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(11) | EP 0 561 805 B1 |
| (12) | FASCICULE DE BREVET EUROPEEN |
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PROCEDE ET DISPOSITIF D'INTRODUCTION TARDIVE D'ALLIAGE PARTICULAIRE LORS DE LA COULEE D'UN METAL LIQUIDE VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SPÄTZUGABE TEILCHENFÖRMIGER LEGIERUNGEN BEIM GIESSEN VON METALLSCHMELZEN METHOD AND DEVICE FOR THE LATE ADDITION OF A PARTICULATE ALLOY DURING CASTING OF LIQUID METAL |
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| Il est rappelé que: Dans un délai de neuf mois à compter de la date de publication de la mention de la délivrance de brevet européen, toute personne peut faire opposition au brevet européen délivré, auprès de l'Office européen des brevets. L'opposition doit être formée par écrit et motivée. Elle n'est réputée formée qu'après paiement de la taxe d'opposition. (Art. 99(1) Convention sur le brevet européen). |
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention concerne un dispositif et un procédé d'introduction tardive d'alliage particulaire (poudre ou grain) lors de la coulée d'un métal liquide (en général la fonte).
ETAT DE LA TECHNIQUE
[0002] L'invention est surtout destinée à la coulée discontinue de pièces de forme en séries de moyenne et grande importance dans des moules obtenus par machines automatiques.
[0003] On sait qu'il est avantageux de procéder à l'introduction tardive des agents de traitements de la fonte (nodulisants et/ou inoculants) pour obtenir une qualité la plus reproductible possible des pièces de fonte coulées et un bon rendement des agents de traitement utilisés, en particulier quand l'agent contient du magnésium volatil et difficilement soluble dans la fonte liquide.
[0004] Ladite introduction tardive peut être effectuée dans une poche de coulée juste avant la coulée; mais ceci entraîne un rendement et une régularité de qualité des pièces coulées insuffisants.
[0005] On peut également utiliser la technique "en moule" (connue également sous l'appellation "in mold") qui consiste à prévoir à l'entrée du moule de coulée un logement dans lequel sera disposé l'agent de traitement de façon à ce qu'il soit dissous régulièrement par la fonte en fusion entrant dans le moule. Cette technique est efficace mais également longue et difficile à mettre en oeuvre, notamment il faut étudier soigneusement la configuration de la géométrie des canaux d'amenée de la fonte afin d'éviter l'entraînement éventuel d'inclusions endogènes ou exogènes au sein de la pièce coulée.
[0006] Cette technique est de préférence réservée aux grosses séries qui permettent d'amortir la mise au point du moule.
[0007] On connaît également par le document FR 2 588 571, un dispositif où l'agent de traitement est introduit à l'aide d'un gaz sous faible pression dans une chambre de traitement close, également sous faible pression, dans laquelle se trouve du métal liquide à traiter et à couler. Un tel dispositif sous pression permet une bonne dissolution des agents, notamment Mg, et l'obtention d'une bonne qualité des pièces coulées mais il pose des problèmes d'exploitation (encrassement, bouchage des évents, accumulation intempestive d'agent non dissous ...) lorsqu'on veut opérer des coulées discontinues en série.
[0008] Un dispositif analogue est connu par les documents EP 30 220 ou BE 639410. L'agent de traitement est additionné, à l'aide d'un gaz vecteur, à la surface de la fonte liquide mise en mouvement sous forme de vortex à l'intérieur d'une chambre. Dans EP 30220 il est préférable de fermer ladite chambre par un couvercle étanche de façon à améliorer le rendement d'utilisation de l'agent quand il est volatil (par exemple s'il contient du magnésium). Ce dispositif, utilisé pour des coulées discontinues en séries avec interruption fréquente du jet de métal entre deux coulées, présente le même type d'inconvénients que précédemment et nécessite la présence d'une chambre étanche sous pression pour faciliter l'introduction de l'agent volatil et améliorer son rendement et la qualité d'homogénéité des coulées.
[0009] On sait aussi que pour introduire un agent de traitement dans la fonte liquide on peut utiliser des cannes immergées dans lesquelles l'agent est propulsé par un gaz vecteur ; mais cela nécessite d'avoir toujours une quantité minimum importante (culot) de métal liquide et par ailleurs le gaz vecteur est une source considérable de refroidissement, donc de solidification dudit métal liquide.
OBJET DE L'INVENTION
[0010] Face à ces problèmes la demanderesse a recherché un dispositif simple d'emploi, et facilement adaptable en particulier à la coulée discontinue de petites séries de pièces avec introduction tardive d'agents de traitement, notamment ceux comportant des éléments volatils, comme le Mg, et/ou peu solubles dans le métal liquide.
