Brevet FR2674154A1 — publié le 19920925

La présente invention concerne un procédé de fabrication par moulage de pièces de fonderie telles que cylindre de laminoir ou lingot de forge et un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, procédé dans lequel on coule un matériau à l'état fondu, comme par exemple, un métal ou un alliage métallique, dans un moule définissant un espace de moulage séparé en au moins deux parties, une empreinte de la pièce à mouler et, située au-dessus de cette empreinte, une empreinte de masselotte, on refroidit le moule et la masse du matériau fondu pour solidifier celui-ci et obtenir une pièce brute de fonderie, on contrôle le refroidissement de la pièce de fonderie par un apport de calories au moyen d'un inducteur agencé à la périphérie d'une partie choisie du moule. Un tel procédé et son dispositif de mise en oeuvre sont connus d'après la demande de brevet européen n" 0100272. Cette demande de brevet décrit un procédé et un dispositif de fabrication de pièces moulées comprenant un moule, dans lequel est agencé un inducteur permettant le chauffage par induction, d'une pièce métallique coulée dans l'espace de moulage, de façon à maintenir cette pièce à la température de début de traitement thermique, pour lui imposer, par la suite, un traitement thermique ou un refroidissement contrôlé. Il est précisé qu'on soummet à un chauffage par induction, la masselotte, avant que le matériau dans le moule soit solidifié. Les masselottes disposées en des points choisis des pièces de fonderies visent, en constituant aussi longtemps que possible une réserve de métal à l'état liquide, à assurer l'alimentation de la pièce moulée et éviter l'apparition de retassures. La fonction attribuée aux masselottes est assurée par l'emploi de diverses techniques. Les techniques connues, à l'heure actuelle, appliquées à la coulée de grosses ou de très grosses pièces, par exemple, de masse supérieure à 10 tonnes, conduisent inévitablement à construire un moulage de masselotte qui, pour s'équilibrer thermiquement, prélève des calories au métal liquide mis en réserve, et refroidit ladite masselotte après que la solidification soit totale, au sein de l'empreinte de la pièce à mouler. On compense ces refroidissements par - des barrages thermiques, en matériaux réalisant un compromis entre leur caractère réfractaire et la température du métal à contenir, - l'usage de produits exothermiques, - des dispositifs de réchauffage par décharge électrique créant un arc entre une électrode et la surface supérieure de la masselotte. Ces méthodes ont différents inconvénients. Dans certaines situations, la perte de calories par les parois est telle que l'on doit pratiquer un "renourrissage", c'est-à-dire réintroduire dans la masselotte une nouvelle quantité de métal surchauffé afin de localiser un point chaud en haut de moule, dans la masselotte. La méthode de "renourrissage" est non seulement coûteuse, mais désorganise la production; elle est aussi peu favorable à l'environnement et aux conditions de travail. Dans les dispositifs de réchauffage par décharge électrique, il se produit un enrichissement du métal, notamment en carbone, lors du refroidissement progressif et de la solidification. Bien que le chauffage par induction, pour un apport de calories, dans certaines situations, soit plus favorable que les précédentes méthodes citées ci-dessus, il présente l'inconvénients majeur de créer, une masse chaude de hauteur importante, qui lors de sa solidification, génère dans l'axe de la masselotte, entre l'empreinte de la pièce moulée et la partie inférieure de ladite masselotte chauffée, une lacune d'alimentation en métal liquide, défaut rédhibitoire. En effet, le contrôle de la puissance thermique dispensée au dispositif par induction implique une baisse de puissance telle que les pertes deviennent supérieures aux apports et il se produit une solidification à la surface latérale de la masselotte sur toute sa hauteur puis, finalement, à la surface libre, ce qui aura pour conséquence de créer un défaut de cristallisation qui intéressera non seulement le coeur de la masselotte elle même, mais aussi une partie de la pièce moulée. L'invention