Brevet FR2539062A1 — publié le 19840713

1- PROCEDE ET DISPOSITIF DE MOULAGE DE LINGOTINS EN FERRO- ALLIAGES PAR COULEE EN COQUILLE EN CUIVRE REFROIDI La présente invention concerne un procédé et un dispositif de moula- ge de lingotins de ferro-alliages par coulée en coquille en cuivre refroidi. Lorsqu'on les utilise comme éléments d'addition ou de traitement dans des métaux et alliages ferreux à l'état fondu, les ferro- alliages sont mis en oeuvre à l'état de blocs concassés d'un poids unitaire pouvant aller de quelques dizaines de grammes à quelques kilogrammes. C'est le cas, en particulier, des alliages à base de fer et de sili- cium, utilisés comme additifs, par exemple pour la fabrication des aciers calmés au silicium et comme désoxydants, des aciers de façon générale. On sait que le concassage du ferrosilicium provoque, quel que soit le type de concasseur utilisé, une quantité relativement importante de fines (de 10 à 15 % du métal mis en oeuvre), dont l'utilisation ultérieure pose des problèmes techniques et économiques encore impar- faitement résolus Il en est de même pour d'autres types de ferro- alliages. Dans le brevet français FR-A-1 538 948 (= US 3 604 494) aux noms de METALLGESELLSCHAFT A G et SUDDEUTSCHE KALKSTICKSTOFFWERKE A G, on a proposé de couler des pré-alliages du type ferro-silico-magnésium dans des viroles en tôle mince, préalablement remplies aux deux- tiers ou au trois-quart environ, de blocs concassés du même alliage ou d'un alliage de composition légèrement différente assurant un refroidissement très rapide et évitant ainsi la fusion de la vi- role en tôle. Il est également connu de couler en moule de sable des alliages de la famille des ferro-silico-magnésium, pour obtenir des innoculants pour les fontes, sous forme de pièces de forme que l'on introduit dans des logements deschenaux de coulée (procédé dit "inoculation in-mold"). -2- Cependant, ces divers procédés ne sont ni adaptés, ni adaptables à une production économique et massive de blocs à partir d'un four électrique ayant une production horaire continue de plusieurs tonnes, par exemple un four pour l'élaboration de ferrosilicium à 75 % de Si, de 16 MW, qui produit environ 2 T/h d'alliage. L'objet de la présente invention est donc un procèdé qui permet de mouler des blocs de ferro-alliages d'une forme et d'un poids prédé- terminés, par coulée en coquille en cuivre refroidi, du métal liquide sortant d'un four d'élaboration, soit directement, soit en passant par une poche ou par un récipient intermédiaire quelconque. Ce procédé est caractérisé par les étapes répétitives suivantes On forme une lingotière-moule par juxtaposition, en relation étan- che, de deux demi-coquilles en cuivre, dont l'une au moins compor- te une pluralité d'empreintes en creux des lingotins à mouler, les- dites empreintes communiquant entre elles par des canaux et débou- chant dans la partie supérieure de la lingotière par au moins un chenal d'entrée. On établit dans chaque demi-élément un circuit de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur. On coule le ferro-alliage liquide dans le chenal d'entrée, jusqu'à remplissage de la lingotière-moule. On laisse solidifier et refroidir le ferro-alliage jusqu'à une température inférieure de 2000 C et, de préférence, de 300 %C à sa température-de solidus. On sépare les deux demi-éléments pour provoquer le démoulage des lingotins. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, comportant: une lingotière-moule formée de deux demicoquilles en cuivre dont l'une au moins comporte une pluralité d'empreintes en creux des lingotins à mouler, communiquant entre elles par des canaux et dé- bouchant, à la partie supérieure, par un chenal d'entrée, des moyens de refroidissement de chaque demi-coquille par circula- tion d'un fluide caloporteur, -3- des moyens de rapprochement et d'éloignement des demi-coquilles, des moyens de guidage des mouvements de rapprochement et d'éloigne- ment des demi-coquilles. Le dispositif peut également comporter des moyens refroidis d'in- troduction du ferro-alliage liquide dans le chenal d'entrée. L'invention est particulièrement bien adaptée a la production de blocs moulés en