Brevet FR2958194A1 — publié le 20111007

Procédé et dispositif pour la fabrication d'une virole bi-matériaux, et virole ainsi réalisée. L'invention concerne le domaine de la métallurgie, et plus particulièrement la fabrication de viroles bi-matériaux, c'est-à-dire de pièces formées de deux parties solidaires concentriques de formes annulaires réalisées dans deux matériaux différents et solidarisées l'une à l'autre. L'industrie liée à l'utilisation de réacteurs soumis à la pression û dont l'industrie nucléaire et pétrochimique - utilise de telles viroles comme constituants de cuves de réacteurs ou de pressuriseurs. Ces viroles peuvent être fabriquées par soudage de deux viroles initialement séparées et fabriquées chacune par un procédé quelconque, ou d'une virole et d'une bande à disposer sur une surface de la virole. La virole extérieure peut, par exemple, être en acier à bas carbone de type 16MND5 et la virole intérieure être en acier inoxydable austénitique de type 304L initialement sous forme de bande. La virole extérieure en acier au carbone peut être obtenue par forgeage, et la virole interne en acier inoxydable peut, comme on l'a dit, être constituée par une bande que l'on soude sur la surface intérieure de la virole extérieure. De façon non limitative, le diamètre intérieur de la virole interne peut être compris entre 2 et 9 mètres, sa hauteur peut être comprise entre 2 et 5 mètres, les épaisseurs des viroles peuvent être de l'ordre de 50mm à 600mm pour la virole externe et de 5mm à 100mm pour la virole interne. Cette solution relativement simple à mettre en oeuvre n'est cependant pas optimale, car il s'agit d'un procédé long à mettre en oeuvre. Pour une virole de coeur de réacteur ayant les dimensions précitées, le soudage et le contrôle de la qualité de soudage peuvent prendre entre 5 et 10 semaines û la durée variant en fonction des dimensions intérieures de la virole et de l'épaisseur de couche de soudure désirée. La qualité du soudage doit être vérifiée très soigneusement et dépend des critères de détection appliqués. Le but de l'invention est de proposer un procédé de fabrication de telles viroles bimatériaux présentant une meilleure productivité et une excellente fiabilité. A cet effet l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'une virole bi- matériaux, constituée d'une virole extérieure annulaire et d'une virole intérieure annulaire soudées l'une à l'autre, les deux viroles étant en des matériaux différents, caractérisé en ce que: - on réalise la coulée en source et la solidification de la virole extérieure dans un espace de coulée délimité par une base de coulée, une paroi d'une première lingotière disposée sur la base de coulée et par une paroi extérieure, déplaçable vers le haut, d'une deuxième lingotière, disposée sur ladite base et concentrique à la première lingotière ; 2 - on soulève ladite paroi extérieure déplaçable de la deuxième lingotière de manière à découvrir la peau de la virole extérieure qui s'est solidifiée contre elle ; - on réalise la coulée en source et la solidification de la virole intérieure dans un espace de coulée délimité par ladite peau de la virole extérieure qui s'est au préalable solidifiée contre la paroi extérieure déplaçable de la deuxième lingotière et une paroi intérieure fixe de ladite deuxième lingotière, le soudage des deux viroles s'effectuant par diffusion de matière entre les surfaces desdites viroles qui sont au contact l'une de l'autre lors de la solidification ; - et on effectue éventuellement un forgeage et/ou un usinage de l'ensemble formé par lesdites viroles soudées. On peut soulever ladite paroi extérieure de la deuxième lingotière lorsque la solidification de la virole extérieure est achevée. On peut commencer à soulever ladite paroi extérieure de la deuxième lingotière alors que la coulée de la virole extérieure est achevée, mais que sa solidification n'est pas encore achevée. On peut commencer à soulever ladite paroi extérieure de la deuxième lingotière alors que la coulée de la virole extérieure n'est pas encore achevée. On peut lubrifier l'interface entre la virole extérieure et la paroi extérieure