Brevet FR2585598A1 — publié le 19870206

"Procédé de fabrication par coulée d'une piece métallique munie intérieurement d'une partie évidée entOurée par un tube". La présente Invention concerne un procédé de fabrication d'une pièce métallique, en particulier d'une pièce métallique massive, munie intérieurement d'une partie évidée, en particulier d'une partie évidée de faible section et de profil quelconque, comprenant une coulée de métal autour d'un tube entourant ladite partie évidée et réalisée dans le mime métal que celui que l'on désire couler, ou dans un métal ayant une température de fusion voisine de celle de ce métal, et le passage simultané dans ledit tube d'un-fluide de refroidissement diphasique liquide-gaz porteur, dans lequel une suspension turbulente de très fines gouttelettes de liquide atomisé dans le gaz porteur est introduite dans ledit tube par l'une de ses extrémités. Un tel procédé de fabrication est décrit dans le brevet français publié sous le NO 2 379 340. Ce procédé est particulièrement adapté a la réalisation de pièces métalliques, dans le domaine de la fonderie ou de la sidérurgie, renfermant un évidement ou canal interne pour par exemple une circulation d'un fluide destiné à refroidir ou réchauffer la masse de la pièce métallique lors de son utilisation. Selon ce procédé connu, la pièce métallique est obtenue par le formage d'un tube métallique, pouvant présenter une paroi de faible épaisseur, de manière a réaliser un serpentin au profil souhaité et la coulée du métal autour de ce tube qui se trouve ainsi noyé dans la masse métallique. Afin d'éviter que, lors de la coulée de la masse métallique, la paroi du tube métallique ne se perce et que les parties évidées ne puissent se trouver obstruer, ou bien que le tube métallique subisse par ramollissement des déformations, ce procédé connu propose de faire circuler, à grandes vitesses relativement importantes, à l'intérieur du tube métallique, un mélange diphasique liquide-gaz porteur à phase liquide dispersé ou atomisé, se présentant, à l'entrée du tube métallique, sous la forme d'une suspension turbulente. Par l'effet de choc des fines gouttelettes liquidesdu-mélange diphasique en circulation sur les parois internes chauffées du tube métallique, provoquant leur évaporation, les échanges thermiques entre le tube métallique et le fluide diphasique de refroidissement sont favorisés. Avec ce procédé connu, bien qu'il offre d'excellents résultats, on peut craindre que la liaison métal coulé -tube métallique, formant la partie évidée ou canal internerne soit pas parfaite sur toute la longueur du tube métallique et sur toute sa périphérie et qu'il subsiste des espaces remplis d'air, même très faibles. En effet, lors de L'utilisation de la .pièce;nlétallique obtenue par ce procédé de fabrication connu, de tels espaces remplis d'air créent une isolation thermique limitant relativement considérablement les échanges thermiques entre le fluide circulant dans le canal interne et la masse métallique. De telles discontinuités de liaison peuvent entraîner des échauffements importants et localisés qui sont préjudi cibles è la bonne tenue de la pièce métallique. En effet, les différences de température entre les zones surchauffées et les zones normalement refroidies peuvent engendrer des contraintes mécaniques et des fluages locaux qui peuvent accroître le volume des espaces remplis d'air, en provoquer d'autres, provoquer des fissures qui, se développant, sont susceptibles d'engendrer finalement la destruction de la pièce métallique. La présente invention a notamnent pour but de remédier aux inconvénients ci-dessus et propose un procédé de fabrication d'une pièce métallique par coulée dans laquelle est inséré un tube métallique délimitant une partie évidée ou un canal interne dans cette pièce métallique qui peut avantageusement constituer un perfectionnement du procédé de fabrication connu ci-dessus. Le procédé de fabrication selon la présente invention est tel qu'il consiste -prévoir dans ledit tube métallique des moyens permettant d'augmenter et/ou d'entretenir la turbulence de l'écoulement du fluide diphasique de refroidissement dans ledit tube sur toute sa longueur. Grâce au procédé de la présente invention, on peut avantageusement éviter que les très fines gouttelettes de liquide atomisé dans le gaz porteur ne s'agglomèrent afin de maintenir sur toute la longueur du tube une dispersion efficace et homogène du liquide dans le gaz porteur et conserver, et même augmenter, le rendement des échanges