ferrosilicium ayant une teneur en silicium supérieure à 15 % et, de préférence, comprise entre 40 et 90 %, le reste étant du fer et, le cas échéant, des éléments d'addition secondaires tels que Al, Ba, Ca, Mn, Ti, Zr. Les figures 1 là 5 explicitent la mise en oeuvre de l'invention La figure 1 représente, en coupe verticale, une lingotière pour la mise en oeuvre de l'invention S La figure 2 est une coupe horizontale, selon M de la figure 1. La figure 3 représente une Tingotière industrielle, à quatre éléments, dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par des vérins. Les figures 4 à 5 représentent deux variantes d'exécution, dans les- quelles les demi-coquilles sont dissymétriques Dans tout ce qui suit, nous utiliserons le terme de "lingotière-moule" pour désigner l'objet de l'invention, étant entendu que ce terme dé- signe une lingotière particulière dans laquelle le métal est intro- duit à l'état fondu et extrait sous forme de lingotins multiples, de dimensions, de forme et de poids prédéterminés. Chaque lingotière-moule ( 1) est constituée de deux-demi éléments, ou "demi-coquilles" ( 2) en cuivre électrolytique, de préférence de qua- lité dite Cu/al (désignation selon la norme française NF A-51 050), chaque demi-coquille étant munie d'un circuit de refroidissement par fluide caloporteur, comportant une entrée principale ( 3) reliée au moyen d'alimentation en fluide, alimentant, en parallèle dans le cas présent, trois circuits dérivés ( 4 A), ( 4 B), ( 4 C), dont les collec- teurs de sortie se rassemblent sur une sortie commune Les circuits 2539062. -4- de refroidissement sont internes /canaux ( 5) forés dans le bloc de cuivre formant les demi-coquillesl, mais peuvent, éventuellement, être externes (tubes ( 6) en cuivre>soudés ou brasés sur toute leur longueur sur les faces externes des demi-coquillesl. Chaque demi-coquille ( 2) comporte, en outre, des moyens de mise en contact étanche pour former la lingotière-moule La mise en contact peut s'effectuer en maintenant par exemple une demi-coquille fixe et en rapprochant l'autre, ou encore en déplaçant les deux demi-coquil- les l'une vers l'autre, soit par un mouvement de translation liné- aire guidée, soit par un mouvement de rotation autour d'un axe com- mun formant charnière. La translation linéaire peut être guidée par tous moyens connus tels que des tiges-guides ( 7)coulissantdns des orifices calibrés internes ( 8), ou par des moyens de coulissement externes tels que rainures et glissières. La mise en contact par rotation peut s'effectuer autour d'un axe ver- tical ou horizontal Dans ce dernier cas, le démoulage se trouve fa- cilité par le fait que les lingotins se détachent du moule et tom- bent sous leur propre poids dans un moyen de réception. Les différents mouvements de rapprochement et d'éloignement des demi- coquilles sont commandés de façon connue par des moyens tels que les vérins ( 9). Chaque demi-coquille comporte les demi-empreintes ( 10) correspondant aux lingotins et aux canaux de liaison ( 11, 12) Les demi-coquilles peuvent être symétriques (fig 1, 2, 3) ou dissymétriques ( 10 OB) ( 10 A) (fig 4 et 5) L'une d'elles peut même être réduite à une contre- plaque ( 13) plane ou, éventuellement, munie d'une empreinte en relief ( 14) avec circuit de refroidissement ( 5) qui permet d'augmenter la surface de contact entre le métal coulé et la lingotière, donc, la vitesse de refroidissement et la cadence de coulée. Les faces d'appui en regard ( 15), de chaque demi-coquille, sont _-5dressées et polies de façon à assurer, sous l'action des vérins ( 9), une étanchéité suffisante sans interposition d'un joint quelconque. La coulée du ferro-alliage liquide dans la lingotière est effectuée de préférence par l'intermédiaire de l'entonnoir ( 17) Cette pièce peut être fixe et intégrée à la lingotière-moule proprement dite, ou amovible, et posée sur l'orifice d'entrée ( 18), les faces d'appui étant également dressées et polies Dans l'un ou l'autre cas, l'en- tonnoir est également muni d'un circuit de refroidissement Les canaux et empreintes situés sous l'entonnoir sont alimentés "en chu- te", les autres étant alimentés "en source" Le nombre et la