Brevet FR2651160A1 — publié le 19910301

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour couler en coquille des barres métalliques ou analogues en utilisant un tube fermé à son extrémité inférieure et servant de coquille qui, lors de son remplissage avec le métal fondu, est engagé dans un bain de liquide pour descendre dans celui-ci. Des procédés et dispositifs de ce genre peuvent servir à fabriquer des échantillons d'une composition aussi homogène que possible, nécessaires pour l'analyse spectrométrique de métaux ou d'alliages. Notamment, des impératifs sévères sont imposés à la qualité d'échantillons standard servant à l'étalonnage de spectromètres, en ce qui concerne l'homogénéité, la finesse de liaisons intermétalliques éventuelles et l'absence de défauts de coulée (pores, ségrégations, inclusions d'oxydes). Des échantillons servant à l'examen d'un bain de fusion déterminé sont généralement coulés sous la forme de disques plats ou de cylindres dans des moules en acier, avec une grosseur suffisante pour permettre l'exécution de l'examen en une seule fois. Lors de la réalisation d'échantillons standard, il est par contre nécessaire de réaliser un échantillon initial d'un volume aussi grand et uniforme que possible pour pouvoir ensuite, après que son analyse chimique compliquée a été faite, en tirer un nombre aussi grand que possible d'échantillons de référence identiques qui peuvent être vendus. Dans ce but, on coule avantageusement des barres de section circulaire ayant un diamètre de 30 à 10Omm au moyen du procédé connu jusqu'à maintenant et déjà cité, lesdites barres de section circulaire étant tournées extérieurement et étant sectionnées pour obtenir des échantillons individuels en forme de disques. Le procédé précité utilisé jusqu'à maintenant est un procédé de coulée en coquille sous l'effet de la force gravité, o la coquille réalisée sous la forme d'un cylindre en acier à paroi mince et fermé en bas est remplie du métal fondu est ensuite descendue dans un bain d'eau en vue d'accélérer la solidification du métal fondu. Alors que des métaux fondus faiblement alliés peuvent être coulés avec relativement peu de frais sous la forme de barres-échantillons satisfaisantes, on rencontre souvent, lors de la coulée de métaux ayant de forte de teneurs en additifs d'alliage, des difficultés importantes pour obtenir une composition suffisamment homogène et uniforme des barreséchantillons sur leur diamètre et sur toute leur longueur. Un exemple typique d'alliages posant de telles difficultés concerne des alliages d'aluminium pour pistons, ayant une teneur en silicium de Il à 25%, une teneur en cuivre jusqu'à 4%, une teneur en magnésium jusqu'à 2% et différents autres éléments d'alliage. Un alliage de ce genre à tendance à former des ségrégations de silicium et des phases intermétalliques grossières. Un problème recontré dans tous les cas consiste à effectuer le remplissage des cavités, cylindriques la plus part du temps et relativement longues, de façon à éviter une formation de mousse et une mise en turbulence d'oxydes. Une utilisation du procédé de coulée de barres, également approprié dans ce but, est généralement interdite à cause du trop petit volume des pièces coulées, pour lequel les dépenses en appareillages et en commandes opérationnels, en relation avec le procédé de coulée de barres, seraient trop grandes. L'invention a en conséquence pour but de créer un procédé et un dispositif du type défini ci-dessus, qui permettent, avec des dépenses en appareillages aussi petites que possible, de réaliser des barres métalliques correctes également à partir d'alliages métalliques difficiles à couler, la forme et la qualité de surface desdites barres devant être telles qu'aucun, ou seulement un petit usinage par enlèvement de copeaux, ne soit nécessaire sur leur surface extérieure car c'est précisément dans les zones extérieures rapidement solidifiées des barres qu'on obtient les structures cristallines les plus favorables. En outre, le procédé ne doit pas dépendre du degré d'habileté professionnelle de l'opérateur. Ce problème est résolu conformément à l'invention, pour un procédé du type défini ci-dessus, en ce que, pour le remplissage du tube formant coquille avec du métal fondu, on