[0001] La présente invention est relative au chenal ou à la goulotte de coulée d'un alliage
métallique à température de coulée élevée, au moins égale à 1400°C, dans un moule.
Un tel alliage métallique peut être un super-alliage ou un acier allié ou faiblement
allié.
[0002] Les super-alliages se classent en trois catégories : les aciers et alliages austénitiques
contenant plus de 20 % de fer, c'est-à-dire composés essentiellement d'une austénite
de fer, nickel, chrome ou de fer, chrome, nickel, cobalt, et les alliages contenant
moins de 20 % de fer, soit à base de nickel soit à base de cobalt. Les super-alliages
contiennent encore des éléments susceptibles de former des carbures ou des phases
inter-métalliques : le molybdène, le tungstène, le vanadium, le niobium, le titane,
l'aluminium. Leur principal intérêt est leur résistance mécanique et chimique, pour
des températures de plus en plus élevées c'est-à-dire supérieures à 900 ou 1000°C.
Leur résistance au fluage est appréciée.
[0003] Pour ces raisons, on les emploie pour le moulage de pièces mécaniques destinées à
résister à de hautes températures, telles que des pièces pour fours métallurgiques,
pièces pour les industries aéronautique, aérospatiale, automobile, en particulier
les rotors ou ailettes de turbines à gaz et de turboréacteurs, les soupapes d'échappement,
les éléments chauffants et les dents de manutention pour fours industriels, les produits
tubulaires pour raffineries de l'industrie pétrolière, etc... Les aciers alliés ou
faiblement alliés sont utilisés, entre autres, pour le moulage de pièces pour l'industrie
mécanique, l'industrie du bâtiment (aciers de construction).
[0004] Le chenal de coulée d'un tel alliage peut être celui d'un four de fusion ou bien
peut être raccordé à une poche de coulée en fonderie.
[0005] Un alliage métallique à température de coulée élevée se solidifie rapidement en cas
de baisse de température. Pour éviter cette solidification, on préfère conserver le
plus longtemps possible cet alliage métallique à l'intérieur d'une enceinte bien chauffée
telle que celle d'un four, en évitant de le laisser stagner dans une goulotte de coulée
ou un chenal de coulée du four, entre deux coulées successives destinées à emplir
un moule appliqué sur l'orifice de la goulotte de coulée.
[0006] Pour cette raison, on utilise comme appareil de fusion un four rotatif ou basculant
en vue d'incliner et de vider la goulotte entre deux coulées successives en faisant
descendre et rentrer le métal liquide à l'intérieur de l'enceinte chauffée du four.
[0007] On utilise également, comme connu, un inducteur en forme de bobine ou de solénoïde
noyé dans le garnissage réfractaire de la goulotte de coulée, sur toute sa longueur,
afin d'induire un courant secondaire de chauffage dans l'alliage liquide lorsqu'il
emplit la goulotte juste avant et pendant une coulée, et ainsi réduire les risques
de solidification de l'alliage métallique liquide sur le parcours de la goulotte de
coulée. Mais, une telle goulotte pourvue d'un inducteur noyé n'est plus chauffante
en l'absence d'alliage ou de métal liquide, entre deux coulées successives, lorsque
la goulotte est relevée pour faire descendre l'alliage métallique liquide vers le
four. Il en résulte que, lors de la reprise de la coulée, le risque de début de solidification
subsiste lorsque l'alliage métallique fait son entrée dans la goulotte de coulée insuffisamment
réchauffée.
[0008] Le problème est donc posé d'éliminer le risque de refroidissement et de solidification
d'un alliage métallique à température de coulée au moins égale à 1400°C dans un chenal
de coulée, entre deux coulées successives d'un moule, en chauffant le chenal même
lorsqu'il ne contient pas d'alliage ou de métal liquide.