dimen- sion des empreintes et des canaux sont déterminés de façon à assu- rer un remplissage total avant que le métal ne commence à se solidi- fier et n'obture les canaux d'alimentation. La figure 1 représente une coupe de lingotière à 2 x 3 empreintes, mais cette disposition est donnée à titre d'exemple non-limitatif, et elle pourrait aussi bien en comporter 2 x 2 ou 2 x 4. Le problème qu'il a fallu résoudre pour la mise en oeuvre de l'in- vention a été le suivant: il fallait, à la foisassurer une cadence de coulée assez rapide pour suivre la production d'un grand four mo- derne produisant du ferrosilicium, ou autre ferro-alliage, sans pour autant immobiliser une quantité de cuivre excessive sous forme d'un nombre élevé de lingotières, et assurer une durée de vie assez longue aux lingotières pour que l'amortissement de leur coût ne ma- jore pas de façon sensible le coût des lingotins par rapport aux prix du ferrosilicium coulé en pains de plusieurs tonnes, puis con- cassé et broyé Ce résultat a été obtenu: 10) par le choix du métal constituant les lingotières-moules dont la conductivité thermique doit être aussi élevée que possible, ce qui oriente le choix vers le cuivre électrolytique dit Cu/al défini par la norme NF A 53 100 (conductivité thermique à 200 = 400 à 412 W/m K) ou du cuivre faiblement allié tel que le "CUPRO- NICS" (marque déposée de la société TREFIMETAUX) ( 365 W/m K) ou le Cu Zr 0,15 à 0,15 % de zirconium ( 350 à 370 W/m K), ou tout autre alliage à base de cuivre ayant une conductivité thermique 2539062, -6- au moins égale à 300 W 4/m K; 2 ) par la mise en place d'un circuit de refroidissement très effica- ce, le fluide caloporteur étant de l'eau à la température ambian- te, qui permet d'éviter, en tous points, une élévation de la tem- pérature du cuivre au-dessus de 200 C et réduire ainsi à une vi- tesse négligeable le grossissement des grains de cuivre (recris- tallisation) qui est la principale cause de dégradation des lingotières; 3 ) par le choix du rapport masse de cuivre formant la lingotière-moule nasse de ferro-alliage coulé à une valeur au moins égale à 6 et, de préférence, comprise entre et 25. 4 ) par un démoulage extrêmement rapide des lingotins, de façon que la lingotière ait pour seule fonction de solidifier au moins la partie externe des lingotins jusqu'à une temperature inférieure de 200 à 3 Q 00 au point de solidus de l'alliage, le refroidisse- ment jusqu'à l'ambiante s'effectuant ensuite, spontanément, hors de la lingotière, en un temps quelconque qui n'a plus d'importan- ce. EXEMPLE DE REALISATION. On a réalisé une lingotière-moule en cuivre Cu/1, selon l'invention, comportant un bloc central ( 20) fixe, muni de circuits internes ( 5) de refroidissement à l'eau et quatre demi-coquilles ( 21), ( 22), ( 23), ( 24), mobiles séparément (ou simultanément) sous l'action des vérins ( 9) et possédant chacune son propre circuit de refroidissement A chaque demicoquille correspondent six empreintes ( 10) reliées par des canaux ( 11) ( 12), que l'on remplit, par un entonnoir ( 17) en cui- vre refroidi Chacune des'24 empreintes correspond à un lingotin de 550 grammes environ, plus les queusots formés par les canaux de liai- son, et les masselottes, ce qui correspond à environ 14 kg de ferro silicium par opération, chaque cycle de coulée pouvant être réduit à secondes, qui se décomposent alors comme suit: 3 Coulée 15 secondes Solidification du Fe Si 75 15 " 2539062. 7- Refroidissement des lingotins jusque vers 900 C environ (solidus à 1208 C) I 5 secondes Refroidissement des coquilles après ouverture et démoulage des lingotins chauds 30 Temps d'ouverture et fermeture des lingotières- moules et temps morts 20 " soit une production horaire de 15 x 40 = 600 kilos Quatre de ces lingotières-moules suffisent donc à mouler en lingotins la produc- tion totale d'un four a ferrosilicium-75 de 2,4 T/h ( X 20 MW) ' Apres quatre mois d'utilisation continue, elles restent en état normal de fonctionnement. La mise en oeuvre de l'invention est susceptible d'un certain nom- bre de variantes, en particulier en ce qui concerne: 1 ) la forme des lingotières-moules qui peuvent être soit formées de deux