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(11) | EP 0 190 458 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Procédé et installation pour la fabrication continue de tuyaux en fonte à graphite sphéroidal à structure contrôlée |
| (57) A la suite de la formation d'un tuyau en fonte à graphite sphéroïdal dans une filière
de coulée continue, le tuyau en fonte subit un traitement thermique. Le tuyau en fonte subit une trempe en traversant en continu un bac 9 placé à l'aval d'une filière 4-5 de coulée continue, et contenant un bain 15 de sable fluidisé. Obtention d'une structure homogène pour le tuyau en fonte, et reproductible industriellement. |
[0001] La présente invention est relative à la fabrication par coulée continue de tuyaux en fonte à graphite sphéroïdal et à un traitement thermique consécutif à cette coulée continue, en vue de donner aux tuyaux une structure appropriée à l'usage, par exemple, mais non exclusivement, une structure bainitique.
[0002] On connaît par la demande de brevet En France n° 84 00 382 déposée le 10 Janvier 1984 la fabrication par coulée continue verticale ascendante d'un tube métallique en fonte, sans utilisation d'un noyau.
[0003] On connait par le brevet FR-A-24 15 501 la fabrication d'un tuyau en fonte par coulée continue verticale descendante, avec utilisation d'un noyau pour former la cavité du fût du tuyau.
[0004] Par ailleurs, on connait par le brevet FR-A-25 22 291 la fabrication d'un tube centrifugé en fonte à graphite sphéroïdal à structure bainitique par traitement thermique consécutif à la coulée centrifuge.
[0005] Suivant ce brevet, d'une part le traitement thermique est réalisé de manière très avantageuse en commençant la phase de trempe directement en coquille de centrifugation, ce qui permet de gagner un temps important et d'économiser de l'énergie de chauffe pour le traitement thermique, e: d'autre part est obtenue une structure bainitique avantageuse par rapport à la structure ferritique habituelle ces tuyaux en fonte. En effet, la structure bainitique du tuyau en fonte GS permet d'améliorer notablement la limite élastique et la résistance à la rupture pour une même valeur d'allongement et, si.l'on veut réaliser des tubes en fonte aux caractéristiques mécaniques habituellement exigibles, un allègement notable par réduction d'épaisseur des tuyaux en fonte à structure bainitique par rapport aux tuyaux connus à structure ferritique.
[0006] Le procédé connu de fabrication des tuyaux en fonte par coulée centrifuge est un procédé de fabrication discontinue. Il présente l'avantage de permettre la trempe austénitique in situ, c'est-à-dire à l'intérieur de la coquille de centrifugation, comme le montre le brevet FR-A-25 22 291.
[0007] La Demanderesse s'est posé 1e problème d'obtenir un tube en fonte à graphite sphéroïdal ayant une structure déterminée, par exemple, mais non exclusivement bainitique, dans la fabrication par coulée continue, et notamment une structure homogène sur toute la paroi du tube, et ceci de manière industriellement reproductible, malgré la faible aptitude à la trempe de la fonte à graphite sphércîdal.
[0009] L'invention a pour objet un procédé de fabrication en continu d'un tube en fonte à graphite sphéroïdal et à structure homogène et contrôlée, choisie parmi les structures contenant de la bainite, de la bainite et de la ferrite, ou de la ferrite et de la perlite, ce procédé du type dans lequel on forme un tube par un procédé de coulée continue à l'intérieur d'une filière tubulaire refroidie, à partir d'une fonte ayant la composition suivante en poids : carbone, 2,5 à 4,0 % - Silicium, 2 à 4 %, Manganèse, 0,1 à 0,6 %, Molybdène 0 à 0,5 %, Nickel, 0 à 3,5 %, Cuivre, 0 à 11 %, Magnésium, 0 à 0,5 %, Soufre, 0,1 % au maximum, Phosphore, 0,06 % au maximum, le reste étant du fer, ce procédé étant caractérisé en ce que à la sortie de la filière tubulaire refroidie, on fait passer le tube en fonte qui vient d'être engendré à travers un bain fluidisé de particules réfractaires solides refroidies à une température sensiblement inférieure à la température à laquelle se trouve le tube en fonte à sa naissance à la sortie de la filière tubulaire refroidie.
[0010] L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé, cette installation du type comportant des moyens de coulée continue d'un tube en fonte à graphite sphéroïdal, étant caractérisée en ce qu'elle comporte en aval de la filière refroidie de coulée continue un bac de fluidisation de particules réfractaires solides, ledit bac étant pourvu d'un serpentin tubulaire d'eau de refroidissement du bain fluidisé dans lequel est noyé le serpentin et ledit bac comportant au moins un orifice d'entrée ou de sortie du tube devant traverser le bain fluidisé desdites particules dans le bac.