a pour but de remédier à ces défauts en proposant un procédé de fabrication par moulage de pièces de fonderie telles que cylindre de laminoir et/ou lingot de forge, du type défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'on contrôle le refroidissement d'une partie de la masse de matériau fondu et on crée un front de solidification se déplaçant en continu des surfaces externes de la masse de la pièce moulée vers une surface libre de matériau en fusion. De préférence, on contrôle le refroidissement de la masselotte de façon à créer le front de solidification progressif, de l'empreinte de la pièce moulée vers la surface libre de la masse fondue de ladite'masselotte, Pour cela - on sépare la masse chauffée de la masselotte en plusieurs zones juxtaposées de refroidissement contrôlé, - on contrôle le refroidissement de la zone proche de l'empreinte de la pièce puis successivement des zones contiguës jusuq'au refroidissement de la surface libre de la masse fondue restante de la masselotte, - on maintient la température à la surface libre de la masse fondue de la masselotte, sensiblement audessus de la température du liquidus du matériau. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité comprenant un moule, dans lequel un espace de moulage est destiné à recevoir un matériau à l'état fondu comme par exemple un métal ou un alliage métallique, l'espace de moulage étant séparé en au moins deux parties, une empreinte de pièce à mouler et une empreinte de masselotte placée au-dessus et un moyen de chauffage par induction dont au moins une chauffeuse à induction est agencée autour d'une partie du moule nécessitant un refroidissement contrôlé, moyen de chauffage dans lequel la chauffeuse comporte une série d'éléments inducteurs juxtaposés générant chacun une puissance thermique déterminée, chacun des éléments définissant une zone de refroidissement contrôlée. Selon d'autres caractéristiques du dispositif - le moyen de chauffage comporte un moyen de contrôle de la puissance dissipée par chaque élément inducteur. - le moyen de chauffage comporte un moyen de régulation des différentes puissances dissipées par les éléments inducteurs en fonction de l'information fournie par les moyens de mesure de température de chacune des zones. L'invention concerne également un cylindre de laminoir obtenu par le procédé et le dispositif selon l'invention et dont la masse de matériau fondu, pour son élaboration, est supérieure à environ 10 tonnes. L'invention concerne aussi un lingot de forge obtenu par le procédé et le dispositif selon l'invention et dont la masse de matériau fondu, pour son élaboration, est supérieure à environ 10 tonnes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels - la Fig.l représente un dispositif de moulage d'une pièce brute de fonderie, comme par exemple un cylindre de laminoir, le moule comportant une chauffeuse, agencée autour d'un moulage d'une masselotte; - la Fig.2 est un schéma de principe d'un moyen de chauffage et de régulation par zones. Dans l'exemple de réalisation, on décrira un dispositif de moulage d'un cylindre de laminoir, la pièce brute de fonderie étant coulée à la verticale par arrivée de matériau à l'état fondu par le dessous. Comme représenté sur la Fig.1, le dispositif de moulage comprend un moule 1 sensiblement cylindrique dont l'axe est placé verticalement, et dans lequel un espace de moulage 2 est destiné à recevoir un matériau 3 à l'état fondu par une arrivée 4. Le matériau fondu est par exemple un alliage à base de fer auquel on ajoute d'autres constituants en pourcentage variable afin d'obtenir les caractéristiques métallurgiques et physiques attendues pour le cylindre de laminoir 5, produit fini, représenté en trait mixte. Le moule 1 est constitué de quatre parties distinctes : un moulage de tourillon inférieur 6, un moulage d'une table 7, ou partie travaillante du cylindre de laminoir 5, constitué par une coquille en fonte hématite, un moulage d'un tourillon supérieur 9 réalisé en matériau réfractaire, ces trois premiers moulages formant l'empreinte 10 de la pièce à mouler, et un moulage de masselotte 11, destinée à contenir le matériau à l'état fondu qui alimente l'espace de