[0009] On pourrait certes obtenir ce résultat, au moins théoriquement, en introduisant dans
la paroi du chenal des résistances électriques chauffantes, comme connu. Mais dans
la pratique le chauffage d'un chenal de coulée par effet Joule est difficile à réaliser
sinon irréalisable car, en raison de sa dilatation, il est difficile de noyer une
résistance chauffante dans un garnissage réfractaire et, de plus, il est difficile
d'amener par des plots fixés au chenal un courant de forte intensité à une telle résistance
noyée, en raison de la puissance élevée qui est nécessaire. Pour cette raison, on
préfère le chauffage par induction au chauffage par résistances électriques, l'inducteur
convenablement refroidi ne posant pas de problèmes de dilatation lorsqu'il est noyé
dans le garnissage réfractaire, et l'amenée de courant à l'inducteur, donc au chenal,
malgré la forte puissance requise, ne posant pas non plus de problèmes en raison de
l'interposition entre le chenal et la source de courant électrique d'un générateur
apériodique recevant ce courant électrique à forte
[0010] L'invention a donc pour objet un chenal de coulée perfectionné en vue de résoudre
ce problème. Ce chenal, du type à section transversale fermée comportant sur toute
sa longueur un inducteur en forme de bobine ou de solénoide dont les spires refroidies
sont noyées dans le garnissage réfractaire du chenal et parcourues par un courant
électrique primaire fourni par un générateur apériodique, étant caractérisé en ce
que, autour du lit de coulée du chenal et coaxialement audit chenal, est disposé un
manchon suscepteur en graphite parcouru par un courant induit ou secondaire de chauffage
lorsque l'inducteur est alimenté en courant primaire.
[0011] Grâce à cet agencement, le chenal de coulée est chauffé par induction lorsque l'inducteur
est parcouru par un courant électrique primaire, même lorsque l'alliage métallique
liquide n'est pas introduit dans le chenal, de sorte que le chenal peut'être chauffé
d'avance, avant même la première coulée, et bien entendu entre deux coulées successives
à une température assurant la fluidité de l'alliage métallique à haute température
de coulée lorsque celui-ci est introduit dans le chenal.
[0012] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui
va suivre.
[0013] Au dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple,
- la Fig. 1 est une vue schématique en élévation avec coupe partielle d'un four électrique
basculant équipé d'un chenal de coulée suivant l'invention, le chenal étant en position
de coulée ;
- la Fig. 2 est une vue de détail en élévation, à plus grande échelle que la Fig.
1, d'un tube de graphite suivant l'invention, avant sa mise en forme définitive ;
- la Fig. 3 est une vue schématique illustrant le système de chauffage par induction
avec inducteur et tube suscepteur de l'invention, mis en forme ;
- la Fig. 4 est une vue partielle en coupe correspondant à la Fig. 1 du chenal de
coulée relevé en position d'attente entre deux coulées successives.
[0014] Suivant l'exemple d'exécution de la Fig. 1, l'invention est appliquée à un four électrique
1 de fusion, de type connu, rotatif ou basculant au moyen d'un berceau 2 en arc de
cercle porté par des galets 3 (un seul est représenté), eux-mêmes montés sur un bâti
à semelle 4. Le four 1 est de type réverbère à voûte 6 qui réverbère la chaleur. En
arrachement est représentée une partie du garnissage réfractaire 7 du four 1 et de
la capacité de l'enceinte 8. En arrachement, est représentée une partie du garnissage
réfractaire 7 du four 1 et de la capacité 8 qui débouche vers l'orifice de coulée
de métal liquide par un conduit 9. Le conduit 9 est lui-même raccordé à une goulotte
de coulée extérieure 10 à caisson métallique, fixé à l'une de ses extrémités par une
bride 11 de manière amovible au four 1 proprement dit et soutenu à l'autre extrémité
par une béquille verticale A éventuellement réglable en hauteur par des moyens non
représentés, par exemple du type à vis-écrou et volant de manoeuvre. La goulotte 10
comporte, comme connu, un garnissage réfractaire 12, par exemple en pisé silico-alumineux,
ménageant un conduit ou chenal de coulée cylindrique 13, de section transversale fermée
raccordée au conduit 9.
[0015] Le chenal 13, d'axe XX, réalisé comme décrit plus loin, comporte une partie droite
dont la direction générale est inclinable de part et d'autre de l'horizontale au cours
du basculement du four 1 et une partie coudée 14 remontant vers le haut et débouchant
sur la face supérieure de la goulotte 10 par un orifice de coulée 15. Au-dessus de
l'orifice de la coulée 15, lorsque le four 1 est incliné en position de coulée, est
placé un moule B représenté par son contour extérieur en trait mixte. Le moule B est
appliqué sur l'orifice de coulée 15 par une pression de plateau P actionné par exemple
par un vérin non représenté.
[0016] Par un conduit 5 la capacité 8 du four est placée sous pression d'un gaz inerte tel
que l'argon ou l'azote de manière a assurer le déplacement de l'alliage métallique
liquide jusqu'à l'orifice de coulée par réglage de la pression sans risque d'oxyder
l'alliage métallique liquide en contact avec ce gaz.
[0017] La goulotte 10 (ou le chenal 13) est de type chauffant.