[0011] Grâce à ce procédé et à cette installation, le traitement thermique de refroidissement subi par le tube en fonte à graphite sphéroïdal, en continu, à la sortie de la filière continue, est parfaitement uniforme et reproductible, ce qui permet d'obtenir une structure de tube bien précise et homogène. En particulier, le suivi immédiat de la coulée du tuyau en fonte par le traitement thermique en bain fluidisé de particules réfractaires permet d'obtenir une trempabilité de la fonte bien supérieure à celle que l'on aurait en laissant le tuyau coulé se refroidir et en le réchauffant pour le tremper ensuite. L'invention permet en effet de partir directement de la structure non encore traitée, c'est-à-dire vierge du tuyau de fonte sortant de la filière de coulée.
[0012] D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre :
Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exempie,
- la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'une installation suivant l'invention à coulée continue ascendante, d'un tube sans emboitement,
- la Fig. 2 est une vue schématique en coupe complémentaire de la Fig. 1 pour illustrer l'installation de traitement thermique de l'invention,
- la Fig. 3 est une vue schématique en élévation d'un détail mécanique de l'installation de traitement thermique de l'invention,
- la Fig. 4 est une vue schématique partielle en coupe suivant la ligne à-4 de la Fig. 2 d'une partie de l'installation thermique,
- la Fig. 5 est un diagramme de traitement thermique portant la ligne d'évolution de température d'un tube en fonte, pendant le temps du traitement thermique, pour l'obtention d'une structure bainitique,
- la Fig. 6 est une vue schématique partielle en coupe, d'une variante d'installation de l'invention avec coulée continue descendante d'un tube en fonte sans emboitement,
- la Fig. 7 est un diagramme analogue à celui de la Fig. 5 d'une variante de traitement thermique pour l'obtention d'une structure ferrito-perlitique.
Suivant l'exemple d'exécution illustré à la Fig. 1, l'invention est appliquée à la coulée continue ascendante d'un tube en fonte T.
[0013] L'installation de l'invention comporte :
1°) Une alimentation en fonte liquide par bloc-siphon : un bloc-siphon 1, en matériau réfractaire, par exemple de type silico- alumineux comporte essentiellement un conduit de coulée en L à entonnoir de coulée 2 à sa partie supérieure, constituant une alimentaticn en charge et, à sa partie inférieure, un orifice de coulée 3, en source, à la base d'une filière de formation du tube T.
2°) Un creuset refroidi extérieurement ou filière : Dans l'axe XX de l'orifice de coulée en source 3 est montée une filière tubulaire ou creuset refroidi comprenant une chemise 4 en graphite d'axe XX dont le diamètre intérieur correspond au diamètre extérieur du tube T à obtenir et une enveloppe 5, par exemple en cuivre, à circulation d'eau de refroidissement qui entre par un conduit 6 et sort par un conduit 7. La chemise 4 en graphite repose directement sur le bloc-siphon 1. L'enveloppe de refroidissement 5 montée autour de la chemise 4, en contact avec celle-ci, sur presque toute sa hauteur, n'est pas en contact direct avec le bloc-siphon 1 mais en est séparée par un socle annulaire réfractaire 8 d'espacement. La partie supérieure de l'enveloppe de refroidissement 5 est située au-dessus de la tranche supérieure de la chemise en graphite 4. C'est l'ensemble chemise 4-enveloppe 5 qui constitue le creuset refroidi ou la filière.
3°) Un dispositif de traitement thermique en trois parties :
A) Un bac de fluidisation pour immerger le tube T dans un milieur fluidisé à température contrôlée.
B) Un manchon de calorifugeage du tube T pour ralentir son refroidissement.
C) Et comme connu en soi, un four-tunnel de maintien du tube T en température.
a) Conformément à l'invention, le bac de fluidisation est monté dans l'axe XX de la filière (4-5) et du tube T en fonte à obtenir, au-dessus de la filière (4-5), donc en aval de celle-ci. Il comporte un récipient 9 ou bac ouvert à l'air libre à sa partie supérieure, reposant par exemple sur la tranche supérieure de l'enveloppe de refroidissement 5 ou reposant sur un bâti non représenté. Le bac 9 a un fond annulaire d'axe XX présentant une ouverture circulaire 10 correspondant au diamètre extérieur du tube en fonte T qui la traverse librement. Au-dessus du fond annulaire à ouverture 10 et parallèlement à ce fond, est fixée une plaque poreuse 11, espacée dudit fond de manière à ménager une chambre d'entrée d'air 12 sous une pression donnée, par exemple comprise entre 2 et 8 bar. De l'air sous pression est admis dans la chambre 12 par un conduit 13 sous le contrôle d'un équipement 14 comprenant par exemple un détendeur et un manomètre non représentés. Au-dessus de la plaque poreuse 11 se trouve la chambre de fluidisation ouverte à l'air libre, qui contient une certaine quantité de particules solides de préférence réfractaires, à fluidiser, par exemple de sable 15, ou bien de silice ou bien d'alumine. Dans cette chambre de fluidisation est disposé un certain nombre de spires tubulaires 16, enroulées en hélice à un diamètre compris entre le diamètre extérieur du bac 9 et celui de l'ouverture 10. Les spires tubulaires 16 sont parcourues par de l'eau de refroidissement entrant par un conduit 17 et sortant par un conduit 18.
