Brevet FR2785373A3 — publié le 20000505

FR 2785373 A3 20000505 FR 9913345 A 19991026 BOUCHON DE CREUSET. L'invention se rapporte à un bouchon de creuset selon le préambule de la revendication 1. De tels bouchons de creusets forment des corps obturateurs à ouverture automatique pour des creusets de coulée qui trouvent utilisation, par exemple, dans des procédés de soudage en aluminothermie. La réaction qui est à la base de ce procédé de soudage repose sur la forte affinité de l'aluminium pour l'oxygène, affinité qui est mise à profit pour réduire des oxydes de fer, la chaleur nécessaire pour la formation d'un produit de soudage liquide étant prélevée sur cette réaction fortement exothermique. Le produit de départ de la réaction d'aluminothermie est un mélange à grain fin qui est essentiellement composé de Al et de Fe203 et qu'on charge, pour l'exécution de la réaction d'aluminothermie, dans un creuset, par exemple conique, qui se trouve au-dessus d'un moule de coulée, lequel entoure le joint soudé entre deux pièces qu'il s'agit d'assembler. La réaction de ce mélange peut tre déclenchée par une cartouche d'allumage, à la suite de quoi se déroule, à l'intérieur du creuset, la réaction aluminothermique qui conduit à la formation d'une masse fondue essentiellement composée de fer et d'une scorie flottante faite d'alumine. Au cours de cette réaction, la séparation entre le fer et la scorie se produit dans un intervalle de temps relativement court, après quoi le bouchon de creuset doit libérer l'orifice d'écoulement du creuset, de manière que l'acier liquide coule dans le joint à souder pour l'exécution du soudage. La réaction aluminothermique peut tre essentiellement divisée en deux étapes, à savoir la réaction de réduction et la séparation consécutive entre l'acier liquide et la scorie. Or, il est essentiel pour obtenir un résultat reproductible de l'opération de soudage que l'orifice d'écoulement du creuset s'ouvre au bon moment, c'est-à-dire ni trop tt ni trop tard. Dans le cas d'une ouverture trop précoce, le processus de séparation entre l'acier et la scorie risque de ne pas tre terminé, de sorte que des particules de scorie sont évacuées avec l'acier et parviennent dans le joint soudé, de sorte qu'on peut observer des réductions considérables de la solidité de l'assemblage soudé. Dans le cas d'une ouverture trop tardive, il risque de se produire une coulée interrompue, dans laquelle le processus de solidification de l'acier a déjà commencé à l'intérieur du creuset. Le temps pendant lequel l'acier fondu par aluminothermie séjourne dans le creuset prend ainsi une importance décisive et un bouchon de creuset à ouverture automatique qui, après l'allumage du mélange aluminothermique, libère l'orifice d'écoulement du creuset après écoulement d'un laps de temps défini, constitue un opérateur simple à manipuler pour réaliser des temps reproductibles de séjour de l'acier dans le creuset. Actuellement, dans le cas des portions de soudage correspondant à l'état de la technique, on prend pour point de départ un temps de coulée minimum du creuset de 15 secondes. Une longue expérience acquise sur les voies de chemin de fer a montré qu'après ce temps minimum, il se produit une séparation suffisante entre l'acier produit par aluminothermie et la scorie et qu'on peut garantir une qualité de soudure satisfaisante. Ces bouchons de creusets sont d'une composition telle qu'ils fondent et libèrent ainsi l'orifice d'écoulement après écoulement du laps de temps souhaité dans les conditions existantes de la réaction aluminothermique. C'est ainsi qu'on connaît des bouchons de creusets qui sont constitués, globalement, d'un corps de bouchon fabriqué en sable, qui entoure un évidement d'écoulement dans lequel est introduit un corps de buse, par exemple en aluminium, à l'intérieur duquel se trouvent des plaquettes obturatrices en matières céramiques, en silicate d'aluminium fibreux compressible, ou analogues. On connaît par ailleurs des corps obturateurs faits de sable lié, de graphite ou d'une combinaison des deux éléments cités en dernier. Finalement, on connaît des bouchons de creusets qui sont entièrement ou partiellement composés de graphite perméable à l'air ou de métaux dont le point de fusion est compris entre 2100 C et 3727 C comme, par exemple, le niobium, le tantale, le molybdène, le tungstène ou l'hafnium. Dans ces derniers cas, on part du principe que, par suite d'une formation d'alliage, ces matières forment avec l'acier liquide des combinaisons dont les points de fusion se trouvent au-dessous de la température d'écoulement de l'acier. Grâce à l'incompressibilité de ces matières, on obtient des améliorations pour l'obtention de laps de temps reproductibles avant l'ouverture du creuset, comparativement aux matières