thermiques entre le tube métallique et le fluide diphasique de refroidissement, le refroidissement étant d'autant meilleur que les gouttelettes de liquide atomisé dans le gaz porteur restent très fines et que i'écoulement dans le tube métallique reste turbulent. Le procédé de fabrication de la présente invention peut permettre en outre de réduire la quantité de liquide atomisé du fluide de refroidissement diphasique et d'éviter de très grandes vitesses d'écoulement dans le tube métallique ainsi que les dangers qui sont susceptibles d'en résulter. Les avantages du procédé de fabrication selon la présente invention, combinés aux avantages du procédé de fabrication du brevet français NO 2 379 340 peuvent avantageusement contribuer a la réalisation de pièces métalliques renfermant un canal interne ou une partie évidée de qualité. Le procédé de fabrication selon la présente invention peut être réalisé de différentes manières. Dans une variante, il peut consister a disposer a l'intérieur dudit tube métallique des moyens permettant de modifier la direction d'écoulement du fluide diphasique de refroidissement dans ce tube métallique. I1 peut consister a disposer, en particulier è l'intérieur de la partie d'extrémité dudit tube métallique, côté entrée du fluide diphasique de refroidissement, un profil de forme sensiblement helicordale. Il peut consister, dans une autre variante, à disposer, à l'intérieur dudit tube métallique, un câble axial s'étendant sur au moins une partie de la longueur du tube métallique et portant une multiplicité d'aîlettes sensiblement radiales espacées dans le sens longitudinal du câble. Le procédé selon la présente invention peut consister, dans une autre variante, a prévoir un tube métallique présentant une ou plusieurs parties longitudinales de section modifiée. On peut en effet prévoir, conformément à la présente invention, un tube présentant une ou plusieurs parties longitudinales ovalisées ou une ou plusieurs parties longitudinales de section rétrécie. Dans ce cas, il est souhaitable que la ou les parties longitudinales de section modifiée présentent des surfaces internes sans discontinuité par rapport a la surface interne du tube métallique afin d'éviter toutes zones dans lesquelles aussi bien le fluide diphasique de refroidissement lors de la fabrication de la pièce métallique que le fluide circulant dans le canal interne de la piece métallique fabriquée seraient susceptibles de stagner ou de circuler a vitesse réduite. La présente invention sera mieux comprise à lrétude de mazes de mise en oeuvre décrits a titres d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin sur lequel - la figure 1, montre en vue extérieure, un premier mode de réalisation, le tube métallique en forme de serpentin étant noyé dans une masse métallique représentée en coupe, - la figure 2 représente une coupe axiale selon II-ll de la figure I d'une partie d'extrémité du tube métallique ; - la figure 3 montre une coupe radiale selon 1!Ii-iII de la figure 2 ; - la figure 4 montre une coupe radiale selon IV-IV de la figure 1 de la partie coudée du serpentin ; - la figure 5 montre une zone rétrécie d'une partie droite du serpentin de la figure 1 ;; - la figure 6 montre, en coupe par un plan médian un autre mode de réalisation dans lequel un câble muni d'aîlet- tes est disposé à l'intérieur du tube métallique en forme de serpentin - la figure 7 représente une vue extérieure agrandie du câble muni d'atlettes, avec son dispositif d'accrochage ; - la figure 8 représente une vue en bout de ce dispositif d'accrochage. Dans le premier mode de réalisation représenté sur les figures I è 4, on voit, sur la figure I, que le tube métallique repéré d'une maniere générale par la référence 1, de section générale circulaire et à paroi d'épaisseur faible, présente deux branches parallèles 2 et 3 qui sont reliées par un coude 4. Bien entendu, le serpentin I pourrait présenter d'autres formes se développant eventuel- lement dans trois dimensions. L'extrémité 2a de la branche 2 du tube métallique 1 porte un dispositif d'atomisation 5 d'un liquide tel que de l'eau dans un gaz porteur tel que de l'azote. En se reportant aux figures 2 et 3, on voit que ce dispositif d'atomisation 5 présente une chambre d'atomisation 6 qui s'étend dans le prolongement du canal interne de l'extrémité 2a du tube métallique I et qui est entouré par une paroi externe 7 dont l'une des extrémités 7a est vissée sur l'extrémité 2a du tube métallique I et dont l'autre extrémité 7b présente un canal axial 8 