de la deuxième lingotière. On peut réaliser un refroidissement forcé de la paroi intérieure de la deuxième lingotière. La virole extérieure peut être en acier au carbone et la virole intérieure en acier inoxydable. L'invention a également pour objet un dispositif pour la fabrication d'une virole bi- matériaux constituée d'une virole extérieure annulaire et d'une virole intérieure annulaire soudées l'une à l'autre, les deux viroles étant en des matériaux différents, caractérisé en ce qu'il comporte : - une base de coulée en source ; - un canal d'entrée et ses canaux de sortie pour le métal liquide destiné à constituer le matériau de la virole extérieure ménagés dans ladite base, lesdits canaux de sortie débouchant dans un premier espace de coulée défini par la face supérieure de la base, une paroi intérieure d'une première lingotière et la paroi extérieure d'une deuxième lingotière ; - un canal d'entrée et ses canaux de sortie pour le métal liquide destiné à constituer le matériau de la virole intérieure ménagés dans ladite base, lesdits canaux de sortie débouchant dans un deuxième espace de coulée défini par la face supérieure de la base, ladite paroi extérieure de la deuxième lingotière et la paroi intérieure de la deuxième lingotière ; - et des moyens de levage de ladite paroi intérieure de la deuxième lingotière selon une direction verticale, permettant de découvrir la surface intérieure solidifiée de la virole extérieure et de la mettre au contact du métal liquide destiné à constituer la virole intérieure. Il peut comporter un mandrin refroidi intérieurement et entouré par la paroi intérieure de la deuxième lingotière. Lesdites lingotières peuvent comporter des masselottes. La paroi extérieure de la deuxième lingotière peut comporter des moyens de lubrification de son interface avec le métal destiné à constituer la virole extérieure. L'invention a également pour objet une virole bi-matériaux constituée d'une virole extérieure annulaire et d'une virole intérieure annulaire soudées l'une à l'autre, les deux viroles étant en des matériaux différents, caractérisée en ce qu'elle a été obtenue par le procédé précédent. La virole extérieure peut être en acier au carbone 16MND5 et la virole intérieure peut être en acier inoxydable 304L. La virole peut être un constituant de cuve de réacteur nucléaire ou pétrochimique La virole peut être un constituant d'un pressuriseur de réacteur nucléaire. Comme on l'aura compris, l'invention vise à réaliser successivement, ou quasi-simultanément, la solidification de deux lingots creux dont les formes et les compositions correspondent à celles des deux composants de la virole bi-matériaux que l'on désire obtenir. La solidification de la face extérieure du lingot constituant la virole intérieure s'effectue directement sur la face interne du lingot constituant la virole extérieure, ou inversement, et leur solidarisation s'effectue par soudageûdiffusion ou co-solidification des métaux les constituant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faisant référence aux figures annexées suivantes : - la figure 1 qui représente schématiquement de face vue en coupe une installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention ; - la figure 2 qui représente la même installation lorsque la virole extérieure est en cours de solidification ; - la figure 3 qui représente la même installation lorsque la virole extérieure est entièrement solidifiée et la virole intérieure en cours de solidification. La figure 1 représente un exemple de dispositif selon l'invention utilisé pour la fabrication de virole bi-matériaux. Il comporte comme éléments essentiels en premier lieu une base 1 pour la coulée en source d'un lingot de forme annulaire légèrement conique dans l'exemple représenté. Cette base 1, dans l'exemple représenté, comporte dans sa partie centrale un socle 2 de forme sensiblement cylindrique et faisant saillie par rapport au restant de la base 1. Une première lingotière est définie en partie par une paroi cylindrique métallique 3 déposée sur la base 1, et dont la partie inférieure enserre le socle 2 dont la face supérieure constitue le fond de