demi-éléments symétriques, soit de demi-éléments dissymé- triques (fig 4 et 5), 2 ) la nature du métal coulé Si l'invention est particulièrement adaptée aux alliages a base de fer et de silicium, elle peut convenir sans aucune modification de son principe a des alliages différents, par exemple à base de fer et de manganèse, ou de manganèse et de silicium Mais, son intérêt est particulièrement évident dans le cas de métaux dont le broyage conduit à des quan- tités importantes de fines difficiles à utiliser ou à recycler, 3 ) la forme, les dimensions et le poids unitaire des lingotins, qui peuvent varier, en fonction de l'utilisation envisagée, dans des limites très larges, étant entendu que la forme est subordonnée à la nécessité d'un démoulage spontané et très rapide dès l'ou- verture de la lingotière-moule et que le poids unitaire minimal est, le plus souvent, imposé par des considérations économiques. 2539062 i -8- REVENDICATIONS 1 / Procédé de moulage de lingotins en ferro-alliages, caractérisé par les étapes répétitives suivantes: on forme une lingotière-moule par juxtaposition en relation étan- che de deux demi-coquilles en cuivre, dont l'une au moins comporte en creux une pluralité d'empreintes de lingotins à mouler, les- dites empreintes communiquant entre elles par des canaux et débou- chant à la partie supérieure de la lingotière-moule par au moins un chenal d'entrée, on établit dans chaque demi-coquille, un circuit de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur, qui maintient en tous points la température de la lingotière à une température ne dépas- sant pas 200 C, on coule le ferro-alliage liquide dans le chenal d'entrée, jusqu'à remplissage de la lingotière-moule, - on laisse solidifier et refroidir le ferro-alliage jusqu'à une tem- pérature inférieure de 2000 C et, de préférence, inférieure de 300 C à son point de solidus, on sépare les deux demi-coquilles pour provoquer le démoulage des lingotins. 2 / Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de moulage selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte: une lingotière-moule ( 1), en cuivre, formée de deux demi- coquilles ( 2) dont l'une au moins comporte une pluralité d'empreintes en creux ( 10) des lingotins à mouler, communiquant entre elles par des canaux ( 11), ( 12) et débouchant, à la partie supérieure, par un chenal d'entrée ( 18), des moyens de refroidissement ( 4), ( 5) par fluide caloporteur, de chaque demi-coquille ( 2), des moyens de mise en contact et en relation étanche des deux demi- coquilles, des moyens d'éloignement des deux demi-coquilles, des moyens de guidage des mouvements d'éloignement et de mise en re- lation étanche des demi-coquilles. 3 / Dispositif selon revendication 2, caractérisé en ce que les 2539062, -9- deux-demi coquilles ( 2) comportent des empreintes ( 10) symétriques. 4 / Dispositif selon revendication 2, caractérisé en ce que les deux demi-coquilles comportent des empreintes ( 10 A) dissymétriques. / Dispositif selon revendication 2, caractérisé en ce que l'une au:moins des demi-coquilles comporte des:empreintés ( 14)en relief. 6 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, un moyen refroidi ( 17) d'introduction du ferro-alliage liquide dans le chenal d'entrée. 7 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il est réalisé en cuivre électrolytique de qua- lité Culal, selon la norme NF A 53 100 ayant une conductivité ther- mique comprise entre 400 et 412 W/m K. 8 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il est réalisé en cuivre faiblement allié ayant une conductivité thermique au moins égale à 300 W/m K. 9 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement est formé par des canaux internes ( 5) dans les demi-coquilles. / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le moyen de refroidissement est formé par des tubes ( 6) soudés sur toute leur longueur sur la ou les faces exter- nes des demi-coquilles. 11 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, caractérisé en ce que le rapport de la masse de cuivre formant la lingotière-moule à la masse de ferro-alliage coulé est au moins égal à 6 et, de préférence, compris entre 10 et 25.