Au-dessus du bac 9, et dans 1e même axe X-X, est montée, conformément à l'invention, une cheminée 33 de diamètre intérieur supérieur au diamètre extérieur du tube T à former. La cheminée 33 enveloppe un manchon 34 de calorifugeage, par exemple constitué d'un feutre de fibres minérales. Il s'agit d'une cheminée 33 pour ralentir le refroidissement naturel du tube T. Le refroidissement du tube T est d'autant plus lent.que le manchon de calorifugeage 34 est plus épais. La hauteur de la cheminée 33 est au moins égale à la longueur de tube T à tronçonner.
Conformément à l'invention, la cheminée 33 comporte intérieurement des galets ou rouleaux 35 de guidage et de support du tube T. Ces galets 35, en protubérance interne par rapport au manchon de calorifugeage 34, sont alignés parallélement aux génératrices de la cheminée cylindrique 33 d'axe XX et à celles du tube T. Au moins une partie des galets 35 sont motorisés pour faire progresser le tube T. Conformément à l'invention également, la cheminée 33 et le manchon de calorifugeage 34 qu'elle contient sont montés "basculants". La cheminée 33 peut basculer d'un angle de 90° en portant à la partie inférieure, du côté du basculement, une oreille d'articulation 36 (Fig. 2-3). Sur l'oreille 36 est fixé solidairement un tourillon horizontal 37 d'axe YY orthogonal à l'axe XX. En vue de son basculement, la cheminée 33 porte au dessus de l'oreille 36 une oreille de basculement 38 sur laquelle est articulée l'extrémité de la tige 39 d'un vérin 40 de basculement dont le corps est comme connu, articulé sur un bâti 41 à l'extrémité opposé de la tige de piston 39 (Fig. 3). Le vérin 40 est par exemple de type hydraulique à double effet. Sur cet exemple (Fig. 3), en position d'extension de la tige 39 (en trait plein) la cheminée 33 est verticale (axe X-X), et, en position de rétraction de la tige 39 (en trait mixte), la cheminée 33 est horizontale (axe X1-X1) dans le prolongement de l'entrée du four de maintien 44 décrit plus loin. Le vérin 40 fait donc basculer la cheminée 33 suivant la flèche AR.
c) Comme connu, un four-tunnel 44 (Fig. 2 et 4) de maintien en température du tube T est prévu dans le prolongement du manchon 34 et de la cheminée 33 lorsque celle-ci est couchée suivant l'axe Xl X1, mais s'étend suivant une direction AR2 horizontale et perpendiculaire à l'axe X1-X1 ou à une direction AR1 parallèle à Xl-Xl. Le four-tunnel 44, ouvert à ses deux extrémités, comporte une ouverture d'entrée 42 latérale d'axe Xl-Xl et une ouverture 43 de sortie, d'axe horizontal parallèle à la direction AR2. Pour sa traversée par chaque tube T, avec changement de direction de 90° entre l'axe Xl-Xl (ou la direction AR1) et la direction AR2, le four tunnel 44 comporte les moyens suivants de support et d'avancement des tubes T successifs : il comporte des rouleaux 45 escamotables de support et d'avancement du tube T suivant des flèches AR 1 parallèles à l'axe Xl X1. En vue de cette avancement, au moins une partie des galets 35 du manchon 34 et des rouleaux 45 du four 44 sont motorisés d'une manière connue et non représentée. Les rouleaux 45 sont portés par des vérins verticaux 47 destinés à les escamoter au dessous des chemins de roulement 48 de direction AR2. Les chemins de roulement 48 qui supportent les tubes T sont perpendiculaires aux génératrices de chaque tube T entrant dans le four 44. Pour faire avancer les tubes T successifs dans le four tunnel 44 suivant la direction AR2 sont prévues deux chaînes sans fin jumelées 49 portées par des roues 50 motorisées de manière non représentée. Enfin le four-tunnel 44 comporte un certain nombre de brûleurs 46 (à gaz par exemple) créant intérieurement une atmosphère chauffante de maintien en température du tube T.
4°) Un extracteur du tube : il est disposé juste à la sortie du bac de fluidisation 9, mais à l'amont du dispositif de coupe K. Il est constitué par exemple par un tronçon de cheminée 33a à manchon de calorifugeage 34a (analogues à la cheminée 33 et au manchon 34) et il comporte essentiellement des galets motorisés 35 d'entraînement du tube T vers le haut.