[0018] A cet effet, et comme connu, un inducteur 17, sous forme d'une bobine ou d'un solénoide
(Fig. 1 et 3) métallique, en cuivre, est noyé dans le garnissage réfractaire 12, coaxialement
à l'axe XX en suivant le contour coudé du chenal 13 sur la presque totalité de la
longueur du chenal 13, mais en ménageant un large espace annulaire autour du chenal
13, les spires de l'inducteur 17 ayant un diamètre notablement supérieur au diamètre
extérieur du chenal 13. Comme connu, les spires de l'inducteur 17 sont intérieurement
refroidies par un courant d'eau non représenté, ce qui supprime tout problème de dilatation
donc d'encastrement de l'inducteur à l'intérieur du garnissage réfractaire 12. Les
extrémités des spires de l'inducteur 17 sont raccordées aux deux bornes 18 d'un générateur
apériodique 19 de courant électrique. De manière conventionnelle, un chauffage par
induction de l'alliage métallique liquide est obtenu lorsque cet alliage emplit complètement
le chenal 13 et que la bobine 17 est alimentée en courant électrique : le primaire
est la bobine 17 et le secondaire est l'alliage métallique liquide.
[0019] Conformément à l'invention, en vue du chauffage du chenal 13, même en l'absence de
métal liquide dans le chenal 13, est prévu autour du lit de coulée du chenal 13, c'est-à-dire
autour du manchon de revêtement 16, un manchon 20 en graphite, coaxial au chenal 13
donc d'axe XX, ce manchon 20, dit suscepteur constituant en fait le secondaire dans
le système d'induction dont la bobine 17 est le primaire. Le manchon suscepteur 20
est encastré ou inséré, en étant posé avec de larges tolérances dimensionnelles, sur
1e garnissage réfractaire 12, au voisinage de la paroi interne formant le lit d'écoulement
de l'alliage métallique liquide, mais ne constituant pas le lit d'écoulement. La finition
du chenal 13 est réalisée sous la forme décrite plus loin.
[0020] De préférence, le manchon suscepteur en graphite ou tube 20 est mis en forme coudée
de la manière suivante, à partir d'une préforme droite 21 (Fig. 2) :
Il comporte un élément tubulaire droit 21 qui, sur une partie de sa longueur, à partir
d'une extrémité, est tronçonné suivant des plans obliques 22 par rapport à l'axe XX,
alternativement inclinés dans un sens et dans le sens opposé, les deux inclinaisons
étant symétriques, en segments tubulaires 23 qui, dans cet exemple, sont au nombre
de six. Les génératrices diamétralement opposées des segments 23 ainsi obliquement
délimités sont alternativement courtes et longues. En faisant tourner de 180° successivement
chaque segment 23 par rapport au précédent, par glissement sur les plans obliques
22 de séparation, et en faisant tourner notamment en premier le segment 23 adjacent
de l'élément droit 21 par rapport à l'élément tubulaire droit 21, et en continuant
cette rotation de proche en proche, on obtient le coude tubulaire de la Fig. 3 dont
les segments tubulaires 23 ont des génératrices plus courtes du côté concave que les
génératrices diamétralement opposées du côté convexe.
[0021] Enfin, pour réaliser la finition du chenal 13 en partie droit, en partie coudé, et
pour préserver le manchon suscepteur 20 en graphite d'un contact direct avec l'alliage
métallique liquide, notamment dans les joints entre segments 23, un manchon 16 coudé
continu et lisse, en matériau réfractaire, est appliqué comme revétement intérieur
du manchon suscepteur 20 dont il recouvre les interstices entre segments 23 à l'opposé
du contact du manchon 20 avec le garnissage réfractaire 12. Le manchon 16 constitue
donc la finition précise du chenal 13 même si le garnissage 12 proprement dit présente
une cavité intérieure réalisée avec de larges tolérances dimensionnelles. En d'autres
termes, le manchon 16 constitue le lit d'écoulement de l'alliage métallique liquide
avec lequel il est destiné à être en contact direct.
Fonctionnement
[0022] Pendant la fusion de sa charge métallique, le four 1 est de préférence basculé ou
incliné de manière que la goulotte de coulée 10 ait sa partie droite en position relevée
ou inclinée vers le haut afin d'éviter que du métal liquide ne pénètre dans le chenal
13. Le four est donc incliné au maximum (Fig. 4) et la goulotte 10 ne repose plus
sur la béquille A.
[0023] C'est cette période de fusion pendant laquelle le chenal 13 est vide qui est utilisée
au préchauffage, par induction, du manchon de revêtement 16 donc de la paroi du chenal
13 grâce au manchon ou tube suscepteur en graphite 20.