utilise un tube de remplissage, ouvert ou à ouvrir à son extrémité inférieure et obturable à son extrémité supérieure, ce tube de remplissage étant plongé par son extrémité inférieure dans un bain du métal à couler qui pénètre alors dans le tube de remplissage, en ce qu'ensuite le tube de remplissage plein est obturé à son extrémité supérieure et est sorti du bain métallique avec son contenu puis est introduit par le haut et par son extrémité inférieure dans le tube formant coquille, et ensuite, par ouverture de l'extrémité supérieure du tube de remplissage, le métal fondu s'écoule hors du tube de remplissage par l'intermédiaire de son extrémité inférieure ouverte ou amenée en condition d'ouverture afin de pénétrer dans le tube formant coquille et on laisse simultanément ce dernier descendre dans le bain de liquide sous l'effet du poids du métal remplissant la coquille. A cet égard, avantageu- sement le tube de remplissage est introduit jusqu'à, ou presque jusqu'à l'extrémité inférieure fermée du tube formant coquille et il est maintenu dans cette position indépendamment de la disposition en hauteur du tube formant coquille. Avec ce mode opératoire, il est possible d'effectuer le remplissage de la coquille avec une réduction considérable de la formation de mousse ou de la mise en turbulence d'oxydes, ce qui n'était pas possible avec le procédé de coulée connu précité du fait du remplissage compliqué. Avec le procédé conforme à l'invention, avantageusement, le tube formant coquille est descendu dans le bain de liquide a une vitesse qui est à peu près égale à la vitesse de montée du métal fondu dans le tube formant coquille, de sorte que le niveau supérieur du métal fondu remplissant le tube formant coquille reste constamment à peu près à la même hauteur. Quand le tube de remplissage est introduit jusqu'à, ou approximativement jusqu'à l'extrémité inférieure fermée du tube formant coquille et maintenu dans cette position, on est assuré d'une hauteur de chute du métal fondu qui est aussi petite que possible et qui reste constante, ce qui évite pratiquement intégralement une formation de mousse et une mise en turbulence d'oxydes. Du fait de la descente contrôlée du tube formant coquille dans le bain de liquide, on obtient en outre un refroidissement immédiat, et progressant avec le niveau de remplissage, du métal fondu introduit, de sorte qu'une structure cristalline fine et exempte de ségrégations est créée dans la pièce coulée finalement solidifiée. D'après le brevet allemand n 750 673, il est connu un procédé pour couler des blocs métalliques formés d'alliages d'aluminium contenant du cuivre dans une coquille qui est placée sur une table de coulée pouvant être descendue dans un bain d'eau. Le remplissage de la coquille est cependant effectué, dans ce procédé, par l'intermédiaire d'une goulotte de coulée et non au moyen d'un tube de remplissage qui monte, comme dans le procédé conforme à l'invention, tandis que le mouvement de descente de la table de coulée est produit au moyen d'un dispositif de descente de type hydraulique ou analogue. En outre, dans ce procédé connu, la coquille servant à la coulée de blocs métalliques est adaptée en hauteur lors de son remplissage progressif et lors du mouvement de descente simultanée de la table de coulée dans le bain d'eau, de sorte que la goulotte de coulée, dirigée latéralement vers la coquille, peut être maintenue par son extrémité de sortie à une hauteur aussi petite que possible au-dessus du niveau supérieur du métal fondu introduit dans la coquille. Cela permet évidemment de réduire la formation de mousse et la mise en turbulence d'oxydes dans le bloc métallique en train d'être coulé. Cependant ce mode de remplissage est trop compliqué pour être utilisé dans un procédé de couler de barres métalliques ou analogues dans un processus de couler en coquille et en conséquence on ne peut pas l'employer en pratique. L'invention concerne également un dispositif de coulée en coquille pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, ce dispositif comportant un tube formant coquille, qui est fermé en bas par un fond et qui peut être descendu dans un bain de liquide. Ce dispositif est agencé, conformément à l'invention, de telle sorte que le