5°) Un dispositif de coupe du tube : en aval du dispositif de fluidisation à bac 9 et de l'extracteur 33a est disposé un dispositif de coupe K connu en soi, représenté de manière symbolique par deux couteaux opposés. Le dispositif de coupe K est, par exemple, interposé entre l'extracteur 33a et la cheminée 33.
FONCTIONNEMENT ET MISE EN OEUVRE DU TRAITEMENT THERMIQUE DE L'INVENTION (Fig. 1, 2 et 4).
[0014] Avant même d'introduire de la fonte liquide dans l'installation, pour amorcer la production d'un tube T, un mannequin ou faux tube (non représenté) constitué par un manchon tubulaire en acier de même diamètre extérieur et de même épaisseur que le tube T à obtenir est introduit par le haut de la filière 4-5, à travers le bac de fluidisation et de traitement thermique 9, jusqu'à un niveau inférieur à celui de l'extrémité supérieur de la chemise 4 en graphite. Puis de la fonte liquide est introduite suivant la flèche f dans l'entonnoir 2 de coulée jusqu'à un niveau N situé légèrement au dessous de la partie supérieure de la chemise 4 de la filière 4-5. Cette fonte liquide a la composition suivante en poids : Carbone 2,5 à 4,0 %, Silicium 2 à 4 %, Manganèse 0,1 à 0,6 %, Molybdène 0 à 0,5 %, Nickel 0 à 3,5 %, Cuivre 0 à 11 %, Magnésium 0 à 0,5 %, Soufre 0,1 % au maximum, Phosphore 0,06 % au maximum, le reste étant du fer. Le bac 9, initialement vide de sable, avant l'introduction du mannequin est empli de sable en 15, dans la chambre de fluidisation, dès que le mannequin est immergé au-dessous du niveau N. En effet, le mannequin offre alors la paroi tubulaire interne qui manquait pour contenir une masse de sable 15 que l'on peut alors introduire. L'eau de refroidissement est admise à travers les conduits 6 et 7 pour l'enveloppe 5 et 17 et 18 pour les spires tubulaires 16.
[0015] Comme connu, la fonte se refroidit au contact de la chemise 4 suivant un front de solidification S de forme approximativement tronconique, et s'accroche au mannequin qui est tiré vers le haut par les galets motorisés 35 de la cheminée 33a, puis la cheminée 33 et entraîne, pas-à-pas, la partie de fonte solidifiée sous forme d'une amorce de tube T.
[0016] Au plus tard, pendant que le mannequin traverse encore le bac 9 dans le sens de la flèche fl de l'air ou de l'azote comprimé est admis par le conduit 13 dans la chambre 12 d'entrée de gaz de fluidisation. La masse de sable 15 est alors fluidisée tout autour des spires 16 qui sont noyées dans le bain de fluidisation 15, jusqu'à un niveau voisin du niveau supérieur du bac 9, donc sensiblement au-dessus du niveau de la masse de sable 15, avant fluidisation, lorsqu'elle est inerte. Lorsque c'est l'amorce de tube T qui remplace le mannequin à l'intérieur du bac de fluidisation 9, ,en montant suivant la flèche fl, le traitement thermique du tube T commence et se poursuit en continu au fur et à mesure de sa montée dans le sens de la flèche fl.
[0017] Le traitement thermique de bainitisation du tube T est réalisé dans des conditions d'évolution de température illustrées à la Fig. 5 et décrites dans le brevet FR 2 522 291 :
lére phase (abc) trempe de bainitisation.
[0018] Sur la courbe de la Fig. 5, les températures (T °C) sont en ordonnées alors que les temps (t) sont en abscisses. la courbe a...h de la Fig. 5 illustre l'évolution de la température d'un tube en fonte à graphite sphéroïdal dans le temps lorsqu'il subit le traitement thermique de l'invention.
[0019] C'est dans le bac de fluidisation 9, où le bain de sable 15 fluidisé se trouve à une température réglée à la valeur nécessaire à l'obtention de la structure désirée (par exemple par exemple entre 100 et 200°C pour une structure bainitique) que s'effectue la première phase du traitement thermique qui est une trempe de bainitisation, sans chauffage, en profitant des calories du tube sortant de la filière 4-5. Cette température du bain de sable 15 comprise entre 100 et 200°C est maintenue constante grâce à la circulation d'eau à une température de l'ordre de 20°C dans les conduits 17 et 18. Du débit d'air de fluidisation entrant par le conduit 13 et de la vitesse de circulation de l'eau dépend l'intensité du refroidissement du bain de sable 15. Le débit d'air de fluidisation et la vitesse de circulation d'eau sont réglables. On part donc d'un tube T qui vient d'être formé et solidifié et est encore à une température de 1100°C au point a (sortie de la filière 4). Entre les points a et b (au niveau de la plaque poreuse 11, la température du tube T descend rapidement d'environ 1100°C à environ 850°C ou à une température légèrement supérieure. Aux points a et b la structure du tube T est austénitique.