compressibles déjà citées au début. Par suite de l'intensification de la conscience de l'environnement mais aussi pour des raisons de protection du travail, on ajoute au mélange aluminothermique des matières additionnelles, en particulier des atténuateurs sous une forme à grain fin, dont la fonction consiste à influencer le déroulement de la réaction aluminothermique dans un sens tel que cette réaction se déroule de façon moins violente, avec un plus faible dégagement de fumée et, autant que possible, en évitant les projections d'acier liquide. On peut atteindre un comportement réactionnel calmé dans ce sens dans une portion de soudage en utilisant des formateurs d'alliage qui donnent une structure perlitique, par addition d'une plus grande proportion de métal froid, par exemple sous la forme de grenailles de Fe. Cette plus grande proportion de métal froid conduit à retarder le déroulement de la réaction et à calmer la réaction. Toutefois, par suite de la consommation de la chaleur de dissolution pour le métal froid, on obtient une plus faible enthalpie de la portion de soudage aluminothermique ou Thermites. Ceci peut avoir une influence négative sur les propriétés de la soudure. Face à cet arrière-plan, le but à atteindre devrait tre un comportement de réaction aussi calme que possible en mme temps qu'une enthalpie aussi élevée que possible de la portion de soudage Thermit Une portion de soudage Thermit@ connue par le document DE-PS 196 50 207 offre ces propriétés. En dehors des conditions de refroidissement, la constitution de la structure dépend aussi de la composition du mélange aluminothermique mis en oeuvre ou de la portion de soudage. C'est ainsi qu'on connaît, par le document DE-PS 196 50 207, des mélanges aluminothermiques dont les constituants d'alliage conduisent à une structure bainitique ou partiellement bainitique. Une telle structure présente, avec une résistance à l'usure inchangée, une meilleure résistance à la fatigue. Une caractéristique intrinsèque de telles portions de soudage consiste aussi dans un déroulement de réaction ralenti et calmé. Le but de l'invention consiste à proposer un bouchon de creuset du genre cité au début qui est spécifié pour garantir la reproductibilité de la qualité de la soudure produite pour l'utilisation dans un creuset en combinaison avec des mélanges aluminothermiques dont la composition est habituellement choisie en vue d'obtenir une structure adaptée, en particulier au moins partiellement bainitique. Dans le cas d'un tel bouchon de creuset, ce problème est résolu par les caractéristiques de la partie caractérisante de la revendication 1. Il en résulte qu'un point essentiel pour l'invention consiste en ce que les propriétés de fusion du bouchon de creuset sont déterminées en fonction de la composition du mélange aluminothermique, sous l'aspect de la matière et/ou de la structure, et étudiées dans chaque cas de telle manière qu'on obtienne des temps d'ouverture ou de coulée qui sont calculés en vue de la formation d'une structure déterminée dans la région de la coulée entre pièces, auquel cas on doit éviter aussi bien une ouverture trop précoce qu'une ouverture trop tardive de l'orifice d'écoulement du creuset. En fonction de la composition du mélange aluminothermique, en particulier des constituants d'alliage de ce mélange, qui, selon l'invention, sont choisis en vue d'obtenir une structure au moins partiellement bainitique dans la région de la coulée entre pièces, on devra tenir compte d'un allongement du temps de séjour du mélange à l'intérieur du creuset qui sera nécessaire pour laisser s'effectuer la réaction aluminothermique et le processus de séparation entre la scorie et l'acier liquide. Le bouchon de creuset selon l'invention en tient compte et forme un opérateur à action automatique à l'aide duquel on tient compte du déroulement ralenti de la réaction qui correspond à la composition citée du mélange aluminothermique, de sorte qu'on peut produire d'une façon simple dans la région de la coulée entre pièces des assemblages soudés possédant une qualité reproductible et possédant des fractions de structure au moins partiellement bainitiques. Lorsque l'intervalle de temps entre le début de la réaction aluminothermique et la fusion du bouchon est calculé conformément aux caractéristiques des revendications 2 à 5, on obtient des temps de coulée qui sont adaptés au déroulement retardé et calmé de la réaction, qui, en fonction de la composition de la portion de soudage Thermit, conduit à la formation d'une structure au moins partiellement bainitique dans la région de la coulée entre pièces des pièces ou des extrémités des rails. On doit considérer comme point de départ de cet intervalle de temps, le début d'une réaction visuellement perceptible du mélange