemise cylindrique, il est possible de faire varier rapidement la vitesse d'évacuation de la chaleur par le noyau en jouant sqit sur le débit du courant refroidissant, soit sur sa nature, par exemple en ajoutant un brouillard d'eau à un courant d'air comprimé préexistant. D'une part en effet, il faut refroidir énergiquement l'intérieur du lingot pour éloigner de sa surface interne la zone de fin de solidification qui contient les ségrégations. Mais d'autre part, il faut néanmoins éviter de solidifier trop vite, de "geler", la peau de la paroi interne du lingot, sous peine de courir des risques de tapures, qui sont des fissures de grande longueur dues à un choc thermique de grande amplitude.La modulation de la vitesse de refroidissement pour le noyau, grâce à l'invention, permet de réaliser un programme de refroidissement du lingot selon sa nature et selon ses dimensions, assurant un refroidissement optimal à chaque instant de la solidification du lingot. C'est ainsi que, dans les cas où le noyau doit être de diamètre faible par rapport aux dimensions du lingot, il est recommandé d'utiliser plutôt un brouillard qu'un gaz, au moins pendant une bonne partie du début de la solidification du lingot, car l'effet refroidissant d'un brouillard est plus marqué que celui d'une même masse de gaz. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est que, si la chemise en tôle est à rebuter après chacune des coulées, le mandrin central, massif et bien refroidi sur ses deux faces, interne et externe, est réutilisable. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est que, en fin de solidification, alors que la chemise de tôle reste adhérente au lingot solidifié, le mandrin central peut être extrait sans aucune difficulté, puisqu'un intervalle libre régulier le sépare de la chemise sur toute sa hauteur. Enfin, un avantage du refroidissement par gaz ou par brouillard est qu'il ne présente aucun risque d'explosion, contrairement au refroidissement par eau. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va décrire ciaprès, à titre d'exemples non limitatifS deUxodesde réalisation du procédé et du dispositif selon l'invention. Il s'agit de la coulée d'un lingot de forge polygonal creux, à 24 pans, pesant 86 tonnes, de diamètre moyen égal à 2500 millimètres, et de hauteur totale égale à 2960 millimètres, dont 400 mii de masselotte. La figure 1 représente une coupe verticale, par l'axe de l'en- semble du dispositif et du lingot, dans le premier diode, par coulée en source. La lingotière 1 est posée sur la base 2, à travers laquelle va arriver le métal liquide en provenance de la lingotièremère 3 non repré- sentée, par des canaux tels que 4 et des orifices tels que 5. La lingotière 1 est en fonte , elle présente une couic té d'environ 40 mi par mètre par rapport à l'axe verticale et sa grande base est située en haut. Au milieu de la base 2, on pose la chemise 6 en tôle d'acier doux de 20 mii d'épaisseur et de 1040 rs de diamètre intérieur, munie à sa partie inférieure d'un fond métallique 7 de même épaisseur, par equel elle repose au mileu de la base 2. Le mandrin creux 8 a un diamètre extérieur de 980 wn et un dia mettre intérieur de 360 mii. Il est sensiblement plus haut que la chemise 6. Il en est distant de 30 mm. Il est réalisé en acier doux. Il repose sur des cales telles que 9, elles-mêmes posées sur le fond 7 de la chemise 6, et laissant entre elles des espaces libres, non visibles sur la figure. Le mandrin 8 doit être bien centré par rapport à la chemise 6, de faqon que l'intervalle de 30 mm soit respecté tout autour du mandrin. Par ltorifice supérieur 10 du mandrin, une canalisation 11 n- troduit de l'air comprimé, avec ou sans brouillard eau. Cet air coirprimé de refroidissement parcourt tout l'intérieur 12 du mandrin 8, passe entre les cales telles que 9, et remonte dans l'intervalle 13 existant entre la chemise 6 et le mandrin 8, pour sortir à l'air libre annulairement en 14. Le débit d'air comprimé introduit en 10 est normalement de 75 Nm3/min. Lorsque l'épaisseur du lingot 15 qui se trouve solidifiée est suffisante, on diminue progressivement le débit d'air comprimé depuis sa valeur de 75 Nm3/min jusqu'à 10 Nm3/min. Au niveau supérieur 16 du lingot 15 sont disposées des plaquettes exothermiques 17, 18, les unes 17, se trouvant adossés à la paroi interne de la lingotière 1, les autres 18, se trouvant adossées à la chemise 6 du noyau. Ces plaquettes exothermiques 17, 18 forment une masselotte pour la tête du lingot 15. La partie immergée dans l'acier des plaquet tes exothermiques 17, 18 présente u hauteur de 400 millimètres. Le deuxième mode de réalination décrit ici à titre d'exemple non limitatif concerne le même lingot de forge polygonal de 86 tonnes, niais coulé cette fois en direct, au jet, de haut en bas, le noyau muni de son système de refroidissement étant ensuite descendu dans le lingot encore liquide, immédiatement après la fin de. la coulée du métal en lingotière. La figure 2 est une coupe verticale du lingot et de la lingotière Juste après la coulée et juste avant l'introduction du noyau. La figure 3 est une coupe verticale du