[0020] Du point b (entrée dans le bain 15 de fluidisation) au point c (sortie du bain 15 de fluidisation), la chute de température du tube T est brutale (de 850°C à environ 500°C) et s'effectue en un temps très court, pendant la traversée du bac de fluidisation 9 où le tube T est léché sur toute sa surface par le bain de sable fluidisé 15 maintenu par le serpentin 16 à une température de l'ordre de 100 à 200°C. C'est une trempe de bainitisation. Le bain fluidisé 15 effectue donc un véritable drainage intense de calories hors du tube T formé et ceci de manière uniforme sur toute la paroi du tube T immergé dans le bain de sable 15, de manière que chaque point du tube T subisse le même traitement thermique.
2°) Phase intermédiaire c d e de sortie du bac 9 et de traversée de l'extracteur 33a et de la cheminée 33.
[0021] A peine sorti du bac de fluidisation 9 le tube T entre dans l'extracteur 33a qui tout en le protégeant contre le refroidissement, l'entraîne par ses rouleaux motorisés 35 vers la cheminée 33 de refroidissement naturel et lent qui se trouve dans la position d'axe vertical, à travers le dispositif de coupe K. Sur la courbe des températures de la Fig. 5, l'entrée dans la cheminée 33 correspond au point d. Donc l'intervalle de traversée de l'extracteur 33a entre le bac 9 et la cheminée 33, où se situe le dispositif de coupe ou de tronçonnage K correspond au tronçon de courbe c d, avec une légère baisse de température de la paroi extérieure du tube T : le point d est à une température proche de 480°C.Le refroidissement du tube T dans cette cheminée 33 est lent en raison du manchon de calorifugeage 34 de la cheminée 33. A la sortie de la cheminée 33, au point e, le tuyau T est à une température de l'ordre de 350°C.
[0022] Le tronçonnage du tube T est réalisé au moyen du dispositif de coupe K, quand la longueur voulue de tube T est à l'intérieur de la cheminée 33.
3°) Seconde phase de traitement thermique - maintien en température (zone comprise entre les tronçons elfl et e2f2 de la courbe de la
[0023] Fig. 5) : pour consolider ou fixer la structure bainitique précédemment obtenue, on transporte le tube T tronçonné à l'intérieur du four-tunnel 44 en le déplaçant suivant une direction AR1 parallèle à l'axe horizontal Xl X1 de la cheminée 33 basculée. Pour ce faire, (Fig.2 et 3) après tronçonnage du tube T à longueur voulue par le dispositif K, le vérin 40 est actionné de manière à faire basculer la cheminée 33 et le tube T qu'elle contient, et supporte, d'un angle de 90° dans le sens de la flèche AR autour de l'axe YY du tourillon 37. La cheminée 33 bascule jusqu'à fin de course de tige 39 du vérin 40 (portion en trait mixte à la Fig. 3). Elle passe ainsi de la position d'axe vertical XX à la position d'axe horizontal X1 Xl dans le prolongement et au voisinage de l'entrée 42 du four-tunnel 44. Le tube T, supporté par les galets 35 au cours de ce basculement ainsi que dans la nouvelle position X1 X1 se trouve ainsi prêt à entrer dans le four-tunnel 44, Les galets motorisés 35 puis les rouleaux motorisés 45 entraînés en rotation font entrer le tube T dans le four-tunnel 44. A l'intérieur du four 44, le tube T, tout en continuant sa progression horizontale, subit un changement de direction à 90° vers la nouvelle direction AR2 qui le mène jusqu'à la sortie 43 du four 44. Ce changement de direction s'effectue de la manière suivante : les vérins 47 escamotent les rouleaux 45 du dessous des cheminées de roulement 48 de sorte que le tube T est déposé sur les cheminées 48 et les chaines sans fin motrices 49 qui l'entrainent dans la nouvelle direction AR2 jusqu'à la sortie 43 du four. Le four-tunnel 44 est chauffé par les brûleurs à gaz 46 à une température telle que le tube T avançant le long du four-tunnel 44 à une vitesse réglable (par réglage de vitesse d'entraînement des chaines motrices 49) soit maintenu à une température constante isotherme comprise entre deux limites (deux isothermes): d'une part une limite supérieure (tronçon elfl ou isotherme de 450°C de la Fig. 5) et d'autre part une limite inférieure (tronçon e2f2ou isotherme de 250°C). Entre les limites elfl et e2f2, le maintien en température du tube T s'effectue suivant un tronçon intermédiaire ou isotherme e f , compris entre 250°C et 450°C, (Fig. 5), c'est dans la cheminée 33 que le tube T passe de la température d (entrée de la cheminée 33) à la température e (sortie de la cheminée 33 et entrée dans le four 44) comprise entre les températures el et e2, respectivement de 450°C et 250°C. Cette phase de traitement thermique en four de maintien 44 assure la stabilité de la bainite et éventuellement de l'austénite résiduelle dans la matrice de la structure. C'est le maintien de bainitisation qui assure une structure bainitique ou austénitique bainitique homogène. Au delà des points fl ou f2, le tube T est refroidi comme décrit plus loin au paragraphe 4°).