d'arrivée d'un gaz porteur tel que de l'azote. Dans une direction tangente a une section droite de la chambre 6 débouche un conduit 9 formant gicleur qui traverse la paroi 7 et qui est relié a un conduit 10 d'amenée d'un liquide tel que de l'eau.Entre l'extrémité filetée 7a de la paroi externe 7 et l'entrée du canal tangentiel 9, sont disposés, dans la chambre 6, deux diaphragmes 11 et 12, espaces, qui présentent des passages axiaux et qui sont séparés par une entretoise lia. Lors de l'injection du gaz porteur dans la chambre d'atomisation 6 par le canal 8 et de l'introduction de liquide par le canal tangentiel 9, un mélange de fluide diphasique se produit et est introduit dans le tube métallique 1 par son extrémité 2a en passant successivement au travers des diaphragmes 11 et 12, ce fluide diphasique introduit présentant une suspension turbulente de très fines gouttelettes de liquide atomisé dans le gaz porteur. En se reportant aux figures 2 et 3, on voit en outre que, dans la partie d'extrémité 2a du tube métallique 1 est disposé un élément repéré d'une manière générale par la référence 13, de relativement grande longueur par rapport à la section du tube métallique 1, qui présente une tige axiale 14 dont l'extrémité intérieure 14a est libre et dont l'extrémité extérieure 14b est portée par une plaque radiale 15 qui est pourvue de trois grands passages longi tudinaux 16a, 16b et 16c et dont la périphérie est insérée entre l'ex- trémité de la branche 2 du tube métallique 1 et une entretoise 12a qui est à son autre extrémité en appui sur le diaphragme 12. La tige 14 porte a sa périphérie un profil 17 de forme hélicoIdale a pas important qui s'étend a partir de l'une des branches radiales de la plaque 15 jusqu'a l'extrémité 14a de cette tige 14 et qui est de faible encaisseur. L'enveloppe du profil héli cotidal 17 est légèrement conique en direction de l'extrémité 14a de la tige 14, son diamètre le plus grand étant égal ou légèrement inférieur au diamètre intérieur du tube métallique 1, de manière a laisser un espace d'écoulement entre son bord externe et la paroi interne du tube 1. En se reportant à la figure 4, on voit que la partie coudée 4 du tube métallique 2 est ovalisée sans discontinuité de la paroi interne du tube 1 et, en se reportant à la figure 5, on voit que la branche 3 du tube métallique 1 présente, sensiblement à mi-longueur une partie 18 rétrécie, sans discontinuité de la paroi interne du tube métallique 1. Lors de la coulée de la masse métallique 19a autour du tube métallique 1 en forme de serpentin, en vue de fabriquer la pièce 19 de la figure 1 munie d'un canal interne, on introduit dans le tube métallique 1 par son extrémité 2a le fluide diphaslque de refroidissement généré par le dispositif d'atomisation 5. Grâce au profil 7 de l'élément 13 disposé dans la partie d'extrémité 2a du tube métallique 1, le fluide diphasique s 'éco1ant est fortement déviré et sa turbulence est en conséquence consierableïent accrue. De meme lorsque le fluide diphasique de refroidisse-at s'écoule au travers de la partie coudée 4, ovalisée, son écoulement subit une déformation qui, à la sortie de cette partie ovalisée, engendre une augmentation de la turbulence. Un résultat équivalent est obtenu lorsque le fluide diphasique de refroidissement traverse la partie rétrécie 18 de la branche 3 du tube métallique I. il y a donc lieu d'observer que, lorsque le fluide diphasique de refroidissement s'écoule au travers du tube métallique 1, sa turbulence est entretenue ou augmentée, de telle sorte que le fluide diphasique de refroidissement conserve ou accroît ses capacités d'échanges thermiques avec le tube métallique 1, capacités dues au degré important d'atomisation du liquide dans le gaz porteur et a son entretien. En se reportant aux figures 6 a 8, on va maintenant décrire une autre variante de réalisation. On voit sur la figure 6 que > dans cette variante, le tube métallique 20 réalisé sous la forme d'un serpentin présente quatre brancbes 21 a 24 qui sont sensiblement parallèles et qui sont successivement reliées par trois coudes. L'extrémité 21a de la première branche 21 du serpentin 20 porte un dispositif d'atomisation 25 équivalent au dispositif d'atomisation 5 visible sur la figure 2 de l'exemple précédent. A l'intérieur du tube métallique 20, et sur toute SI longueur, est disposé un câble 26, de préférence métallique, qui porte, espacés dans le sens de sa longueur, une multiplicité d'éléments radiaux 27 et qui est de diamètre très inférieur à celui du tube 20. En se