lingot et de la lingotière re après l'introduction du noyau, L'opération se déroule de la manière suivante La lingotière 21, identique à la lingotière 1 de la figure 1 pour le premier rode, est posée sur la base 22, qui est une base pleine, contrairement à la base 2 de la figure 1. Des plaquettes exothermiques telles que 37 tapissent le haut de la paroi interne de la lingotière 21. On coule en direct, par le haut, un lingot 35 de 86 tonnes doa- cier, jusqu'à un niveau 20 voisin de ia partie inférieure des plaquettes 37, et visible sur la figure 2. Aussitôt après la fin de la coulée de l'acier en lingotière, on introduit dans le lingot liquide, comme représenté sur la figure 3, un noyau semblable à celui de la figure 1, et de mêmes dimensions, c'est-àdire comprenant : - une chemise 26 en tôle, munie à sa partie inférieure d7ull fond métallique 27 par lequel elle repose sur la base 22, - un mandrin creux 28 reposant sur des cales telles que 29, elles-mêmes posées sur le fond 27. Par l'orifice supérieur 30 du mandrin, une canalisation 31 introduit de l'air comprimé, avec ou sans brouillard d'eau. Cet air comprimé de refroidissement parcourt tout l'intérieur 32 du mandrin 28, passe entre les cales telles que 29, et remonte dans l'intervalle 33 existant entre la chemise 26 et le mandrin 28, pour sortir à l'air libre annulairement en 34. Le débit d'air comprimé est le même que dans le premier mode. Au nouveau niveau supérieur 36 du lingot 35 évidemment distinct de l'ancien niveau 20, des plaquettes exothermiques 38 se trouvent adossées à la chemise 26 du noyau, en vis-à-vis des plaquettes 37 adossées elles-mêmes à la lingotière. L'ensemble de ces plaquettes 37 et 38, visibles sur la figure 3, forme une masselotte pour la tête du lingot 35, com me sur la figure 1, pour le premier mode. Il est bien entendu que lton peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer des variantes et perfectionnements de détails, de même qu'envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un lingot (15) d'acier creux, utilisant une lingotière (1) posée sur une base (2), comportant en outre, dans la partie centrale de la lingotière, la pose d'un noyau cylindrique vertical (6) (7) (8) (9), et caractérisé à la fois en ce que le noyau est entièrement métallique, et en ce qu'il est parcouru par un courant refroidissant constitué par un gaz ou par un brouillard ou par le mélange d'un gaz et d'un brouillard. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément refroidissant du noyau est choisi parmi les corps suivants : air ordinaire, gaz carbonique, vapeur d'eau, brouillard d'eau. 3.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le courant refroidissant du noyau est descendant selon l'axe du noyau et remontant le long de ses bords. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications l à 3, caractérisé en ce que le débit et la nature du courant refroidissant du noyau sont modulés de façon que l'effet refroidissant soit optimal à chaque instant de la solidification du lingot. 5.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, utilisant la coulée en source, caractérisé en ce que le noyau (6), (7) (8) (9) est disposé dans la lingotière avant d'introduire le métal en fusion, et que celui-ci est ensuite coulé de bas en haut entre le noyau et la lingotière (1). 6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, utilisant soit la coulée en source, soit la coulée directe à l'air, soit la coulée directe sous vide, caractérisé en ce que le métal en fusion est d'abord coulé dans la lingotière (1), et en ce que le noyau (6) (7) (8 ) (9) muni de son système de refroidissement est ensuite descendu dans le lingot (15) encore liquide, immédiatement après la fin de la coulée du métal en lingotière. 7.- Dispositif de fabrication d'un lingot d'acier creux, appui quant l'un quelconque des procédés selon les revendications 1 à 6, comportant une lingotière (1) posée sur une base (2), et en outre un noyau cylindrique vertical disposé au centre de la lingotière, ce dispositif étant caractérisé en ce que le noyau cylindrique vertical est constitué : d'une chemise (6) en tôle cylindrique, consommable, fermée à sa partie inférieure par un fond métallique (7) reposant sur la base (2); et d'un man drin métallique creux, réutilisable (8), introduit au centre de ladite chemise (6),ménageant avec elle un intervalle régulier (13), et reposant sur ledit fond métallique (7) par l'intermédiaire de cales (9) laissant entre elles des passages libres ; et en ce que ledit noyau est parcouru par un courant refroidissant de gaz ou de brouillard descendant au centre du mandrin (8), passant entre lesdites cales (9) et remontant dans l'intervalle (13) ménagé entre le mandrin (8) et la chemise cylindrique (6). 8.- Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que des plaquettes (17) (18) exothermiques ou isolantes formant masselettes, sont disposées au niveau supérieur (16) du métal liquide, et adossées d'une part (17) à la paroi interne de la lingotière (1) et d'autre part (18) à la chemise cylindrique (6) du noyau. 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