[0024] Le courant électrique fourni par le générateur 19 traverse la bobine primaire 17
qui induit le courant secondaire de chauffage dans le tube suscepteur en graphite
20. Celui-ci à son tour chauffe par contact le manchon de revêtement 16.
[0025] Quand la fusion de la charge métallique du four 1 est terminée, le four 1 est basculé
dans la position de la Fig. 1, en vue de la coulée jusqu'à ce que la goulotte 10 prenne
appui sur la béquille A. Le métal liquide s'engouffre dans le chenal de coulée 13
préchauffé, sans monter jusqu'à l'orifice 15 sur lequel est appliqué le moule B étant
donné que la pression de gaz neutre au-dessus de la charge de métal liquide dans le
four 1 est maintenue à une valeur basse réglée précisément pour que le niveau du métal
liquide soit inférieur à celui de l'orifice 15. L'inducteur 17, toujours alimenté
en courant électrique par le générateur 19, travaille alors avec le métal liquide
qui, parcouru par un courant secondaire induit, est chauffé et maintenu à la température
désirée sensiblement supérieure à 1400°C, jusqu'à ce que l'on élève la pression de
gaz neutre dans le four 1. en vue de faire monter le métal liquide au-dessus de l'orifice
15, pour l'introduire dans le moule B et remplir ce dernier.
[0026] Ainsi, le métal ou alliage liquide contenu dans le chenal de coulée 13 ou parcourant
celui-ci reste chauffé en toutes circonstances à une température presque aussi élevée
que celle qui règne à l'intérieur du four 1.
[0027] Bien entendu, l'invention est applicable également au chauffage par induction, en
l'absence de métal liquide, d'un canal de four à - canal ou d'un chenal isolé alimenté
par une simple poche de coulée non chauffante ni chauffée.
1.- Chenal de coulée du type à section transversale fermée comportant sur toute sa
longueur un inducteur (17) en forme de bobine et de solénoïde dont les spires refroidies
sont noyées dans le garnissage réfractaire (12) du chenal (13), et parcourues par
un courant électrique primaire fourni par un générateur apériodique (19), caractérisé
en ce que, autour du lit de coulée du chenal (13) coaxialement audit chenal de section
transversale fermée, est disposé un manchon suscepteur en graphite (20) parcouru par
un courant induit ou secondaire de chauffage lorsque l'inducteur (17) est alimenté
en courant primaire.
2.- Chenal suivant la revendication 1, du type à section transversale fermée comportant
une partie droite et une partie coudée (14) remontant vers le haut et débouchant sur
la face supérieure par un orifice de coulée (15), caractérisé en ce que le manchon
suscepteur en graphite (20) comporte une partie droite (21) et une partie coudée (23).
3.- Chenal suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le manchon suscepteur
de graphite (20) comporte une partie coudée (23) constituée par des segments tubulaires
(23) dont les génératrices sont plus courtes du côté concave que les génératrices
diamétralement opposées, du côté convexe.
4.- Chenal suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le manchon suscepteur
de graphite (20) est réalisé à partir d'une préforme tubulaire droite (21) tronçonnée
à partir d'une extrémité et sur une partie de sa longueur suivant des plans obliques
(22) de sépa- - ration alternativement inclinés dans un sens et dans le sens opposé,
les deux inclinaisons étant symétriques, de manière à créer des segments tubulaires
(23) dont les génératrices diamétralement opposées sont alternativement courtes et
longues.
5.- Chenal suivant les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que le manchon suscepteur
de graphite (20) comporte une partie coudée (23) constituée à partir de segments tubulaires
(23) séparés par des plans de joints obliques (22) à inclinaisons symétriquement alternées,
lesdits segments (23) subissant successivement une rotation de 180° de l'un par rapport
au précédent par glissement sur les plans obliques (22) de séparation en commençant
par le segment tubulaire (23) adjacent de l'élément tubulaire droit (21) et en continuant
cette rotation de proche en proche.
6.- Chenal suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le manchon suscepteur
de graphite (20) est encastré dans le garnissage. réfractaire (12) au voisinage de
la paroi interne dudit garnissage (12), avec de larges tolérances dimensionnelles,
ledit manchon (20) ne constituant pas le lit d'écoulement de l'alliage métallique
liquide.
7.- Chenal suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le manchon suscepteur
de graphite (20) est revêtu, à l'opposé de son contact avec la garniture réfractaire
(12), d'un manchon (16) coudé continu et lisse en matériau réfractaire constituant
la finition précise du chenal (13), c'est-à-dire le lit d'écoulement de l'alliage
métallique liquide avec lequel il est destiné à être en contact direct.