[0024] Le tube T sort du four-tunnel 44 à une température comprise entre 450°C et 250°C entre les points f2 et f1 pour être refroidi en troisième et dernière phase comme décrit plus loin au paragraphe 4°). C'est donc à l'intérieur de la zone hachurée de la Fig. 5 comprise entre les tronçons elfl et e2f2 (tronçon e f en trait interrompu) que se situe le maintien à température constante du tube T. La structure bainitique ou éventuellement bainitique-austénitique est homogène et offre les caractéristiques mécaniques optimales indiquées au brevet FR-A 2 522 291.
4°)Troisiëme et dernière phase de refroidissement à l'air libre :
[0025] (tronçon fl gh ou f2 gh) : à la sortie du four tunnel 44, le tube T se refroidit à l'air libre jusqu'à la température ordinaire, par exemple comprise entre 5 et 25°C, suivant le tronçon flg, en peu de temps et, conserve finalement cette température qui est celle de l'air extérieur (tronçon gh). Le tube T en fonte à graphite sphéroïdal possède alors une structure bainitique ou une structure mixte bainite-austénite.
[0026] On peut former et traiter thermiquement ainsi des tubes en fonte, de préférence des tubes d'adduction d'eau, de diamètres nominaux de 600 à 2500 mm et plus particulièrement de 1000 à 1600 mm avec des épaisseurs comprises entre 5 et 20 mm. Ce procédé et cette installation sont donc particulièrement avantageux pour la fabrication de tubes en fonte T de grands diamètres et d'épaisseur relativement faible.
AVANTAGES
[0027] La première phase de trempe débute au point b de la courbe de Fig. 2 en profitant de la chaleur du tube T formé sans apport de calories, pour amener le tube T à la température de 800-850°C environ.
[0028] Grâce à la combinaison "filière 4-5 + bac 9" on obtient une aptitude à la trempe du tube T de fonte à graphite sphéroïdal beaucoup plus élevée que l'aptitude à la trempe d'un tube en fonte à graphit, sphéroïdal T que l'on aurait laissé se refroidir puis que l'on aurait réchauffé jusqu'à une température de 800 à 850°C pour réaliser une trempe bainitique.
[0029] L'utilisation du bac 9 à bain de sable fluidisé 15 assure l'uniformité de température du tube T sur toute sa longueur et sur toute sa paroi cylindrique et assure la fidélité, la reproductibilité du traitement thermique.
[0030] En outre, l'utilisation du bain de sable fluidisé 15, ou de tout autres particules convenables d'un matériau solide comme moyen d'évacuation ou de drainage des calories du tube T vers l'extérieur, au lieu d'eau de refroidissement, est une sécurité en raison de la proximité du bain de fonte F.
[0031] Comme on l'a vu au préambule, grâce à la succession immédiate ou à l'enchaînement de la filière (4-5) et du bac 9, c'est-à-dire grâce à la combinaison de la filière 4-5 et du bac 9 de fluidisation, permettant la trempe de bainitisation (tronçon b c de la Fig. 5) immédiatement à la naissance du tube T, c'est-à-dire à la sortie de la filière 4-5, on obtient une aptitude à la trempe beaucoup plus élevée que l'aptitude à la trempe d'un tube que l'on aurait laissé se refroidir jusqu'à une température inférieure à celle de l'eutectoïde (700 à 750°C), puis que l'on aurait réchauffé jusqu'à une température de 85G°C pour réaliser ensuite une trempe bainitique. L'invention permet donc d'obtenir avec certitude la structure bainitique désirée.
[0032] Comme on le verra plus loin, elle permet également d'obtenir avec certitude d'autres structures dépendant de la température du bain de sable fluidisé 15. En raison de la facilité de réglage de température du bain fluidisé 15 (par réglage de la température et du débit d'eau circulant dans le serpentin 16) et en raison de l'uniformité de température du tube T traité par le bain de sable fluidisé 15, sur toute la longueur du tube T, ce traitement thermique est parfaitement fidèle et reproductible industriellement.
VARIANTES -
[0033] Suivant l'exemple d'exécution de la Fig. 6, le procédé et l'installation de traitement thermique de l'invention sont appliqués à une coulée verticale continue descendante d'un tube en fonte T.
[0034] Une telle installation, du type décrit dans le brevet FR A 2 415 501 est réalisée autour d'un axe XX de coulée continue. Elle comporte :
- une alimentation en fonte liquide
- des moyens de formage d'un tube en fonte
- une installation de traitement thermique du tube en fonte.