tube formant coquille soit monté dans un corps flottant et soit guidé avec celui-ci, dans et audessus du récipient recevant le bain de liquide, vers le haut et vers le bas en plongeant dans le bain, ledit corps formant flotteur étant agencé de telle sorte qu'il maintienne flottant dans le bain de liquide le tube formant coquille avant son remplissage avec du métal fondu d'une manière telle que son extrémité inférieure soit située à peu près à la hauteur du niveau supérieur du bain de liquide ou au-dessus et qu'ensuite, lors du remplissage, il permette la descente du tube formant coquille dans le bain de liquide; en outre, il est possible d'introduire dans le tube formant coquille un tube de remplissage servant au remplissage de métal fondu dans le tube formant coquille, ledit tube de remplissage étant pourvu d'une ouverture permettant la décharge du métal fondu dans le tube formant coquille. A cet égard, il est avantageux d'agencer et de dimensionner le corps formant flotteur de telle sorte qu'il permette au tube formant coquille, lors de son remplissage, de descendre dans le bain de liquide à une vitesse qui est dans une relation désirée avec la vitesse de montée du métal fondu dans le tube formant coquille. Pour une adaptation à des impératifs métallurgiques, le corps formant flotteur peut également être agencé de telle sorte que la vitesse de descente du tube formant coquille diminue ou augmente à mesure que son remplissage augmente. Pour pouvoir retirer la pièce moulée solidifiée du tube formant coquille aussi facilement que possible et sans endommagement de celui-ci, ce tube formant coquille peut être réalisé en deux parties rabattables ou bien en une partie s'élargissant avec un profil conique vers le haut. Le corps formant flotteur peut être fabriqué en une matière légère, comme du styropore ou du liège, ou bien il peut être formé par un corps creux en tôle à paroi mince ou analogue. Il peut entourer le tube formant coquille complètement ou bien seulement partiellement et il peut être guidé vers le haut et vers le bas sur un guide vertical dans le récipient recevant le bain de liquide et au-dessus de celui-ci. Ce guide doit être agencé de telle sorte qu'il assure le guidage du tube formant coquille, lors de son mouvement de descente, dans une position verticale, ce qui peut être réalisé d'une manière assez simple avec des oreilles annulaires déplaçables sur des câbles de tension, mais cependant également avec tout autre type connu de mécanisme de guidage. Le tube formant coquille peut également être équilibré en ce qui concerne son poids propre par l'intermédiaire de rouleaux de renvoi et au moyen de contre-poids, de telle sorte que le corps formant flotteur puisse avoir des dimensions réduites en correspondance et être conçu seulement pour contre balancer les forces ascensionnelles variant lors du remplissage du tube formant coquille. Le tube de remplissage est disposé avantageusement dans un support indépendant de la position en hauteur du tube formant coquille ou bien il peut être fixé dans une position de hauteur indépendante du tube formant coquille. Le dispositif conforme à l'invention est utilisable, du fait de son agencement, en particulier pour la réalisation de corps-échantillons en forme de barres qui font intervenir des quantités de métaux relativement petites, d'environ 10 à 15kg. Le procédé et le dispositif conformes à l'invention sont cependant applicables non seulement à la coulée de tels corps-échantillons en forme de barres décrits ci-dessus, mais également à la fabrication d'autres pièces coulées de profil allongé. Ainsi on peut envisager par exemple une application avantageuse à la coulée de barres profilées formées de substances métalliques qui réagissent fortement avec l'air, comme par exemple des alliages à base de titane ou de magnésium ou également des alliages d'aluminium à forte teneur en éléments réactifs par exemple du lithium. Le procédé et le dispositif conformes à l'invention permettent, dans telles conditions, par exemple l'enlèvement de la matière de coulée en-dessous d'une couverture saline de protection fermée et la coulée sous une atmosphère gazeuse protectrice, ou bien également en-dessous d'un bain salin de recouvrement, sans grandes