[0011] Elle a également recherché un procédé améliorant les rendements d'utilisation de l'agent de traitement ajouté et la constance de la qualité des pièces coulées obtenues.
[0012] Le procédé et le dispositif selon l'invention comportent les caractéristiques énumérées dans les revendications indépendantes 1 et 8.
[0013] Le dispositif selon l'invention est généralement placé entre une poche ou un four de coulée contenant le métal liquide à traiter et couler, et le ou les moules devant recevoir ledit métal.
[0014] Le dispositif est particulièrement adapté à l'introduction d'alliage particulaire peu soluble dans le métal liquide et/ou contenant un élément volatil, lors de coulées discontinues de séries de pièces, c'est-à-dire avec arrêt de la coulée du métal liquide entre chaque pièce coulée. En effet dans le cas d'un élément d'addition très volatil, comme le magnésium, il est très important que la vitesse des particules et leur profondeur de pénétration soient suffisantes pour que ledit élément très volati ne se libère et réagisse qu'au sein du métal liquide pour améliorer la qualité du métal traité et le rendement de l'addition.
[0015] La veine de métal liquide circulant dans la chambre de mélange, de préférence à débit constant, doit avoir une épaisseur suffisante au droit de la zone d'injection des particules de façon à ce que ladite épaisseur soit supérieure à la profondeur de pénétration des particules (par exemple d'au moins 30%); elle doit être confinée de façon à ce que le métal liquide ne soit pas dispersé lors de l'injection des particules.
[0016] En effet une injection dans un jet de métal liquide coulant à l'air libre ne convient pas, car il se produit généralement un mélange insuffisant et une dispersion du jet de métal liquide dès que l'on cherche par exemple à augmenter la vitesse d'injection des particules à l'aide d'un gaz vecteur, ce qui empêche finalement l'introduction des particules dans le métal liquide et le remplissage du moule de la pièce à couler.
[0017] La veine de métal liquide s'évacue rapidement, une fois traitée, de la chambre de mélange par un orifice de coulée situé dans le fond en alimentant le moule de la pièce à couler.
[0018] Il est avantageux que ladite veine de métal liquide d'épaisseur suffisante soit constituée par un vortex obtenu à l'aide d'un chenal d'amenée de métal liquide, par gravité, qui débouche tangentiellement à la périphérie d'une chambre de mélange de révolution (cylindrique ou tronconique) ouverte par le haut, et à proximité de la partie inférieure de ladite chambre dont le fond est en général profilé de façon à faciliter la formation dudit vortex. Ledit fond comporte l'orifice de coulée par où s'écoule le métal liquide traité.
[0019] L'alliage particulaire est introduit dans la veine de métal liquide en général à l'aide d'une canne nécessairement non immergée dans le métal liquide. Cette canne est alimentée par un gaz vecteur à grande vitesse, de préférence inerte vis à vis du métal coulé, qui véhicule l'alliage particulaire, de telle sorte que ledit alliage sorte de la canne, ou de tout autre moyen d'introduction, avec une vitesse ou une énergie suffisante pour pénétrer, par projection violente, en général d'une profondeur d'au moins 1 cm à l'intérieur du métal liquide et de préférence environ 2 cm.
[0020] On note que la profondeur de pénétration des particules reste nettement supérieure à celle du gaz vecteur; on évite ainsi tout refroidissement ou éparpillement rédhibitoire du métal liquide.
[0021] L'alimentation de la veine de métal liquide peut être faite à partir d'une poche de coulée de grandes dimensions par l'intermédiaire d'un entonnoir équipé d'une buse de sortie calibrée pour régler le débit de métal liquide ou à partir d'un système d'alimentation automatique de moules de coulée.
[0023] Il est important d'orienter convenablement le jet de particule par rapport à l'écoulement du métal liquide, en tenant compte des caractéristiques dudit écoulement: vitesse, géométrie, caractéristiques physiques du métal liquide...
[0024] La canne de projection peut être branchée directement sur un conteneur d'alliage particulaire alimenté par un gaz vecteur dont le débit et la pression sont suffisants pour donner audit alliage l'énergie nécessaire de pénétration dans le métal liquide. La vitesse des grains est de l'ordre de 10 m/sec.
[0025] Mais il est préférable d'utiliser une canne équipée d'un système propre d'éjection. Dans ce cas il est possible de la relier d'une part à un conteneur d'alliage particulaire quelconque, n'ayant pas besoin d'être mis sous pression, par l'intermédiaire d'un distributeur (par exemple vibrant ou alvéolaire ou à guillotine), et d'autre part à une source de gaz vecteur sous pression.