1°) une alimentation en fonte liquide (partiellement représentée) : un bassin de coulée 19 à la partie supérieure de l'installation appartient à une poche de coulée sous basse pression, non représentée, ou éventuellement à un four électrique réverbère, dont la capacité est soumise à la pression d'un gaz neutre tels que l'azote ou l'argon. Le bassin de coulée 19 comporte à sa partie inférieure un orifice de coulée 20 d'axe XX.
2°) Moyens de formage d'un tube en fonte : l'orifice de coulée 20 est traversé axialement par un noyau 21 en graphite qui donne la forme intérieure du tube T à obtenir et par la tête 22 d'une filière 23 également en graphite donnant la forme extérieure du tube T à obtenir. Le noyau 21 est un cylindre creux contenant intérieurement un dispositif de chauffage, par exemple un inducteur 24 en forme de serpentin refroidi par eau. La filière 23 ménage avec le noyau 21 un espace annulaire 25 correspondant aux dimensions intérieures et extérieures du tube T à obtenir, espace à l'intérieur duquel la fonte F doit se solidifier progressivement suivant un front de solidification à partir de la paroi de la filière 23. La tête de filière 22 ménage avec l'orifice de coulée 20 un espace annulaire comblé par un manchon réfractaire isolant 26, le manchon 26 étant destiné à faire obstacle à d'éventuels flux de refroidissement de la fonte liquide sortant du bassin 19. La filière tubulaire 23 dont la partie inférieure est située à la même hauteur que la partie inférieure du noyau 21, est entourée avec jeu annulaire par une chemise tubulaire 27 en métal ou alliage métallique bon conducteur de la chaleur tel que le cuivre, qui s'évase en bassin 28 à sa partie supérieure et qui sert de récipient à une enveloppe 29 de métal liquide à bas point de fusion (plomb ou étain par exemple) en contact intime avec la filière 23 sur toute la hauteur de celle-ci à l'exception de la tête 22. L'enveloppe de métal liquide 29 à bas pointde fusion est alimentée soit par le haut par un conduit 30, soit par le bas par un conduit 31 qui sert également à l'évacuation du métal liquide de refroidissement 29 lorsque c'est nécessaire. La chemise 27 est elle-même enveloppée étroitement par un manchon creux 32 de refroidissement à circulation d'eau, dont la paroi interne est en contact avec la paroi externe de la chemise 27.
Comme connu, c'est juste à la sortie de l'espace annulaire 25 entre le noyau 21 et la filière 23 qu'un tube T est formé, solidifié complètement.
3°) Installation de traitement thermique : Au-dessous de la filière 23, dans l'axe XX de celle-ci, et à une distance appropriée de la partie inférieure de la filière 23, est monté un bac 9 de fluidisation à fond annulaire présentant une ouverture 10 pour le passage du tube T et à plaque poreuse annulaire 11 présentant également une ouverture pour le passage du tube T. Le bac 9 contient au-dessus de la plaque poreuse 11 un bain de sable fluidisé 15 refroidi par un serpentin tubulaire hélicoïdal à spires 16 refroidies par eau. Le bac de fluidisation 9 reçoit le tube T traité thermiquement par sa partie supérieure au lieu de le recevoir par son ouverture 10 comme dans l'exemple précédent. Cependant, l'évolution de température du tube T s'effectue avant et pendant la traversée du bac 9 de fluidisation suivant la même courbe passant par les points a,b,c, de la Fig. 5 (traitement de trempe de bainitisation).
[0035] Un extracteur 33b à enveloppe de calorifugeage 34b et à rouleaux motorisés 35 d'entraînement puis une cheminée 33 à manchon de calorifugeage 34 font suite au bac 9 et précèdent un four-tunnel de maintien à brûleurs à gaz, non représenté, mais qui n'est autre que le four 44 des Fig. 2 et 4. Entre l'extracteur 33b et la cheminée 33 est interposé un dispositif de coupe K du tube T. Comme aux Fig. 1 à 3, la cheminée comporte à sa partie inférieure une oreille 36 et un tourillon 37 d'axe YY de basculement ainsi qu'une oreille 38 et des moyens de basculement d'un angle de 90° qui ne sont pas représentés.
[0036] Le traitement thermique complet suivant l'invention a lieu dans les mêmes conditions que dans l'exemple des Fig. 1,2,3,4 et 5 suivant les trois phases illustrées à la Fig. 5, c'est-à-dire la phase de trempe d'austénitisation-bainitisation d'abord suivant le tronçon a,b entre la filière 23 et le bac de fluidisation 9, ensuite suivant le tronçon b,c de chute brutale de température pour la bainitisation à travers le bac 9 de fluidisation et enfin, après la coupe du tube T, suivant un tronçon ef horizontal (ou isotherme ef)situé dans la zone hachurée comprise entre l'isotherme supérieure elfl (de 450°C) et l'isotherme inférieure e2f2 (250°C) se produit une stabilisation de température à l'intérieur du four-tunnel de maintien 44. Le traitement thermique s'achève par la phase finale fl ou f2,g,h de refroidissement à l'air libre du tube T sorti du four 44 de maintien de bainitisation.
