Brevet FR2610855A1 — publié le 19880819

Cette invention concerne la coulée d'alliages fer- reux. Il est bien connu que, après le versement de métal fondu dans un moule, il y a une durée optimale de solidification pendant laquelle la pièce moulée ou coulée doit rester dans le moule (ce terme désigne ici de façon générale un dispositif de moulage et notamment une coquille ou une lingotière). Si cette durée est supérieure ou inférieure à la durée optimale, la qualité de la pièce moulée ou coulée est diminuée en conséquence. Les alliages ferreux peuvent être coulés de différentes manières, par exemple dans des machines de coulée continue d'aciérie, des machines de coulée horizontale en barres, des machines de coulée centrifuge et des coquilles pour la coulée en chute ou par gravité. Différentes tentatives ont été faites dans le passé pour mettre à disposition du matériel de coulée permettant de déter- miner une durée optimale de solidification pour différentes condi- tions, voir par exemple les brevets des Etats-Unis d'Amérique 4 200 139 et 4 304 288 qui décrivent un poste de lecture de temps pour l'enregistrement de durées de solidification dans un système de mémoire. Il a été découvert, dans le cadre de l'invention, que la qualité de pièces moulées ou coulées peut être améliorée si la durée de solidification est déterminée d'une manière nouvelle et non évidente, en utilisant des paramètres connus ou mesurables. Conformément à l'invention, dans la production de pièces coulées en fonte essentiellement exempte de carbure, dans des coquilles, on permet au métal fondu de se solidifier dans la coquille pendant une durée Et déterminée selon la formule suivante: K x Am x (t2 - t1) x J x Mc Et = facteur Q 1r les éléments étant indiqués en o K = T.C. + 1/2 Si pourcentages en poids; Cu + Mn T.C. = teneur totale en carbone, étant entendu que tous les autres éléments sont maintenus dans des proportions permettant de produire des pièces coulées essentiel- lement exemptes de carbure et de défauts dus au retrait; Et = durée de solidification jusqu'à l'éjection des pièces coulées (en secondes); Am = épaisseur maximale de la paroi de la coquille; t2 = température du liquide dans le récipient de coulée au début du versement (en F; C = ( F-32)/1,8); t1 = la température de la coquille au début du versement (en F; C = ( F-32)/1,8); J = capacité thermique mass3que de la fonte liquide (en Btu/lb = 2,324 x 10 J/kg) (fonte grise et fonte ductile: 0,13 fonte malléable: 0,11); Mc = conductibilité de la coquille (pour une coquille en fonte grise à structure ferritique, utiliser 0,12 x l'épaisseur de la coquille mesurée à partir du c6té intérieur de la cavité jusqu'au côté extérieur de la paroi arrière; utiliser un côté seulement); et Facteur Q = facteur choisi sur une courbe en fonction de la struc- ture métallurgique et de la dureté requise. La formule selon l'invention pour la coulée en coquilles peut être modifiée en vue de l'application à d'autres types de coulées, comme ceux mentionnés au début. Par exemple, pour les machines de coulée continue, la formule deviendrait: cadence des mouvements alternatifs K x Am x (t2 - t1) x J x M course des mouvements alternatifs facteur Q o la course est exprimée en millimètres et la cadence des mouvements en secondes. Cette forme de la formule s'applique également à des machines de coulée horizontale en barres et la forme de la formule indiquée en premier est applicable aussi à la coulée centrifuge. Dans une application particulière, quelle qu'elle soit, c'est-à-dire avec un équipement donné et avec un alliage fer- reux de composition donnée, tous les variables sont connus et constants, sauf t2 et t1, c'est-à-dire la température du métal fondu et la température de la coquille (du dispositif de moulage en géné- ral) au début du versement. Ces deux températures peuvent être détec- tées à l'aide de capteurs appropriés. Par conséquent, tous Les variables peuvent être introduits dans un ordinateur programmé avec la formule selon l'invention pour permettre la détermination de la durée de soli- dification pour chaque opération de coulée. La présente invention permet par conséquent d'automatiser la coulée, l'ordinateur étant programmé également pour commander l'ensemble de l'opération de coulée, y compris le positionnement de la busette d'un récipient de coulée au-dessus d'un panier intermédiaire, le réglage du débit du métal versé (y compris l'étranglement du débit à la fin du remplissage de la coquille ou du moule), le réglage du poids exact du métal versé, de même que l'éjection de la pièce (dans le cas de la coulée en coquille par exemple) à la fin de la durée de solidification déterminée. L'ordinateur peut fournir également des informations relatives à la production et des informations pour des changements automatiques du processus. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique, en perspective, d'une coquille et de l'équipement utilisé en com- binaison avec elle, comprenant notamment divers capteurs; et - la figure 2 est un graphique illustrant la déter- mination du facteur Q. La coquille représentée sur la figure I possède deux parties 10, 12 qui sont déplaçables l'une par rapport à l'autre, un orifice de remplissage 14 et un autre orifice 16 pour la mesure du niveau. Plus précisément, une sonde laser 18 et un récepteur 20 à cellule photoélectrique sont convenablement alignés sur l'orifice 16 pour permettre la détection du niveau de métal liquide dans la coquille 10, 12. La sonde 18 émet un faisceau d'une largeur d'environ 3 mm, elle comporte un système de purge à l'air pour nettoyer le système optique, de même qu'une chemise de refroi- dissement à l'eau, comme le récepteur 20. La sonde 18 et le récep- teur 20 servent à surveiller le versement et délivrent des signaux correspondants à l'ordinateur, notamment en vue de l'obtention d'un niveau de consigne, auquel est arrêté le versement de métal. La large flèche sur la partie 10 de la coquille indique l'ouverture pour l'éjection de la pièce coulée après la durée de solidification. Comme montré schématiquement au-dessus de l'orifice de coulée 14, le jet de métal, désigné par la large flèche noircie, est de préférence entouré d'un écran cylindrique de gaz inerte dirigé vers le bas, ainsi que l'indiquent les deux petites flèches à c8té du jet. Le métal est versé dans la coquille 10, 12 à partir d'une poche de coulée ou d'un récipient de maintien à température par exemple. Un capteur 22 est prévu pour mesurer la température du métal fondu pendant sa chute de la poche ou du récipient dans la coquille , 12, à travers l'orifice de remplissage 14. Le capteur 22 parti- cipe également à la détermination de la durée de solidification, donc aussi à la détermination de l'instant d'éjection de la pièce. Comme la sonde laser 18, le capteur de température 22 est également équipé d'un système de purge à air et d'une chemise de refroidissement parcourue par de l'eau. Les flèches au-dessus du capteur 22 indiquent sché- matiquement les mouvements de la poche ou du récipient de coulée. Le positionnement de la busette s'effectue avec une grande précision, de l'ordre de plus ou moins 3 mm. Enfin, un capteur 24 est prévu pour mesurer la température de la coquille 10, 12. Ce capteur participe aussi à la détermination du cycle de coulée et il est également pourvu d'un système de purge et d'une chemise de refroidissement. La figure 2 représente un graphique permettant de déterminer le facteur Q en fonction de la dureté désirée ou de la microstructure. Comme déjà mentionné, les différents paramètres sont introduits dans un ordinateur programmé qui commande (notamment) le remplissage de la coquille et aussi la durée de solidification, c'est-à-dire le temps qui s'écoule entre le remplissage de la coquille fermée et l'ouverture de la coquille pour l'éjection de la pièce coulée. Il est à noter que l'emploi du facteur Q est une approche numérique pour maîtriser les vitesses des pertes de chaleur, à La fois au cours de La formation initiale de La pièce, dans une coquille à dissipation rapide de La chaLeur, et pendant Le refroi- dissement à L'air de La pièce démoulée. D'autres modes de réalisation de l'invention sont aisément concevabLes par L'homme de L'art. R E V E N D I C A T I ON Procédé pour couler des alliages ferreux dans une coquille pour la coulée par gravité, dans une machine de coulée centrifuge, des machines de coulée continue ou une machine de cou- Lée horizontale de barres, caractérisé en ce qu'il comprend le réglage de la durée Et pendant laquelle l'alliage fondu est permis de se solidifier dans une coquille (10,12) pour La coulée par gra- vité, ou du rapport de la cadence à la course des mouvements alter- natifs dans une machine de coulée continue ou une machine de coulée horizontale en barres, selon la formule: Et = cadence des mouvements alternatifs K xAmx (t2 -t1) x J x Mc course des mouvements alternatifs facteur Q o| K1) les éléments étant indiqués en o K = IT.C. + 1/2 Si pourcentages en poids; Cu + Mn Et = durée de solidification jusqu'à l'éjection de la pièce coulée (en secondes); [Cadence et course des mouvements alternatifs en secondes respectivement millimètres]; T.C. = teneur totale en carbone, étant entendu que tous les autres éléments sont maintenus dans des proportions per- mettant de produire des pièces coulées essentiellement exemptes de carbure et de défauts dus au retrait; Am = épaisseur maximale de laparoi dudispositif de moulage (coulée); t2 = température du liquide dans le récipient de coulée au début du versement; t1 = température du dispositif de moulage au début du verse- ment; J = capacité thermique massique de la fonte liquide; Mc = conductibilité du dispositif de moulage; et Facteur Q = facteur choisi sur un graphique (figure 2) en fonc- tion de la structure métallurgique et de la dureté requise.