[0026] La figure 1 représente une illustration non limitative d'un dispositif conforme à l'invention, utilisant un vortex, selon une coupe verticale ; il est équipé d'un entonnoir d'alimentation en métal liquide.
[0028] La figure 3 représente une canne de projection par gaz vecteur, équipée d'un dispositif d'éjection donnant de la vitesse aux particules d'alliage tout en permettant un ralentissement important du gaz à la sortie.
[0029] Sur la figure 1 on voit en (1) le chenal d'amenée de métal liquide (par exemple fonte) vers la chambre de mélange (2). Le chenal débouche en (3) tangentiellement à la périphérie de la chambre et à proximité immédiate de la zone de vortex (4) prolongée par l'orifice de coulée (5). La chambre est ici de forme tronconique, possède une large ouverture (6) à sa partie supérieure et un orifice de trop-plein (7). On voit en (8) la canne non immergée d'introduction à grande vitesse de l'alliage particulaire dans le métal liquide du vortex; elle sera décrite plus en détail en référence à la Figure 3. En (9) a été installé un entonnoir permettant d'alimenter le chenal (1) à partir d'une poche de coulée importante non représentée.
[0030] Sur la figure 2, où l'entonnoir n'est pas figuré, on voit en (1) le chenal débouchant tangentiellement en (3) dans la chambre de mélange (2), en (4) la zone de vortex, en (5) l'orifice de coulée, en (6) l'ouverture supérieure, en (7) le trop-plein et en (8) l'emplacement de la canne non immergée d'introduction de l'alliage particulaire.
[0031] Sur la figure 3, illustrant une canne d'introduction de particules équipée d'un système d'éjection donnant la vitesse suffisante aux particules pour pénétrer profondément dans le métal liquide, on voit en (11) le tube d'arrivée de particules relié au réservoir de particules qui peut être un simple conteneur et n'a pas besoin d'être un réservoir sous pression de gaz ; cette liaison est de préférence faite par l'intermédiaire d'un distributeur-doseur de particules (non représenté); en (12) une arrivée de gaz réglable (en général azote) située à hauteur de l'arrivée des particules ; en (13), en aval, un rétrécissement de la veine de fluide du type venturi, suivi d'un évasement (14) du diamètre du tube de sortie (15) de la canne d'introduction non immergée.
[0032] Le rétrécissement (13) permet au flux de gaz amené par le tube d'amenée (12) de donner l'énergie nécessaire aux particules solides, tandis que l'évasement (14) associé à la faible longueur du tube de sortie (15) permet de ralentir le gaz tout en conservant la vitesse des particules.
[0033] Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent ainsi de réaliser des séries de coulées discontinues avec introduction tardive d'additifs, sur tous types de moules, sans encrassement ni accumulation néfaste d'additif dus aux arrêts répétés de la coulée discontinue, et sans risque excessif d'un refroidissement dû au gaz vecteur.
[0034] Le dispositif selon l'invention peut être aisément intercalé entre une poche de coulée ou un appareil d'alimentation automatique de coulée et les moules sans précaution ou mise au point particulière, ce qui en fait un appareil simple d'emploi. Il est adaptable à tous types de fonderies, notamment celles utilisant des machines automatiques de production de moules en série.
[0035] Ce dispositif peut être équipé de différents organes de régulation (robinets d'alimentation en métal liquide à ouverture et/ou débit réglable et/ou asservis, mesures de débit de métal liquide, de poudre, de gaz, détection de niveau, temporisateur d'introduction de poudre etc...) permettant d'optimiser les conditions de coulées : par exemple la coulée d'une quantité prédéterminée de métal liquide, l'introduction d'une quantité d'alliage dosée correspondante, au moment opportun et pendant une durée voulue.
[0036] Des perfectionnements sont possibles:
- afin d'éviter une trop grande dispersion du jet de métal liquide à la sortie du trou de coulée du dispositif, il est avantageux que ce trou ait une section polygonale, par exemple carrée;
- l'entretien de la propreté du trou de coulée peut se faire automatiquement, entre les coulées, en faisant transiter dans le trou de coulée un outil de section identique à celle dudit trou de coulée, manoeuvré par exemple par un vérin, ce ringardage est effectué à intervalle régulier selon une fréquence variable;
- pour simplifier ses nettoyages épisodiques, la chambre de mélange peut être constituée de deux parties obtenues en la coupant selon un plan vertical, passant de préférence par le trou de coulée, représenté par sa trace AA sur la figure 2; ces deux parties sont en général assemblées par des moyens de fixation rapide.
