Brevet FR2665854A1 — publié le 19920221

DISPOSITIF D'INTRODUCTION TARDIVE D'ALLIAGE PARTICULAIRE LORS DE LA COULEE D'UN METAL LIQUIDE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif et un procédé d'introduction tardive d'alliage particulaire (poudre ou grain) lors de la coulée d'un métal liquide (en général la fonte). ETAT DE LA TECHNIQUE L'invention est surtout destinée à la coulée discontinue de pièces de forme en séries de moyenne et grande importance dans des moules obtenus par machines automatiques. On sait qu'il est avantageux de procéder à l'introduction tardive des agents de traitements de la fonte (nodulisants et/ou inoculants) pour obtenir une qualité la plus reproductible possible des pièces de fonte coulées et un bon rendement des agents de traitement utilisés, en particulier quand l'agent contient du magnésium volatil et difficilement soluble dans la fonte liquide. Ladite introduction tardive peut être effectuée dans une poche de coulée juste avant la coulée; mais ceci entraîne un rendement et une régularité de qualité des pièces coulées insuffisants. On peut également utiliser la technique "en moule" (connue également sous l'appellation "in mold") qui consiste à prévoir à l'entrée du moule de coulée un logement dans lequel sera disposé l'agent de traitement de façon à ce qu'il soit dissout régulièrement par la fonte en fusion entrant dans le moule. Cette technique est efficace mais également longue et difficile à mettre en oeuvre, notamment il faut étudier soigneusement la configuration de la géométrie des canaux d'amenée de la fonte afin d'éviter l'entralnement éventuel d'inclusions endogènes ou exogènes au sein de la pièce coulée. Cette technique est de préférence réservée aux grosses séries qui permettent d'amortir la mise au point du moule. On connaît également par le document FR 2 588 571, un dispositif où l'agent de traitement est introduit à l'aide d'un gaz sous faible pression dans une chambre particulière de traitement close, également sous faible pression, dans laquelle se trouve du métal liquide à traiter et à couler. Un tel dispositif sous pression permet une bonne dissolution des agents, notamment Mg, et l'obtention d'une bonne qualité des pièces coulées mais il pose des problèmes d'exploitation (encrassement, bouchage des évents, accumulation intempestive d'agent non dissout ...) lorsqu'on veut opérer des coulées discontinues en série. Un dispositif analogue est connu par le document EP 30 220. L'agent de traitement est additionné à la surface de la fonte liquide, mise en mouvement sous forme de vortex, à l'intérieur d'une chambre. Il est préférable de fermer ladite chambre par un couvercle étanche de façon à améliorer le rendement d'utilisation de l'agent quand il est volatil (par exemple s'il contient du magnésium). Ce dispositif, utilisé pour des coulées discontinues en séries avec interruption fréquente du jet de métal entre deux coulées, présente le même type d'inconvénients que précédemment et nécessite la présence d'une chambre étanche sous pression pour faciliter l'introduction de l'agent volatil et améliorer son rendement et la qualité d'homogénéité des coulées. On sait aussi que pour introduire un agent de traitement dans la fonte liquide on peut utiliser des cannes immergées dans lesquelles l'agent est propulsé par un gaz vecteur ; mais cela nécessite d'avoir toujours une quantité minimum importante (culot) de métal liquide et par ailleurs le gaz vecteur est une source considérable de refroidissement, donc de solidification dudit métal liquide. OBJET DE L'INVENTION Face à ces problèmes la demanderesse a recherché un dispositif simple d'emploi, et facilement adaptable en particulier à la coulée discontinue de petites séries de pièces avec introduction tardive d'agents de traitement, notamment ceux comportant des éléments volatils, comme le Mg, et/ou peu solubles dans le métal liquide. Elle a également recherché un procédé améliorant les rendements d'utilisation de l'agent de traitement ajouté et la constance de la qualité des pièces coulées obtenues. L'invention est un dispositif d'introduction tardive d'alliage particulaire lors d'une coulée de métal liquide caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'obtenir un vortex avec le métal liquide l'alimentant et un moyen d'introduction, non immergé, de particules d'alliage donnant aux dites particules une vitesse et une énergie suffisantes pour qu'elles pénètrent profondément à l'intérieur du métal liquide dans la zone de vortex, ladite zone de vortex étant située à proximité d'un orifice de coulée. Le dispositif selon l'invention est généralement placé entre une poche de coulée contenant le métal liquide à traiter et couler, et le ou les moules devant recevoir ledit métal. Le dispositif est particulièrement adapté à l'introduction d'alliage particulaire peu soluble dans le métal liquide et/ou contenant un élément volatil lors de coulées discontinues de séries de pièces, c'est-à-dire avec arrêt de la coulée du métal liquide