aluminothermique. Les caractéristiques des revendications 6 et 7 sont orientées vers les matières qui peuvent tre mises en oeuvre de façon particulièrement avantageuse dans le cadre du bouchon de creuset. Toutefois, plutôt qu'aux matières céramiques fibreuses compressibles, on donne la préférence aux autres matières incompressibles, ceci en vue d'obtenir de plus faibles dispersions des valeurs des temps de fusion. Les caractéristiques des revendications 8 et 9 sont orientées vers la constitution structurelle du bouchon de creuset. En particulier en agissant sur le nombre des plaquettes utilisées dans un corps de buse, on peut régler différents temps de fusion différents sur le site, par exemple en vue de l'adaptation à différents mélanges aluminothermiques. Le bouchon de creuset selon l'invention forme ainsi un opérateur qui permet d'avoir d'une façon uniforme et efficace une action automatique sur la constitution de la structure dans la région de la coulée entre pièces, dans le sens d'une formation au moins partielle d'une structure bainitique. L'invention est décrite de façon plus détaillée dans ce qui suit, en se reportant aux exemples de réalisation représentés sur les dessins. La figure 1 montre une représentation d'un creuset de coulée en coupe verticale, avec un bouchon de creuset selon l'invention en place ; la figure 2 montre une représentation d'un autre exemple de réalisation d'un bouchon de creuset selon l'invention ; et la figure 3 montre une représentation d'un autre exemple de réalisation d'un bouchon de creuset selon l'invention. On a désigné par 1 sur la figure 1 un creuset de coulée qui est conformé pour tre posé sur un moule de coulée destiné à l'utilisation dans le cadre d'un procédé de soudage aluminothermique. Il s'agit d'un récipient de forme générale conique muni à son extrémité inférieure d'une ouverture d'écoulement 2. Le creuset de coulée 1 est fait d'une matière réfractaire, par exemple d'oxyde d'aluminium ou d'une matière comparable. L'ouverture d'écoulement 2 présente une configuration légèrement conique en direction de la face inférieure du creuset, de sorte que le bouchon de creuset 3 qui y est emboîté en partant du côté supérieur de l'ouverture d'écoulement est soutenu. Une caractéristique essentielle du bouchon de creuset 3 est un corps de bouchon 4 composé, par exemple, de sable, qui entoure un évidement d'écoulement 5 et qui est destiné à tre emboîté dans l'ouverture d'écoulement 2 du creuset de coulée 1. La région supérieure de l'évidement d'écoulement 5 est caractérisée par un épaulement annulaire 6 auquel se raccorde, en direction de l'extrémité supérieure, une région élargie en section, dans laquelle est logé un corps de buse 7. Le corps de buse 7, qui est composé, par exemple d'aluminium ou de graphite, fait saillie hors de l'extrémité supérieure du corps 4 du bouchon et présente une région de fond qui est formée par des plaquettes 8 qui peuvent elles aussi tre composées de graphite ou, par exemple, d'un silicate d'aluminium céramique fibreux. La plaquette 8 représentée présente une épaisseur d qui est calculée, selon l'invention, de manière que l'intervalle de temps qui s'écoule jusqu'à la fusion après le début de la réaction aluminothermique, soit choisi en fonction de la composition du mélange aluminothermique. Le mélange aluminothermique utilisé en combinaison avec le bouchon de creuset selon l'invention est un mélange qui possède une composition étudiée pour la formation d'une structure au moins partiellement bainitique. Ceci signifie que les propriétés de fusion du bouchon de creuset doivent tre adaptées aux déroulements de réaction ralentis qui correspondent à ces mélanges aluminothermiques. L'épaisseur d du bouchon de creuset 3 forme ainsi le paramètre décisif pour la détermination du temps de coulée du creuset 1. Dans chaque cas, on cherche à obtenir un temps de réaction mis à la disposition de la réaction aluminothermique qui soit adapté à la composition dudit mélange, qui permette aux deux étapes précitées de la réaction aluminothermique de se dérouler avant que l'évidement d'écoulement 5 du creuset de coulée 1 ne soit dégagé par suite de la fusion du bouchon de creuset 3, en particulier de la plaquette 8. En remplacement d'une plaquette 8 unique d'une épaisseur d, on peut en principe prévoir aussi plusieurs plaquettes de plus faibles épaisseurs. La construction de principe d'un bouchon de creuset 3 qui est représentée sur la figure 1 peut tre modifiée de nombreuses façons, en particulier sous l'aspect de la matière et de la structure. C'est ainsi que la figure 2 montre un bouchon de creuset 3'dont le corps de buse 7'est fait d'aluminium et dont la région de fond est formée de trois plaquettes 8'disposées l'une au-dessus de l'autre, et qui sont composées