dépenses additionnelles. Le métal fondu peut être transféré, en excluant presque complètement un contact avec l'air, depuis un four de maintien à chaud jusque dans un moule de coulée o il se produit une solidification rapide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexes dans lesquels: - la figure I représente en vue en coupe verticale le récipient de maintien en température ainsi que le tube formant coquille, pouvant être descendu dans un bain d'eau, la figure montrant le tube de remplissage avant son introduction dans le tube formant coquille, - la figure 2 représente de la même façon le tube formant coquille plongeant dans le bain de liquide pendant son remplissage par l'intermé- diaire du tube de remplissage, - la figure 3 représente à échelle plus grande une vue en perspective et arrachée du tube formant coquille dans lequel est introduit le tube de remplissage. Dans l'exemple de réalisation représenté, la coquille est constituée par un tube I à paroi mince qui est obturé à son extrémité inférieure par un fond 2. Ce tube 1 formant coquille est monté dans un corps droit formant flotteur, qui entoure à distance le tube formant coquille et qui est dimensionné de telle sorte qu'il maintienne le tube-coquille vide avec son fond intérieur fermé 2 à peu de distance au-dessus de la surface du bain d'eau 5 et qu'il fasse le descendre dans le bain d'eau 5 lors du remplissage avec le métal en fusion. Dans ce but, le corps formant flotteur 3 est guidé par l'intermédiaire d'oreilles annulaires 6 sur des câbles de tension 7, qui sont fixés par leur extrémité inférieure sur le fond 8 du récipient 4 et par leur extrémité supérieure sur une traverse 9 reliant deux supports 10, en étant maintenus tendus dans une direction verticale entre ces fixations. Le tube-coquille peut être formé par un tronçon d'un tube de précision en acier du commerce, sur lequel est soudée une plaque de fond. Lorsque le tube-coquille a une section constante, comme dans l'exemple de réalisation représenté, il peut être nécessaire de sectionner mécanique- ment le tube-coquille pour le démoulage de la pièce moulée qui est coulée dans ce tube. Il est cependant également possible, comme cela a déjà été précisé, d'utiliser un tube-coquille en deux parties rabattables ou en une partie s'élargissant avec un profil conique vers le haut, afin de permettre d'employer le tube-coquille plusieurs fois. Pour le remplissage du tube-coquille avec du métal en fusion, on utilise un tube de remplissage 11, qui peut être formé d'une matière céramique ou d'un autre matériau approprié, résistant au métal fondu, par exemple un tube métallique protégé de façon appropriée par des revêtements. Le diamètre extérieur du tube de remplissage Il est un peu plus petit que le diamètre intérieur du tube-coquille I. L'extrémité inférieure du tube de remplissage Il est fermé par un fond qui est pourvu d'un orifice de décharge 12 par lequel le métal fondu se trouvant dans le tube de remplissage peut pénétrer dans le tube-coquille 1. L'extrémité supérieure du tube de remplissage Il est pourvue d'un couvercle à fermeture étanche dans lequel il est prévu une soupape 13 servant à ouvrir et fermer l'extrémité supérieure du tube de remplissage par rapport à l'atmosphère. La soupape 13 est maintenue dans la position de fermeture par un ressort de pression 14 et elle peut être amenée dans la position d'ouverture au moyen d'une manette de traction 15 en opérant en opposition à la force du ressort de pression 14. A son extrémité supérieure, le tube de remplissage est pourvu d'un balancier 16 à l'aide duquel il peut être maintenu, dans une position d'introduction dans le tube-coquille 1, dans un support 17 prévu à l'extrémité supérieure des montants 10. Dans cette position, le tube de remplissage Il situé dans le tube-coquille 1 est maintenu indépendamment de la position en hauteur du tube-coquille. Pour faciliter l'introduction centrée du tube de remplissage Il dans l'extrémité supérieure ouverture du tube-coquille 1, il est prévu une pièce tubulaire de centrage 18, qui est fixée sur la traverse 9. Lorsque la soupape 13 du couvercle est ouverte, le tube de remplissage 11 peut être descendu, par son orifice de décharge 12, suffisamment loin dans le bain de métal