entre chaque pièce. En général le moyen d'obtention du vortex comporte un chenal d'amenée de métal liquide par gravité qui débouche tangentiellement à la périphérie d'une chambre de mélange de révolution, cylindrique ou tronconique, ouverte par le haut dans laquelle se forme le vortex, et à proximité de la partie inférieure de ladite chambre dont le fond est en général profilé de façon à faciliter la formation dudit vortex. Ledit fond comporte un orifice de sortie par où s'écoule le métal liquide traité vers le moule de coulée. L'alliage particulaire est introduit par le haut de la chambre cylindrique, en général à l'aide d'une canne nécessairement non immergée dans le métal liquide. Cette canne est alimentée par un gaz vecteur à grande vitesse, de préférence inerte vis à vis du métal coulé, qui véhicule l'alliage particulaire, de telle sorte que ledit alliage sorte de la canne, ou de tout autre moyen d'introduction, avec une vitesse ou une énergie suffisante pour pénétrer, par projection violente, en général d'une profondeur d'au moins 1 cm à l'intérieur du métal liquide et de préférence environ 2 cm, dans la zone de vortex. Le chenal d'amenée peut être alimenté en métal liquide, à partir d'une poche de coulée de grandes dimensions, à l'aide d'un entonnoir équipé d'une buse de sortie calibrée pour régler le débit de métal liquide, et installé à l'extrémité libre dudit chenal. La chambre de mélange peut être équipée d'un orifice de trop-plein. il est important que le vortex se forme dès la sortie du chenal d'amenée et le plus près possible de l'orifice de coulée. La canne de projection peut être branchée directement sur un conteneur d'alliage particulaire alimenté par un gaz vecteur dont le débit et la pression sont suffisants pour donner audit alliage l'énergie nécessaire de pénétration dans le métal liquide. La vitesse des grains est de l'ordre de 10 m/sec. Mais il est préférable d'utiliser une canne équipée d'un système propre d'éjection. Dans ce cas il est possible de la relier d'une part à un conteneur d'alliage particulaire quelconque, n'ayant pas besoin d'être mis sous pression, par l'intermédiaire d'un distributeur (par exemple vibrant ou alvéolaire), et d'autre part à une source de gaz vecteur sous pression. La figure 1 représente une illustration d'un dispositif selon l'invention selon une coupe verticale ; il est équipé d'un entonnoir. La figure 2 représente le même dispositif vu de dessus, mais sans l'entonnoir. La figure 3 représente une canne de projection équipée d'un dispositif d'éjection donnant de la vitesse aux particules d'alliage. Sur la figure 1 on voit en (1) le chenal d'amenée de métal liquide (par exemple fonte) vers la chambre de mélange (2). Le chenal débouche en (3) tangentiellement à la périphérie de la chambre et à proximité immédiate de la zone de vortex (4) prolongée par l'orifice de coulée (5). La chambre est ici de forme tronconique, possède une large ouverture (6) à sa partie supérieure et un orifice de trop-plein (7). On voit en (8) la canne non immergée d'introduction à grande vitesse de l'alliage particulaire dans le métal liquide du vortex. En (9) a été installé un entonnoir permettant d'alimenter le chenal (1) à partir d'une poche de coulée importante non représentée. Sur la figure 2, où l'entonnoir n'est pas figuré, on voit en (1) Le chenal débouchant tangentiellement en (3) dans la chambre de mélange (2), en (4) la zone de vortex, en (5) l'orifice de coulée, en (6) l'ouverture supérieure, en (7) le trop-plein et en (8) l'emplacement de la canne non immergée d'introduction de l'alliage particulaire. Sur la figure 3, illustrant une canne d'introduction de poudre équipée d'un système d'éjection donnant la vitesse suffisante aux particules pour pénétrer profondément dans le métal liquide, on voit en (11) le tube d'arrivée de poudre relié au réservoir de poudre, qui peut être un simple conteneur et n'a pas besoin d'être un réservoir sous pression de gaz cette liaison est de préférence faite par l'intermédiaire d'un distributeur-doseur de poudre (non représenté) ; en (12) une arrivée de gaz réglable (en général azote) située à hauteur de l'arrivée de poudre en (13), en aval, un rétrécissement de la veine de fluide du type venturi, suivi d'un léger évasement (14) du diamètre de la canne d'introduction non immergée (15). Le dispositif selon l'invention permet ainsi de réaliser séries de coulées discontinues avec introduction tardive d'additifs, sur tous types de moules, sans encrassement ni accumulation néfaste d'additif dus aux arrêts répétés de la coulée discontinue, et sans risque excessif d'un refroidissement dû au gaz vecteur. Il peut être aisément intercalé entre une poche de coulée et les moules sans précaution ou mise au point particulière, ce qui en fait un appareil simple d'emploi. Il est adaptable à tous types de fonderies, notamment celles utilisant des machines automatiques de production de moules en série. Ce dispositif peut être équipé de différents organes de régulation (robinets de coulée à ouverture et/ou débit réglable et/ou asservis, mesures de débit de métal liquide, de poudre, de gaz, détection de niveau, temporisateur d'introduction de poudre etc...) permettant d'optimiser les conditions de coulées : par exemple la coulée d'une quantité prédéterminée de métal liquide, l'introduction d'une quantité d'alliage dosée correspondante, au moment opportum et pendant une durée voulue. Bien qu'il puisse être utilisé pour tous types de métal liquide et tous types d'additifs pulvérulents, il est particulièrement adapté au traitement tardif de nodulisation et/ou d'inoculation des fontes à graphite lamellaire, par exemple à l'aide d'alliage Fe Si Mg contenant de 40 % à 75 % de Si. Il permet également d'améliorer quantitativement et qualitativement le rendement d'introduction d'alliages peu solubles et/ou volatils, tels ceux contenant du magnésium, c'est-à-dire en améliorant simultanément le niveau du rendement et sa régularité d'une coulée à l'autre. EXEMPLE On comparera les résultats de rendements d'introduction de magnésium en grandeur et stabilité obtenus avec un dispositif selon l'invention et selon l'art antérieur. On a utilisé, dans les deux cas, la même fonte caractérisée par l'analyse chimique suivante C 3,7 % Si 2,7 % S 0,008 % et qui a servi à couler des lingotins de 15 kg. L'alliage de traitement utilisé a la composition suivante Mg 5,8 % Si 47 % Ca 0,54 % Al 0,95 % Fe solde et sa granulométrie est comprise entre 0,2 et 2 mm. La quantité introduite est de 1,1 % du poids de fonte coulée. ESSAI 1 Dans cet essai on a utilisé un dispositif de coulée illustrant l'art antérieur. On forme un vortex à l'aide d'un dispositif conforme à celui illustré par les fig. 1 et 2 par contre on alimente l'alliage en utilisant un doseur alvéolaire à pression atmosphérique relié à un tube de distribution véhiculant, à l'aide d'un gaz porteur, ledit alliage à la surface du vortex de fonte liquide. Dans les lingotins obtenus, on note un rendement (exprimé par le rapport entre la quantité de magnésium observée dans la fonte et la quantité de magnésium introduite) s'échelonnant entre 35 et 60 % ; de plus pour les rendements inférieurs à 45 % le graphite de la fonte obtenue n est pas totalement nodulaire ce qui altère les propriétés de la fonte. Les mauvais rendements sont dus à des irrégularités de dissolution qui se traduisent par un encrassement du dispositif de coulée. ESSAI 2 Dans cet essai on a utilisé un dispositif de coulée, conforme à celui illustré dans les figure 1 et 2, l'alliage étant introduit en profondeur dans le vortex à l'aide d'une canne de projection non immergée conforme à celle illustrée dans la figure 3 et procurant une grande vitesse aux grains d'alliage. La canne est alimentée par le même doseur alvéolaire que dans l'essai 1. La vitesse des gaz à la sortie de la canne de projection est de 20 m/s et les grains pénètrent à environ 1 cm de profondeur dans la fonte liquide du vortex. Dans les lingotins obtenus on note un rendement s'échelonnant entre 50 et 65 % en amélioration significative en valeur et en dispersion ; on obtient dans tous les cas une structure de graphite totalement modulaire. La qualité de la fonte s'en trouve notablement améliorée. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'introduction tardive d'alliage particulaire lors d'une coulée de métal liquide caractérisé en ce qu'il comporte un moyen d'obtenir un vortex avec le métal liquide l'alimentant et un moyen d'introduction, non immergé, de particules d'alliage donnant aux dites particules une vitesse et une énergie suffisantes pour qu'elles pénètrent suffisamment profondément à l'intérieur du métal liquide dans la zone de vortex, ladite zone de vortex étant située à proximité d'un orifice de coulée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules pénètrent à l'intérieur du métal liquide à une profondeur d'au moins 1 cm et de préférence 2 cm. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérise en ce que le moyen d'introduction non immergé comprend une canne d'introduction et un gaz vecteur à grande vitesse. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le moyen d'obtention du vortex de métal liquide comprend un chenal d'amenée de métal liquide par gravité débouchant tangentiellement à la périphérie d'une chambre de mélange de révolution et à proximité de son fond, ledit fond étant profilé de façon à faciliter la formation d'un vortex et comportant un orifice de coulée. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le moyen d'obtention du vortex de métal liquide est équipé d'un entonnoir pour l'alimenter en métal liquide. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est équipé de moyens de contrôles, de régulation et d'asservissement du flux de métal liquide et d'alliage particulaire. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il est appliqué au traitement tardif de la fonte liquide à graphite lamellaire à l'aide d'un alliage nodulisant et/ou inoculant à base de Fe Si Mg.