[0037] Bien qu'il puisse être utilisé pour tous types de métal liquide et tous types d'additifs pulvérulents, il est particulièrement adapté au traitement tardif de nodulisation et/ou d'inoculation des fontes de moulage, par exemple à l'aide d'alliage Fe Si Mg contenant de 40 % à 75 % de Si, et de 3 à 30% de Mg.
[0038] Il permet également d'améliorer quantitativement et qualitativement le rendement d'introduction d'alliages peu solubles et/ou volatils, tels ceux contenant du magnésium, c'est-à-dire en améliorant simultanément le niveau du rendement et sa régularité d'une coulée à l'autre.
EXEMPLE
[0039] On comparera les résultats de rendements d'introduction de magnésium en grandeur et stabilité obtenus avec un dispositif selon l'invention et selon l'art antérieur.
[0040] On a utilisé, dans les deux cas, la même fonte caractérisée par l'analyse chimique suivante :
| C | 3,7 % |
| Si | 2,7 % |
| S | 0,008 % |
| Fe | solde |
[0041] L'alliage de traitement utilisé a la composition suivante :
| Mg | 5,8 % |
| Si | 47 % |
| Ca | 0,54 % |
| Al | 0,95 % |
| Fe | solde |
ESSAI 1
[0043] Dans cet essai on a utilisé un dispositif de coulée illustrant l'art antérieur. On forme un vortex à l'aide d'un dispositif conforme à celui illustré par les fig. 1 et 2 par contre on alimente l'alliage en utilisant un doseur alvéolaire à pression atmosphérique relié à un tube de distribution véhiculant, à l'aide d'un gaz porteur, ledit alliage sur le vortex de fonte liquide.
[0044] Dans les lingotins obtenus, on note un rendement (exprimé par le rapport entre la quantité de magnésium observée dans la fonte et la quantité de magnésium introduite) s'échelonnant entre 35 et 60 % ; de plus pour les rendements inférieurs à 45 % le graphite de la fonte obtenue n'est pas totalement nodulaire ce qui altère les propriétés de la fonte.
[0045] Les mauvais rendements sont dus à des irrégularités de dissolution qui se traduisent par un encrassement du dispositif de coulée.
ESSAI 2
[0046] Dans cet essai on a utilisé un dispositif de coulée selon l'invention, conforme à celui illustré dans les figure 1 et 2, l'alliage étant introduit en profondeur dans le vortex à l'aide d'une canne de projection non immergée conforme à celle illustrée dans la figure 3 et procurant une grande vitesse aux grains d'alliage. La canne est alimentée par le même doseur alvéolaire que dans l'essai 1.
[0047] La vitesse des gaz à la sortie de la canne de projection est de 20 m/s et les grains pénètrent à environ 1 cm de profondeur dans la fonte liquide du vortex.
- former une veine de métal liquide d'épaisseur suffisante, confinée et en mouvement dans une chambre de mélange munie d'un orifice de coulée,
- mélanger l'alliage particulaire avec un gaz vecteur à grande vitesse,
- ralentir le gaz vecteur sans ralentir les particules,
- introduire l'alliage particulaire dans la chambre de mélange à un niveau supérieur à celui de la veine de métal liquide à une vitesse et avec une énergie suffisantes pour que les particules pénètrent suffisamment profondément à l'intérieur de la veine de métal liquide,
- couler le métal liquide mélangé à l'alliage particulaire à travers l'orifice de coulée.
a) une chambre de mélange (2),
b) une arrivée de métal liquide (1) débouchant dans la chambre de mélange (2) et permettant de former une veine de métal liquide d'épaisseur suffisante, confinée et en mouvement dans la chambre (2),
c) un moyen d'introduction (8) d'alliage particulaire, non immergé dans la veine de métal liquide, donnant aux particules une vitesse et une énergie suffisantes pour qu'elles pénètrent suffisamment profondément dans la veine de métal liquide, ce moyen d'introduction (8) comportant successivement, d'amont en aval:
- une arrivée (12) d'un gaz vecteur,
- une arrivée (11) de l'alliage particulaire débouchant dans l'arrivée (12) de gaz vecteur,
- un dispositif de type venturi comportant une zone rétrécie (13) suivie d'une zone évasée (14),
d) un orifice de coulée (5) situé à proximité de la veine de métal liquide.