reportant aux figures 7 et 8, on voit que ltextremite 26a du câble 26, située du côté du dispositif d'atomisation 24, est accrochée à une plaque 28 semblable à la plaque 15 du dispositif d'atomisation 5 de l'exemple précédent visible sur la figure 2, plaque 28 qui présente trois passages longitudinaux 28a à 28c et qui est insérée entre l'extrémité de la branche 21 du tube métallique 20 et le dispositif d'atomisation 24 de la même manière que précédemment. Sur ces figures 7 et 8, on voit que les éléments 27 présentent deux ailettes radiales opposées 27a et 27b qui s' étendent a partir d'un manchon 27c serti sur le câble 25. Les aîlettes 27a et 27b des éléments 27 sont telles que leur envergure est inférieure au diamètre du tube métallique 20. Dans l'exemple, les ailettes 27a et 27b s'étendent dans un plan radial et forment sensiblement un rectangle dont la largeur est très inférieure au diamètre du tube métallique 20. Lors de la coulée de la masse métallique 29a autour du tube métallique 20 en forme de serpentin, en vue de réaliser la pièce métallique 29 munie d'un canal interne visible sur la figure 6, on injecte dans le tube métallique 20, par son extrémité 21a, un fluide diphasique de refroidissement a suspension turbulente réalisé dans le dispositif d'atomisation 25. Lors de son écoulement au travers du tube métallique 20, ce fluide diphasique de refroidissement se heurte aux différents éléments 27 portés par le câble 26 et en conséquence sa turbulence est entretenue ou augmentée au passage de chaque élé- ment 27. il s'ensuit que les échanges de chaleur entre le fluide diphasique de refroidissement et le tube métallique 20, qui provoquent la vaporisation des fines gouttelettes de liquide maintenues en suspension, sont excellents sur toute la longueur du tube métallique 20. La présente invention ne se limite pas aux exemples ci-dessus décrits. En particulier, on peut réaliser toutes combinaisons des différents modes de réalisation ci-dessus. Bien d'autres variantes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une pièce métallique (19 ; 29) en particulier d'une pièce métallique massive, munie intérieurement d'une partie évidée, en particulier d'une partie évidée de faible section et de profil quelconque, comprenant une coulée de métal (19a ; 29a) autour d'un tube (1 ; 20) entourant ladite partie évidée et réalisée dans le même métal que celui que l'on désire couler, ou dans un métal ayant une température de fusion voisine de celle de ce métal, et le passage simultané dans ledit tube d'un fluide de refroidissement diphasique liquide-gaz porteur, dans lequel une suspens ion turbulente de très fines gouttelettes de liquide atomisées dans le gaz porteur est introduite dans ledit tube par l'une de ses extrémités, caractérisé par le fait qu'il consiste a prévoir dans ledit tube (1 ; 20) des moyens (13, 4, 18, 27) permettant d'augmenter et/ou d'entretenir la turbulence de l'écoulement du fluide diphasique de refroidissement dans ledit tube sur toute sa longueur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer à l'intérieur dudit tube métallique des moyens permettant de modifier la direction d'écoulement du fluide diphasique de refroidissement dans ce'tube métallique. 3. Procédé selon l'unedes revendications 1 et 2, caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer a l'intérieur de la partie d'extrémité dudit tube métallique (1), côté entrée du fluide diphasique de refroidissement, un profil (17) de forme sensiblement hélicoidale. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à disposer a l'intérieur dudit tube métallique (20) un câble axial (26) s'étendant sur au moins une partie de la longueur de ce dernier et portant une multiplicité d'aîlettes (27) sensiblement radiales espacées dans le sens longitudinal du câble. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il consiste à prévoir un tube métallique (1) présentant une ou plusieurs parties longitudinales de section modifiée (4, 18). 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il consiste a prévoir un tube présentant une ou plusieurs parties longitudinales de section ovalisée (4). 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il consiste à prévoir un tube (1) présentant une ou plusieurs parties longitudinales rétrécies (18). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caracrérisé par le fait que la ou les parties longitudinales de section modifiée présentent des surfaces intérieures sans discontinuité par rapport à la surface interne dudit tube métallique.