[0037] Les avantages sont les mêmes que précédemment en ce qui concerne le traitement thermique, la seule différence avec l'exemple précédent résidant dans le mode de fabrication du tube T en utilisant le noyau 21, et en faisant progresser le tube T vers le bas suivant la flèche f2.
Obtention d'une structure autre que bainitique :
[0038] Si l'on veut obtenir une structure autre que bainitique, par exemple une structure de bainite + perlite ou de ferrite + perlite à pourcentage de perlite parfaitement contrôlé, alors que les traitements thermiques antérieurs ne permettaient pas de reproduire le pourcentage de perlite d'un traitement à l'autre, ni même d'une extrémité de tube à l'autre, le traitement de l'invention le permet, de manière fidèle et industriellement reproductible. Dans le cas de la structure ferrite + perlite, la cheminée 33 est supprimée.
[0039] De même, le traitement de l'invention permet de reproduire une structure de bainite + ferrite.
[0040] Pour une structure de bainite + ferrite, la température du bain fluidisé 15 doit être comprise entre 100 et 200°C comme pour la bainite seule.
[0041] Pour une structure de ferrite + perlite à pourcentages déterminés de chacune des phases ferrite et perlite, la température du bain fluidisé 15 doit être telle que la vitesse de refroidissement du tube T traversant ce bain 15 soit constante. En d'autres termes la vitesse de refroidissement constante du tube T à travers une bande triphasée alpha+gamma+graphite représentée en hachures au diagramme thermique de la Fig. 7 (la bande α+δ +G est ainsi appelée parce qu'elle illustre le domaine de transformation eutectoîde de la fonte où coexistent les trcis phases ferrite, austénite et graphite du diagramme ternaire "fer, carbone, silicium") donne naissance aux proportions choisies de ferrite et de perlite.
[0042] La vitesse constante et réglable de passage du tuyau T à travers le bain fluidisé 15 engendre une vitesse de refroidissement constante à travers la bande triphasée (α+δ+G) et garantit donc une proportion constante et préalablement choisie de chacune des phases : ferrite et perlite. L'intensité du refroidissement peut être réglée comme dans le cas de la trempe bainitique par le choix du débit d'air de fluidisation (conduit 13) et le choix de la vitesse de circulation d'eau dans le serpentin 16. Si l'on veut diminuer l'intensité du refroidissement, ont peut supprimer toute circulation d'eau dans le serpentin 16, ou même remplacer le serpentin 16 par un moyen de chauffage. Ce moyen de chauffage peut être par exemple une résistance électrique chauffante noyée dans le bain fluidisé 15 ou enveloppant le bac métallique 9 ou encore disposée de manière à chauffer l'air de fluidisation (conduit 13). Comme moyen de chauffage, on peut également employer des brûleurs à gaz.
[0043] Pour obtenir cette structure de ferrite + perlite, on procède suivant le diagramme "température, temps" de la Fig. 7.
Première phase (abc)
[0044] Sur ce diagramme, le point a correspond à la naissance du tube T hors de la filière 4-5. Il est le même que dans le premier exemple (Fig. 5) : la température est de 1 100°C. A l'entrée du bain fluidisé, la température du tube T est de 850°C au point b, comme à la Fig. 5. A la sortie du bain fluidisé, au point c, la température du tube T est cescendue à une valeur supérieure à 600°C. Il est à noter que la baisse de température suivant le diagramme de la Fig. 7 entre les points b et c est beaucoup moins brutale et beaucoup plus progressive que dans le traitement suivant le diagramme de la Fig. 5.
[0045] Entre les-points b et c se situe la bande triphasée (α+δ+G) (zone de transformation eutectoîde de la fonte) dans un intervalle de températures comprises entre 770 et 810°C où la vitesse de refroidissement du tube T est constante. La bande (α+δ+G) est hachurée.
Deuxième et dernière phase (ck).
[0046] Débouchant à l'air libre à la sortie du bain fluidisé 15 et n'ayant plus de cheminée 33 à traverser, le tube T subit un refroidissement naturel à l'air libre illustré par le tronçon de courbe ck.
[0047] Le traitement thermique en continu de l'invention permet un réglage précis du taux de chaque phase en présence (phase ferrite et phase perlite) du fait de la constance des paramètres suivants :
- vitesse d'extraction du tube T,
- vitesse de refroidissement du même tube,
- températures en tous les points de l'installation qui sont compris entre les points a (naissance du tube T hors de la filière 4-5) et c (sortie du tube T du bain fluidisé 15).