- einen Metallschmelzestrahl ausreichender Dicke zu bilden, der in einer mit einer Gießöffnung ausgerüsteten Mischkammer begrenzt und in Bewegung ist,
- die teilchenförmige Legierung mit einem Trägergas bei hoher Geschwindigkeit zu vermischen,
- das Trägergas zu verlangsamen, ohne die Teilchen zu verlangsamen,
- die teilchenförmige Legierung in die Mischkammer auf einem Niveau über dem des Metallschmelzestrahls mit einer Geschwindigkeit und einer Energie einzuführen, die ausreichen, daß die Teilchen tief genug ins Innere des Metallschmelzestrahls eindringen, und
- die mit der teilchenförmigen Legierung vermischte Metallschmelze durch die Gießöffnung zu gießen.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilchen ins Innere der Metallschmelze bis in eine Tiefe von wenigstens 1 cm und vorzugsweise 2 cm eindringen.
dadurch gekennzeichnet, daß
das Trägergas Stickstoff ist.
dadurch gekennzeichnet, daß
der Metallschmelzestrahl in der Mischkammer einen Wirbel bildet.
dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallschmelze durch Schwerkraft strömt und tangential am Umfang der Mischkammer in der Nähe ihres Bodens mündet, wobei die Mischkammer von Umdrehungsform ist.
dadurch gekennzeichnet, daß
der Metallschmelzestrom und der der teilchenförmigen Legierung reguliert werden.
dadurch gekennzeichnet, daß
das zu behandelnde Metall Gußeisen ist und die teilchenförmige Legierung ein Kugelbildner und/oder ein Impfstoff auf FeSiMg-Basis ist.
a) eine Mischkammer (2),
b) einen Metallschmelzeeinlaß (1), der in der Mischkammer (2) mündet und die Bildung eines Metallschmelzestrahls ausreichender Dicke ermöglicht, der in der Kammer (2) begrenzt und in Bewegung ist,
c) ein Mittel (8) zum Einführen einer teilchenförmigen Legierung, das nicht in den Metallschmelzestrahl eingetaucht ist und den Teilchen eine Geschwindigkeit und eine Energie verleiht, die ausreichen, daß sie tief genug in den Metallschmelzestrahl eindringen, welches Einführungsmittel (8) nacheinander von stromauf nach stromab aufweist:
- einen Einlaß (12) eines Trägergases,
- einen Einlaß (11) der teilchenförmigen Legierung, der im Trägergaseinlaß (12) mündet,
- eine Venturitypeinrichtung mit einer eingeschnürten Zone (13), auf die eine sich erweiternde Zone (14) folgt, und
d) eine Gießöffnung (5), die sich in der Nähe des Metallschmelzestrahls befindet.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Metallschmelzeeinlaß (1) tangential am Umfang der Mischkammer (2) und in der Nähe ihres Bodens (4) mündet und daß diese Kammer (2) eine innere Umdrehungsform und einen Boden (4) hat, der so profiliert ist, um die Bildung eines Metallschmelzewirbels zu erleichtern.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Metallschmelzeeinlaß (1) einen Fülltrichter (9) aufweist, um die Konstanz des Durchsatzes zu sichern.
dadurch gekennzeichnet,
daß sie mit Mitteln zur Steuerung, Regulierung und Regelung des Stroms der Metallschmelze und der teilchenförmigen Legierung ausgerüstet ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gießöffnung (5) einen vieleckigen, vorzugsweise viereckigen Querschnitt hat.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gießöffnung (5) durch Räumen mittels eines Werkzeugs gleichen Querschnitts gereinigt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mischkammer (2) aus zwei Teilen besteht, die erhalten werden, indem man sie längs einer Vertikalebene durchtrennt, die durch die Gießöffnung (5) verläuft.
- forming a sufficiently thick confined stream of liquid metal flowing through a mixing chamber provided with casting port.
- mixing the particulate alloy with a high velocity carrier gas,
- decelerating the carrier gas without decelerating the particles,
- introducing the particulate alloy into the mixing chamber at a level above that of the liquid metal stream with sufficient velocity and energy so that the particles penetrate sufficiently deeply into the stream of liquid metal,
- casting the liquid metal mixed with the particulate alloy through the casting port.
a) a mixing chamber (2),
b) a liquid metal runner (1) emerging into the mixing chamber (2) and enabling a sufficiently thick confined stream of liquid metal to be formed flowing through the mixing chamber (2),
c) a means (8) for introducing particulate alloy, not immersed in the stream of liquid metal, giving sufficient velocity and energy to the particles so that they penetrate sufficiently deeply into the stream of liquid metal, this means of introduction (8) comprising successively, in an upstream to downstream direction :
- an inlet (12) for a carrier gas,
- an inlet (11) for the particulate alloy emerging into the carrier gas inlet (12),
- a device of the venturi type comprising a constricted zone (13) followed by a widened zone (14),
d) a casting port (5) situated close to the stream of liquid metal.