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"Procédé de moulage continu du cuivre et des alliages de cuivre "
La présente invention est relative à l'art du moulage continu du cuivre et des alliages de cuivre et a pour objet certains perfectionnements apportés à cet art et grâce auxquels des profilés métalliques de longueur indéfinie peuvent être fabriqués sur une échelle industrielle d'une manière véritablement continue.
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Le principe du moulage continu du cuivre et des alliages de cuivre, c'est--dire par le procédé consistant à transférer le métal fondu d'un réservoir à l'une des extrémités d'une matrice ou moule contenant, dans son autre extrémité, du métal solide qui se comporte comme un bouchon et constitue une amorce à laquelle le métal fondu se soude à mesure qu'il se solidifie et à retirer le profilé moulé à une vitesse sensiblement égale à celle à laquelle il se solidifie est en réalité ancien et l'on a proposé divers procédés et appareils pour sa réalisation.
Toutefois, lorsqu'on cherche à mettre en pratique ou développer ce principe fondamental, on se heurte immédiatement à des difficultés et problèmes dont on chercherait inutilement une solu- tion satisfaisante dans les enseignements tirés de la pratique antérieure. Les principales de ces dif- ficultés sont:
Le fait que le métal moulé est phy- siquement " malsain" tant intérieurement (retassures, soufflures et autres défauts occasionnés par une accumulation ou emprisonnement de gaz) qu'extérieu- rement (surface fissurée, striée ou présentant d'autres défauts; le profilé moulé est sujet à se rompre, ce qui donne lieu à des pertes dues à la rupture elle-même et est d'ailleurs extrêmement indésirable en raison du dommage auquel l'appareil est exposé et du danger auquel les ouvriers sont exposés en raison des échappements de métal fondu qui accompagnent trop fréquemment la rupture de la pièce et le fait que les procédés antérieurs, s'il en existe qui donnent un métal sain, ne permettent pas une réalisation industrielle véritablement continue et satisfaisante.
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D'une façon générale, des recherches ont démontré que l'impossibilité d'obtenir des pièces saines d'une manière véritablement continue et sur une échelle industrielle satisfaisante par les procé- dés et appareils antérieurs peut être attribuée -di- rectement ou indirectement - à deux facteurs: l'em- prisonnement de gaz dans le métal solidifié; le frot- tement entre la matrice ou moule et le métal, La présente invention, en offrant un procédé et des modes opératoires qui suppriment le premier de ces deux facteurs et réduisent le second au minimum, résout efficacement le problème tout en permettant le mou- lage continu de profilés de cuivre et d'alliages de cuivre de longueur indéfinie à des vitesses qui sont nettement industrielle@.
Les recherches et expériences de la deman- deresse ont indiqué et démontré clairement que le frottement dans le moule et l'emprisonnement du gaz peuvent être surmontés ou réglés au degré prédéter- miné nécessaire pour permettre un moulage continu satisfaisant si certains facteurs ou conditions sont entièrement appréciés et observés. La description donnée ci-après fera ressortir le fait que certains de ces facteurs ou conditions sont plus ou moins indépendants, alors que d'autres ont des rapports étroits avec d'autres facteurs en ce qui concerne la façon dont l'observation convenable des divers fac- teurs contribue au résultat désiré.
Ces facteurs et conditions, dont l'importance et l'observation correcte ont été surabondamment confirmés dans la pratique, peuvent être résumés comme suit:
1. préparation préliminaire convenable du cuivre ou de l'alliage de cuivre.
2. Introduction du métal fondu dans le
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moule d'une manière qui évite la turbulence du métal dans le moule.
3. Nécessité d'éviter une grande hauteur de métal fondu sur celui que contient le moule.
4. Application d'un moule de construction convenable dans lequel la surface intérieure au moins dudit moule qui entre en contact avec le cuivre fondu et nouvellement solidifié satisfait à oertains desiderata.
5. Réglage convenable de la zone "inter- médiaire".
Avant d'entrer dans la description et l'explication détaillée des divers facteurs ci- dessus on remarquera que, en ce qui concerne le Procédé par lequel la majeure partie au moins de la chaleur est empruntée au métal fondu pour effectuer sa solidification, les procédés de moulage continu sont généralement de deux types: (a) le type à refroidissement latéral, c'est-à-dire dans lequel la chaleur est dissipée ou extraite par l'intermédiaire de la paroi du moule; (b) le type à refroidissement longitudinal, c'est-à-dire dans lequel la chaleur est dissipée ou extraite par l'intermédiaire du cuivre précédemment solidifié. Bien entendu, on peut considérer un troisième type dans lequel une dissipation sensible de la chaleur est effectuée à la fois latéralement et longitudinalement.