la première lingotière. Cette paroi 3 de la première lingotière peut éventuellement être refroidie extérieurement ou intérieurement par circulation d'un fluide, ou être non refroidie. La face intérieure de la première lingotière 3 a pour fonction d'assurer la solidification de la partie externe de la virole. A cet effet, la base 1 comporte un canal d'entrée 4 pour du métal liquide (par exemple un acier à bas carbone 16MND5), connecté à une mère de coulée non représentée, c'est-à-dire à une canalisation verticale destinée à recevoir le métal liquide s'échappant du fond de la poche de coulée où sa température et sa composition ont été réglées. Le canal d'entrée 4 se divise en une pluralité de canaux de sortie (dont deux 5, 6 sont visibles sur les figures) qui débouchent sur la face supérieure du socle 2 et permettent de faire parvenir du métal liquide à divers endroits de l'espace de coulée annulaire 7 délimité extérieurement par la paroi 3 de la première lingotière. Une deuxième lingotière est définie par la face supérieure du socle 2 de la base 1, deux autres parois cylindriques métalliques 8, 9 concentriques, définissant entre elles un espace annulaire 10 destinée à la coulée de la partie interne de la virole. A cet effet, la base 1 comporte un autre canal d'entrée 11 pour du métal liquide (par exemple un acier inoxydable austénitique 304L), connecté à une autre mère de coulée (non représentée) que la mère de coulée alimentant le canal d'entrée 4 précédemment cité. Cet autre canal d'entrée 11 se divise de préférence en une pluralité de canaux de sortie (dont deux 12, 13, situés à l'arrière du plan de coupe des figures, tout comme le canal d'entrée 11) sont représentés en pointillés sur les figures. Ils débouchent sur la surface supérieure du socle 2 et permettent de faire parvenir du métal liquide dans l'espace de coulée annulaire 10 défini par les parois 8, 9 de la deuxième lingotière. Cette deuxième lingotière présente, selon l'invention, une particularité qui est que sa paroi 8 la plus extérieure qui sépare les deux espaces de coulée 7, 10 (et constitue donc une paroi intérieure pour la première lingotière) est mobile verticalement à la commande, selon des modalités qui seront vues plus loin. Des moyens de levage non représentés, commandés par un opérateur ou un dispositif automatisé, assurent cette mobilité. La paroi 9 la plus intérieure de la deuxième lingotière est indifféremment fixe ou amovible. L'installation est complétée par un système de refroidissement de la paroi la plus intérieure 9 définissant la deuxième lingotière. Par exemple ce système de refroidissement peut être un mandrin 14 refroidi intérieurement par circulation d'un fluide (eau par exemple) tel que décrit dans les documents FR-A-2 525 131, FR-A-2 543 031, FR-A-2 676 670 ou FR-A-2 676 671 Ce mandrin 14 est en contact avec la paroi la plus intérieure 9 définissant la deuxième lingotière pour assurer son refroidissement et son soutien lors de l'utilisation de l'installation L'installation est également de préférence pourvue, dans les parties supérieures des espaces de coulée 7, 10, de masselottes 15, 16, c'est-à-dire de pièces circonférentielles en matériau réfractaire disposées sur les parois fixes des lingotières : - la face interne de la première lingotière 3 ; - et la paroi 9 la plus intérieure de la deuxième lingotière. Le rôle de ces masselottes 15, 16, dont le principe est bien connu en coulée de lingots de métal liquide, est de retarder la solidification du métal dans la zone située face à elles, de sorte qu'il se forme dans cette zone, le plus longtemps possible, une réserve de métal liquide qui pourra alimenter la partie axiale du lingot pour lui assurer une solidification la plus homogène possible. En effet, les peaux solidifiées qui se forment à partir des parois opposées d'une lingotière peuvent croître de façon irrégulière et finir par se rejoindre localement de manière anticipée, en formant ainsi des « ponts » qui emprisonnent du métal encore liquide. Celui-ci, en se solidifiant, va diminuer de volume et laisser des espaces vides appelés « retassures » qui risquent d'être rédhibitoires pour