de matières céramiques fibreuses, l'épaisseur d'de sa région de fond, en particulier le nombre des plaquettes 8', étant choisi de manière que l'épaisseur d'obtenue présente le comportement de fusion qu'on souhaite obtenir dans le déroulement du temps. Sur la figure 3, on a représenté un bouchon de creuset 3"dont le corps de buse 7"est composé de la mme façon de la plaquette 8"qui forme sa région de fond, par exemple en graphite, le bouchon de creuset 4 représenté étant composé de sable lié. La plaquette 8"est, d'une façon connue en soi, entièrement ou partiellement poreuse, et/ou munie de plusieurs perçages qui laissent pénétrer le métal liquide. Ces perçages facilitent le dégagement de gaz formé pendant la réaction aluminothermique et qui, autrement, pourrait empcher la sortie de l'acier liquide. La plaquette 8"peut aussi tre composée, alors que les conditions sont inchangées par ailleurs, d'un métal à haut point de fusion comme, par exemple le niobium, le tantale, le molybdène, le tungstène ou l'hafnium. Les exposés donnés ci-dessus à propos des exemples de bouchons de creusets 3,3'représentés sur les figures 1 et 2 sont également valables pour le calcul de l'épaisseur d"de la plaquette 8". REVENDICATIONS 1. Bouchon de creuset (3,3', 3') s'ouvrant automatiquement par suite de la fusion, composé d'une matière à haut point de fusion, pour un creuset de coulée (1) destiné à contenir un mélange aluminothermique, et qui est agencé pour le soudage de deux pièces par coulée entre ces pièces, caractérisé en ce que la composition en matière et/ou la constitution du bouchon de creuset (3,3', 3') est ou sont choisie (s) en fonction de la composition du mélange aluminothermique pour la détermination de l'instant de fusion du bouchon, de manière qu'il s'établisse dans la région de coulée entre les pièces une structure au moins partiellement bainitique. 2. Bouchon de creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition en matière et/ou la constitution du bouchon de creuset (3,3', 3") est ou sont choisie (s) en fonction de la composition du mélange aluminothermique pour la détermination de l'instant de fusion du bouchon, en outre de manière qu'une fusion du bouchon se produise après écoulement d'un laps de temps d'au moins 20 secondes après le début de la réaction aluminothermique. 3. Bouchon de creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition en matière et/ou la constitution du bouchon de creuset (3,3', 3') est ou sont choisie (s) en fonction de la composition du mélange aluminothermique pour la détermination de l'instant de fusion du bouchon, de manière qu'une fusion du bouchon se produise après écoulement d'un laps de temps d'au moins 25 secondes après le début de la réaction aluminothermique. 4. Bouchon de creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition en matière et/ou la constitution du bouchon de creuset (3,3', 3") est ou sont choisie (s) en fonction de la composition du mélange aluminothermique pour la détermination de l'instant de fusion du bouchon, de manière qu'une fusion du bouchon se produise après écoulement d'un laps de temps d'au moins 30 secondes après le début de la réaction aluminothermique. 5. Bouchon de creuset selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition en matière et/ou la constitution du bouchon de creuset (3,3', 3') est ou sont choisie (s) en fonction de la composition du mélange aluminothermique pour la détermination de l'instant de fusion du bouchon, de manière qu'une fusion du bouchon se produise après écoulement d'un laps de temps d'au moins 35 secondes après le début de la réaction aluminothermique. 6. Bouchon de creuset selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bouchon de creuset (3,3', 3') est entièrement ou partiellement composé de graphite ou d'un métal tel que le niobium, le tantale, le molybdène, le tungstène ou l'hafnium. 7. Bouchon de creuset selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le bouchon de creuset (3,3', 3') est entièrement ou partiellement composé de matières céramiques fibreuses. 8. Bouchon de creuset selon une des revendications précédentes 1 à 7, caractérisé par un corps de buse (7,7', 7') dans lequel est logée au moins une plaquette (8,8', 8') destinée à fondre, le corps de buse étant fait de graphite ou d'un métal tel que, par exemple, l'aluminium, la plaquette étant composee de graphite, d'un silicate d'aluminium céramique fibreux ou d'un métal tel que le niobium, le tantale, le molybdène, le tungstène ou l'hafnium, et le corps de buse et la plaquette pouvant tre identiques ou différents en composition matérielle. 9. Bouchon de creuset selon la revendication 8, caractérisé en ce que le corps de buse (7,7', 7') est agencé pour recevoir sélectivement une ou plusieurs plaquettes (8,8', 8').