en fusion 20 se trouvant dans le récipient de maintien en température 19. En conséquence, il plonge à une grande profondeur en dessous de la surface du bain de métal en fusion et il en résulte que du métal fondu propre, du fait qu'il est éloigné des impuretés flottant sur la surface du bain, a pénétré dans le tube de remplissage par l'intermédiaire de l'orifice 12 sous la forme d'un écoule- ment calme et en correspondance à la profondeur de plongée de ce tube de remplissage. Ensuite, la soupape 13 du couvercle est fermée et le tube de remplissage 11 est sorti du bain de métal en fusion 20, le métal fondu situé dans le tube de remplissage restant dans celui-ci du fait que la soupape de couvercle est fermée et étant entraîné avec ce tube. Le tube de remplissage est maintenant engagé par son extrémité inférieure ouverte et par l'intermédiaire de la pièce tubulaire de centrage 18 dans le tube-coquille 1 et il est suspendu par son balancier 16 dans le support 17. Dans cette position, l'extrémité inférieure, comportant l'orifice de décharge 12, du tube de remplissage 1 est située à très peu de distance au-dessus du fond 2 du tube-coquille I. Maintenant la soupape 13 du couvercle est ouverte et en conséquence l'extrémité supérieure du tube de remplissage Il est reliée à l'atmosphère. Il en résulte que l'effet de soulèvement exercé par le tube de remplissage 11 sur le métal fondu situé en son intérieur est supprimé de sorte que le métal fondu peut sortir du tube de remplissage par l'intermédiaire de son orifice de décharge 12 pour pénétrer dans le tube-coquille 3. Sous l'effet de l'augmentation du poids de la quantité de métal introduit, le corps formant flotteur 3 et le tube-coquille 1 descendent dans le bain d'eau 5 et à cet égard, par un dimensionnement correspondant du corps formant flotteur 3, la vitesse de descente doit être à peu près égale à la vitesse de montée du métal fondu dans le tube-coquille 1. On obtient ainsi que l'orifice de décharge 12 du tube de remplissage 11 reste, pendant toute la pénétration du métal fondu dans le tube-coquille 1, constamment en contact direct ou bien à proximité directe de la surface du métal fondu introduit dans le tube- coquille. Le métal sortant du tube de remplissage 11 pénètre dans le tube- coquille sans chute libre ou seulement avec une petite chute libre, et par conséquent avec une mise en turbulence aussi réduite que possible. D'autre part, on évite que le tube de remplissage plonge dans le métal fondu introduit dans le tube-coquille car il risquerait de se bloquer dans le métal fondu en cours de solidification. Grâce au mouvement de descente de ce tube dans le bain de liquide, qui est effectué en correspondance à l'augmentation de la hauteur de remplissage du tube- coquilie, il est possible d'obtenir un refroidissement immédiat, et progressant avec le niveau de remplissage, du métal fondu et par conséquent l'établissement d'une structure cristalline fine et exempte de ségrégations dans la pièce coulée solidifiée. La soupape 13 du couvercle du tube de remplissage peut être une soupape produisant simplement une ouverture et une fermeture mais il est cependant également possible de la combiner avec une soupape de régulation fine, qui permet un dosage précis de la quantité de métal sortant par l'orifice de décharge 12 du tube de remplissage Il. Il est ainsi possible d'obtenir une adaptation précise de la vitesse de coulée à la vitesse de solidification dans la pièce moulée, conditionnée par le refroidissement dans le bain d'eau 5, de toute manière appropriée et en fonction des impératifs métallurgiques. R E V E ND IC A T I ON S 1. Procédé pour couler des barres métalliques ou analogues dans un processus de coulée en coquille en utilisant une coquille (1) se composant d'un tube fermé à son extrémité inférieure et qui, lors de son remplissage avec du métal en fusion, est descendue dans un bain de liquide (5), procédé caractérisé en ce que, pour le remplissage du tube formant coquille avec du métal fondu, on utilise un tube de remplissage (11) ouvert ou ouvrable, à son extrémité inférieure et obturable à son extrémité supérieure, qui est plongé initialement par son extrémité inférieure dans un bain (20) du métal en fusion, de sorte que le métal