moulage 2 et plus précisément, l'empreinte de la pièce à mouler, pendant la diminution de volume par rétreint intervenant lorsque le métal passe de l'état liquide à l'état solide.L'alliage, contenu dans le moulage de masselotte 11, pour remplir parfaitement sa fonction, doit rester au-dessus de la température du liquidus, tant que la masse métallique contenue dans l'empreinte de la pièce à mouler, n' est pas complètement solidifiée. Sur la Fig.1 est représentée, agencée à la périphérie du moulage de la masselotte 11, une chauffeuse 12 à induction d'un moyen de chauffage 13. Comme représenté à la Fig.2, la chauffeuse 12 comporte dans cet exemple une série de trois éléments 14, 15, 16 juxtaposés définissant chacun, une zone de refroidissement contrôlée 17, 18, 19. Les éléments inducteurs 14, 15, 16 sont connectés à un moyen 20 de contrôle de la puissance dissipée par chacun d'entre eux. Des sondes de température 21, 22, 23, 24 placées dans les zones de refroidissement 17,18, 19 et à la surface libre 25 de l'alliage en fusion du moulage de la masselotte sont connectées au moyen de contrôle 20. La Fig.2 est un schéma d'un moyen 13 de chauffage et de régulation par zone d'une chauffeuse 12. Un élément 14 générant une puissance thermique régulée déterminée, communique à la zone 17 qui lui correspond la puissance demandée en fonction de la régulation des éléments juxtaposés, et des indications des moyens de mesure de température de chacune des zones. Les inducteurs de la chauffeuse sont revêtus intérieurement d'une chemise réfractaire 26, assurant leur isolation par rapport au moulage de masselotte 11 et au métal liquide à chauffer, et permettant un ajustement au diamètre dudit moulage de masselotte 11. Le procédé de fabrication du cylindre de laminoir consiste en ce qu'on coule l'alliage métallique dans l'espace de moulage 2, on refroidit le moule 1 et la masse de l'alliage fondu pour le solidifier dans l'empreinte 10 de la pièce à mouler, on contrôle le refroidissement d'une partie de la masse du matériau contenue dans le moulage de masselotte 11, en créant un front de solidification se déplaçant en continu des surfaces extérieures de la masse de la pièce moulée vers la surface libre 25 de l'alliage en fusion du moulage de masselotte (Fig.2). Pour parvenir à contrôler ce refroidissement, l'empreinte de la masselotte ayant été séparée en plusieurs zones 17, 18, 19, juxtaposées de refroidissement contrôlé, on contrôle d'abord le refroidissement de la zone 17 proche de l'empreinte de la pièce moulée, puis successivement, on contrôle le refroidissement de la zone 18 située juste au-dessus, puis enfin, on contrôle le refroidissement de la zone 19 en surface de la masse encore fondue restante, dans le moulage de masselotte. Ainsi, le procédé et le dispositif selon l'invention permettent au métal liquide de s'écouler à l'endroit voulu et au moment judicieux en comblant les vides crées par le retreint interne, lors de la solidification des pièces coulées en s'efforçant que le métal apporté reste d'une même composition que celle du métal de base. La chemise réfractaire 26 qui revêt intérieurement les inducteurs assure une isolation par rapport au moulage de la masselotte 11, et autorise un ajustement par rapport au diamètre dudit moulage. Le fait de pouvoir agir en permanence sur la solidification de la masselotte permet, de réduire la masse de l'alliage en fusion, contenue dans le moule et de faire une économie de métal et d'énergie, d'augmenter la masse de métal sain solidifié et le poids des cylindres de laminoir et lingots, par rapport à une masse de métal liquide donnée. La connaissance continue de la température au sein de la masselotte permet d'appliquer la puissance strictement nécessaire au maintien du métal en fusion audessus de la température de liquidus en diminuant ainsi l'énergie apportée, les pertes thermiques et en améliorant la ségrégation. Le dispositif et le procédé suivant l'invention amènent ainsi - une simplification des modes opératoires, - une réduction de la mise au mille, - une amélioration de la qualité physique et chimique des pièces brutes de fonderies, particulièrement des pièces lourdes supérieures à environ 10 tonnes comme les cylindres de laminoir et/ou des lingots de forge. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication par moulage de pièces de fonderie telles que cylindre de laminoir et lingot de forge, dans lequel on coule un matériau à l'état fondu, comme par exemple un métal ou un alliage métallique, dans un moule (1) définissant un espace de moulage séparé en au moins deux parties, une empreinte (10) de la pièce à mouler et une empreinte (11) de masselotte placée audessus de ladite empreinte, on refroidit le moule (1) et la masse (3) du matériau fondu pour solidifier celui-ci et obtenir une pièce brute de fonderie, on contrôle le refroidissement de la pièce de fonderie par un apport de calories au moyen d'un inducteur agencé en périphérie d'une partie choisie du moule, caractérisé en ce qu'on contrôle le refroidissement d'une partie de la masse de matériau fondu et on crée un front de solidification se déplaçant en continu des surfaces extérieures du moule de la pièce, vers une surface libre (25) de matériau en fusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on contrôle le refroidissement de la masselotte de façon à créer le front de solidifiction progressif de l'empreinte de la pièce moulée vers la surface libre (25) de la masse fondue de ladite masselotte. 3. Procédé selon les revendications I et 2, caractérisé en ce qu'on sépare la masse chauffée de la masselotte en plusieurs zones juxtaposées (17,18,19) de refroidissement contrôlé. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on contrôle le refroidissement de la zone (17) proche de l'empreinte (10) de la pièce puis successivement des zones contiguës (18,19) jusqu'au refroidissement de la surface libre (25) de la masse fondue restante de la masselotte. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on maintient la température à la surface libre (25) de la masse fondue de la masselotte sensiblement au-dessus de la température du liquidus du matériau. 6. Dispositif de fabrication par moulage de pièces de fonderie telles que cylindre de laminoir et/ou lingot de forge, pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 à 5, comprenant un moule (1) dans lesquel un espace de moulage (2) est destiné à recevoir un matériau (3) à l'état fondu comme par exemple un métal ou un alliage métallique, l'espace de moulage (2) étant séparé en au moins deux parties, une empreinte (10) de pièce à mouler et une empreinte (11) de masselotte, placée au-dessus et un moyen de chauffage par induction (13) dont au moins une chauffeuse à induction (12) agencée autour d'une partie du moule nécessitant un refroidissement contrôlé, caractérisé en ce que la chauffeuse (12) comporte une série d'éléments inducteurs (14,15,16), chacun des éléments définissant une zone de refroidissement contrôlé (17,18, 19). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le moyens de chauffage comporte un moyen (20) de contrôle de la puissance dissipée par chaque élément inducteur (14,15,16). 8. Dispositif selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le moyen de chauffage (13) comporte un moyen (21, 22, 23, 24) de mesure de la température de chaque zone (17,18,19) et de la surface libre (25) de la masse fondue de la masselotte. 9. Dispositif selon les revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le moyen de contrôle (20) assure la régulation des différentes puissances dissipées par les éléments inducteurs (14,15,16) en fonction de l'information fournie par les moyens de mesure en température (21,22t23,24) de chacune des zones et de la surface libre (25) de la masse fondue de la masselotte. 10. Cylindre de laminoir, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé et/ou le dispositif selon l'une des revendications 1 à 9. 11. Cylindre de laminoir selon la revendication 10, caractérisé en ce que la masse de matériau fondu pour son élaboration est supérieure à environ 10 tonnes. 12. Lingot de forge, caractérisé en ce qu'il est obtenu par le procédé et/ou le dispositif selon l'une des revendications 1 à 9. 13. Lingot de forge selon la revendication 12, caractérisé en ce que la masse de matériau fondu pour son élaboration est supérieure à environ 10 tonnes.