la qualité du lingot et des produits qui en seraient issus. Dans le cas des viroles du type que l'invention vise à fabriquer, ces retassures seraient d'autant plus nuisibles que les viroles ne subissent pas ou peu de déformations plastiques ultérieures qui permettraient assurément de refermer les retassures. La réserve de métal liquide maintenue par la masselotte permet d'alimenter la partie centrale du lingot en cours de solidification, et d'éviter la formation des ponts à l'origine des retassures ou de les faire refondre après leur formation. La figure 2 représente l'installation en cours de coulée et de solidification de la virole extérieure 17 en acier au carbone. On a introduit dans le dispositif, à travers le canal d'entrée 4, un acier au carbone à l'état liquide, et il a pénétré dans l'espace de coulée 7 défini par la paroi intérieure de la première lingotière 3 et la paroi extérieure 8 de la deuxième lingotière. Sur la figure 2, la virole 17 est en cours de solidification et une peau solidifiée 18 se forme contre les parois de la première lingotière. La figure 3 représente l'installation en cours de coulée et de solidification de la virole intérieure en acier inoxydable. Après avoir soulevé la paroi cylindrique 8 qui séparait les deux espaces de coulée 7, 10 de façon à découvrir la peau solidifiée de la virole extérieure 7, on a introduit, à travers le canal d'entrée 11, un acier inoxydable à l'état liquide. Il a pénétré dans l'espace de coulée 10 défini par la virole extérieure 17 et l'autre paroi 9 définissant l'espace de coulée 10 de la deuxième virole. Celle-ci se solidifie contre la paroi 9 refroidie par le mandrin 14, et aussi contre la surface intérieure de la virole extérieure 17. Les températures des deux métaux (la virole solidifiée 17 et le métal liquide 18 destiné à constituer la virole annulaire interne) sont choisies au moment de la coulée de la virole intérieure pour que la diffusion chimico-métallurgique entre l'acier au carbone et l'acier inoxydable s'effectue à leur interface de façon significative, ou qu'il se produise une co-solidification à cet interface. De cette façon, on obtient une excellente qualité de la solidarisation des deux viroles, par un phénomène de soudage-diffusion ou de co-solidification. Après solidification complète de l'acier inoxydable 18, on retire la première lingotière 3 et la paroi 9 de la deuxième lingotière, et on obtient l'ébauche de la virole bimatériau désirée, prête à être forgée et/ou usinée pour l'obtention de la virole définitive, après également d'éventuels traitements thermiques. Avantageusement, pour faciliter le soulèvement de la paroi 8 séparant les deux espaces de coulée 7, 10, sans endommagement de la surface de la virole 17 on peut prévoir que sa face destinée à être mise au contact de la virole extérieure 17 soit équipée de moyens de lubrification tels que des conduits d'injection d'huile débouchant sur la surface de la paroi, de manière analogue à ce qui est pratiqué pour les lingotières de coulée continue de l'acier ou de conduits d'injection de gaz sous pression permettant le décollement rapide de la paroi 8 . On a décrit et représenté le cas où on attend, pour couler la virole intérieure en acier inoxydable, que la virole extérieure 17 soit entièrement solidifiée. Mais il demeurerait conforme à l'invention de ne pas attendre cette solidification complète et d'effectuer la levée de la paroi cylindrique 8 puis la coulée de l'acier inoxydable 18 alors que la solidification de la virole extérieure 17 ne serait pas encore totalement achevée. Il suffirait que la peau solidifiée formée sur la paroi 8 soit déjà suffisamment solide pour ne pas être endommagée par le mouvement de la paroi 8 et pour résister à la pression qu'exercerait sur elle l'acier inoxydable 18 lors de sa coulée. Cette solution a pour avantage de réaliser la coulée alors que la surface interne de la virole extérieure est à une température relativement élevée, ce qui augmente l'intensité de la diffusion des métaux l'un dans l'autre. La cohésion des deux viroles est ainsi encore mieux assurée. De la même façon, il est envisageable de commencer la