en fusion est introduit dans le tube de remplissage, en ce qu'ensuite le tube de remplissage plein est obturé à son extrémité supérieure et est sorti, avec son contenu, hors du bain de fusion pour être ensuite introduit par le haut, par son extrémité intérieure, dans le tube formant coquille, en ce qu'ensuite, par ouverture de l'extrémité supérieure du tube de remplissage, le métal en fusion est déchargé du tube de remplissage par l'intermédiaire de son extrémité inférieure ouverte, ou qui a été ouverte, en vue de son introduction dans le tube formant coquille, et en ce que le mouvement de descente du tube formant coquille est produit seulement par le poids du métal introduit dans ce tube. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube formant coquille (1) est descendu dans le bain de liquide (5) avec une vitesse qui est à peu près égale à la vitesse de montée du métal fondu dans le tube formant coquille. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube de remplissage (11) est introduit jusqu'à, ou approximativement jusqu'à l'extrémité inférieure fermée du tube formant coquille (1) et est maintenu dans cette position indépendamment de la descente du tube formant coquille dans le bain de liquide. 4. Dispositif de coulée en coquille pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comportant un tube formant coquille qui est fermé en bas par un fond et qui peut être descendu dans un bain de liquide, dispositif caractérisé en ce que le tube formant coquille (1) Il est disposé dans un corps formant flotteur (3) et est guidé, avec celui-ci, dans et au-dessus du récipient (4) recevant le bain de liquide (5), vers le haut et vers le bas en plongeant dans le bain, ledit corps formant flotteur (3) étant agencé de telle sorte qu'il maintienne, flottant le tube formant coquille (1) avant son remplissage avec du métal fondu, avec son extrémité inférieure située à peu près de la hauteur du niveau supérieur de liquide dans le bain (5) ou au-dessus et qu'il permette son mouvement de descente dans le bain de liquide lors du remplissage, et en ce qu'un tube de remplissage (11), servant à l'introduction de métal fondu dans le tube formant coquille, peut être introduit dans le tube formant coquille (1), ce tube de remplissage étant pourvu d'un orifice (12) permettant la décharge du métal fondu dans le tube formant coquille. 5. Dispositif de coulée en coquille selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps formant flotteur (3) est agencé et dimensionné de telle sorte qu'il permette au tube formant coquille (1), lors de son remplissage, de descendre dans le bain de liquide (5) à une vitesse qui est dans une relation désirée avec la vitesse de montée du métal fondu dans le tube formant coquille. 6. Dispositif de coulée en coquille selon l'une des revendica- tions 4 ou 5, caractérisé en ce que le corps formant flotteur (3) a, dans sa zone inférieure, un volume de sustentation différent, par exemple plus grand (plus grande section de sustentation) que dans sa zone supérieure. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps formant flotteur (3) est disposé en étant espacé latéralement du tube formant coquille (1). 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube de remplissage (11) peut être introduit dans le tube formant coquille (1), à partir de son extrémité supérieure ouverte, jusqu'à, ou approximati- vement jusqu'à son extrémité inférieure fermée. 9. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube de remplissage (11) comporte, à son extrémité inférieure par laquelle il peut être introduit au préalable dans le tube formant coquille (1), un fond pourvu d'un orifice (12) de décharge du métal fondu. 10. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube de remplissage (l) est pourvu, à son extrémité supérieure, d'un couvercle à fermeture étanche, qui comporte une soupape (13) pour relier le volume intérieur du tube de remplissage avec l'atmosphère. 11. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube de remplissage (1l1) peut être fixé par rapport au récipient (4) du bain de liquide (5) dans un support (16, 17) indépendamment de la position en hauteur du tube formant coquille (1), dans sa position d'engagement dans le tube formant coquille.