levée de la paroi cylindrique 8 puis la coulée de la virole intérieure avant la fin de la coulée de la virole extérieure 17, lorsque la solidification de la virole extérieure 17 est néanmoins suffisamment avancée pour que la peau solidifiée contre la paroi cylindrique 8 soit suffisamment épaisse et solide pour supporter sans dommages le déplacement de la paroi 8 et la pression exercée par le métal liquide 18 injecté pour former la virole intérieure. La solidification de la virole extérieure 17 peut se poursuivre même lorsque la paroi 8 est en mouvement. L'invention, par rapport aux techniques connues jusqu'à présent, permet de supprimer la phase de soudage de la bande d'inox et de vérification des soudures, et ainsi de gagner au moins 5 à 10% du temps de fabrication globale d'une virole bicomposant de grande dimension. Par exemple, de manière non limitative, cela peut représenter 5 à 10 semaines sur un plan de fabrication pouvant s'étaler sur une centaine de semaines La fabrication d'une virole bi-matériaux passe par l'élaboration d'un lingot creux bicomposant. La lingotière permettant de fabriquer une telle virole est majoritairement en fonte, le dispositif interne amovible étant, lui, fabriqué en fonte ou en acier. Une étape de forgeage et/ou de laminage circulaire permet la réalisation d'une ébauche ayant sensiblement la longueur finale de la virole bi-composant, et une épaisseur d'ébauche minimale adaptée à la phase d'usinage ultérieure. Enfin une phase d'usinage est réalisée pour amener la virole bi-matériaux de l'état d'ébauche à l'état de pièce finie aux cotes prédéfinies. L'invention a été décrite en référence à la fabrication de viroles bi-matériaux en acier au carbone pour la partie extérieure et en acier inoxydable pour la partie intérieure. Mais bien entendu cet exemple n'est pas limitatif et d'autres matériaux peuvent être utilisés. De même, les ordres de grandeur des dimensions qui ont été cités en exemple ne sont pas limitatifs. Dans le cadre de l'invention, les viroles 17, 18 annulaires peuvent être cylindriques, tronconiques, de section rectangulaire ou autre. On peut également envisager de couler la virole intérieure 18 avant la virole extérieure 17, à condition de prévoir des moyens de refroidissement qui assurent que c'est la virole intérieure 18 qui se refroidit en premier de façon forcée. De la même façon que ce qui a été décrit précédemment dans le cas inverse, la coulée de la virole extérieure 17 peut s'effectuer sur une virole intérieure 18 qui est déjà partiellement ou totalement solidifiée ou encore en cours de coulée. REVENDICATIONS1.- Procédé de fabrication d'une virole bi-matériaux, constituée d'une virole extérieure annulaire (17) et d'une virole intérieure annulaire (18) soudées l'une à l'autre, les deux viroles étant en des matériaux différents, caractérisé en ce que : - on réalise la coulée en source et la solidification d'une première virole (17, 18) dans un espace de coulée (7,10) délimité par une base de coulée (1), une première paroi de lingotière (3, 9) disposée sur la base de coulée (1) et par une paroi (8), déplaçable vers le haut, disposée sur ladite base (1) et concentrique à la paroi de lingotière (3, 9) ; - on soulève ladite paroi déplaçable (8) de manière à découvrir la peau de la première virole (17, 18)) qui s'est solidifiée contre elle ; - on réalise la coulée en source et la solidification de la seconde virole ( 18,17) dans un espace de coulée délimité par ladite peau de la première virole (17, 18) qui s'est au préalable solidifiée contre la paroi (8) déplaçable et une deuxième paroi de lingotière (9, 3) fixe, le soudage des deux viroles s'effectuant par diffusion de matière entre les surfaces desdites viroles qui sont au contact l'une de l'autre lors de la solidification ou par co-solidification ; - et on effectue éventuellement un forgeage et/ou un usinage de la virole bimateriaux formée par lesdites viroles soudées. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce la première virole est la virole extérieure annulaire (17) 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce la première virole est la virole intérieure annulaire (18) 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on soulève ladite paroi déplaçable (8) lorsque la solidification de la première virole (17, 18) est achevée. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on commence à soulever ladite paroi déplaçable (8) alors que la coulée de la première virole (17, 18) est achevée, mais que sa solidification n'est pas encore achevée. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on commence à soulever ladite paroi déplaçable (8) alors que la coulée de la première virole (17, 18) n'est pas encore achevée. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on lubrifie l'interface entre la première virole (17, 18) et la paroi déplaçable (8). 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on insuffle un gaz sous pression à l'interface entre la première virole (17, 18) et la paroi déplaçable (8). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'on réalise un refroidissement forcé de l'une et/ou l'autre des paroi(s) (3, 9) de la lingotière. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la virole extérieure (17) est en acier au carbone et la virole intérieure en acier inoxydable. 11. Dispositif pour la fabrication d'une virole bi-matériaux constituée d'une virole extérieure annulaire (17) et d'une virole intérieure annulaire (18) soudées l'une à l'autre, les deux viroles étant en des matériaux différents, caractérisé en ce qu'il comporte : - une base de coulée en source (1) ; - un canal d'entrée (4) et ses canaux de sortie (5, 6) pour le métal liquide destiné à constituer le matériau de la virole extérieure (17) ménagés dans ladite base (1), lesdits canaux de sortie (5, 6) débouchant dans un premier espace de coulée (7) défini par la face supérieure de la base (1), une paroi intérieure d'une première lingotière (3) et la paroi extérieure (8) d'une deuxième lingotière ; - un canal d'entrée (11) et ses canaux de sortie (12, 13) pour le métal liquide (18) destiné à constituer le matériau de la virole intérieure ménagés dans ladite base (1), lesdits canaux de sortie (12, 13) débouchant dans un deuxième espace de coulée (10) défini par la face supérieure de la base (1), ladite paroi extérieure (8) de la deuxième lingotière et la paroi intérieure (9) de la deuxième lingotière ; - et des moyens de levage de ladite paroi extérieure (8) de la deuxième lingotière selon une direction verticale, permettant de découvrir la surface intérieure solidifiée de la virole extérieure (17) et de la mettre au contact du métal liquide (18) destiné à constituer la virole intérieure. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement de la paroi intérieure (9) de la deuxième lingotière, tels qu'un mandrin (14) refroidi intérieurement et entouré par la paroi intérieure (9) de la deuxième lingotière. 13. Dispositif selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que lesdites lingotières comportent des masselottes (15, 16). 14. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la paroi extérieure (8) de la deuxième lingotière comporte des moyens de lubrification de son interface avec le métal destiné à constituer la virole extérieure (17). 15. Dispositif selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que la paroi extérieure (8) de la deuxième lingotière comporte des moyens d'insufflation de gaz sous pression à son interface avec le métal destiné à constituer la virole extérieure (17). 16. Virole bi-matériaux constituée d'une virole extérieure annulaire (17) et d'une virole intérieure annulaire (18) soudées l'une à l'autre, les deux viroles étant en desmatériaux différents, caractérisée en ce qu'elle a été obtenue par le procédé selon l'une des revendications 1 à 10. 17. Virole selon la revendication 16, caractérisée en ce que la virole extérieure est en acier au carbone 16MND5 et en ce que la virole intérieure est en acier inoxydable 5 304L. 18. Virole selon la revendication 16 ou 17, caractérisée en ce qu'il s'agit d'un constituant de cuve de réacteur nucléaire ou pétrochimique. 19. Virole selon la revendication 16 ou 17, caractérisée en ce qu'il s'agit d'un constituant d'un pressuriseur de réacteur nucléaire.