Tou- tefois, ceci est en réalité une question de degré, étant donné que, dans la pratique, il y a toujours au moins une petite quantité de chaleur qui est dissipée longitudinalement dans tout procédé de refroidissement latéral, et réciproquement.
Par suite, il semble préférable, pour la clarté, de classer tous les procédés comme étant soit du type
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(a) ,soit du type (b), selon que la majeure partie de la chaleur ( 50% ou plus) est dissipée ou extraite soit latéralement, soit longitudinalement, pour effectuer la solidification du cuivre. Pour des raisons qui seront mises en évidence au cours de la description qui suit, la présente invention envisage un procédé dans lequel le refroidissement latéral est principalement appliqué, quoique l'ob- servation d'un grand nombre des facteurs donne aussi des résultats améliorés dans les procédés basés sur le refroidissement longitudinal.
Pour mieux faire comprendre l'invention et les rôles joués par les divers facteurs susmen- tionnés, il est bon d'observer que tous les procédés appliqués dans l'industrie pour le moulage du cuivre impliquent la manutention d'un métal contenant des gaz, car il est bien connu et généralement admis dans ce domaine qu'un cuivre liquide en con- tact avec une atmosphère gazeuse contient forcément un peu de gaz à l'état dissous ou occlus. De plus, la résistance à la traction du cuivre aux tempéra- tures peu inférieures à son point de fusion est très faible, et, par suite, le cuivre est extrêmement fragile juste au moment où il se solidifie. En outre, la tension superficielle du cuivre fondu est faible.
On passera maintenant en revue les divers facteurs qui ont été énumérés ci-dessus sans tenir compte de leur importance. Le premier à considérer est la préparation préliminaire du cuivre, qui con- siste essentiellement à rendre ce métal sensiblement exempt de gaz et exempt d'oxygène avant son introduc- tion dans le moule,
On rappellera que le procédé de moulage continu est basé sur le fait que le cuivre fondu
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d'un réservoir à cuivre fondu est amené dans une des extrémités d'un moule approprié dont l'autre extrémité est fermée par du cuivre précédemment solidifié et que le cuivre fondu ainsi introduit se solidifie et se soude au cuivre déjà solidifié, le profilé moulé résultant, de longueur indéfinie, étant continuellement retiré du moule.
En d'autres termes, le cuivre fondu est converti en une colonne mobile, et à mesure qu'une de ses extrémités se solidifie et est continuellement retirée, l'autre extrémité de la colonne mobile est renouvelée par du cuivre fondu.
A mesure que le cuivre se solidifie, les gaz qui y sont dissous sont mis en liberté et passent dans la zone intermédiaire (traitée ci-après avec plus de détail), de aorte qu'il semblerait à première vue qu'on pourrait fabriquer d'une façon continue des pièces moulées dont la densité attein- drait à très peu de chose près celle du cuivre pur, par le simple moyen consistant à solidifier le métal de bas en haut. Malheureusement pour cette industrie le problème n'est pas résolu d'une façon aussi simple si l'on veut obtenir et maintenir des vitesses de moulage suffisamment élevées pour rendre l'opération satisfaisante du point de vue industriel.
Des essais répétés ont démontré d'une manière concluante que si l'on n'effectue pas un dégazage sensible du cuivre avant son introduction dans le moule, il en résulte invariablement la rupture des profilés ou autres pièces, quelle qu'en soit la forme, avec les pertes qu'elle en- traine, de même qu'un métal défectueux.
La part que le dégazage préalable du cuivre a dans le succès du moulage continu est sans doute
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dûe en grande partie au fait que la mise en liberté des gaz a lieu au niveau de solidification du métal dans le moule, lequel niveau est précisément l'en- droit où le cuivre nouvellement solidifié est le plus fragile. Par suite, ceci indique clairement que le gaz est d'autant moins sujet à être empri- sonné, ou que des efforts inhérents au mouvement du gaz sont d'autant moins sujets à être engendrés, que la quantité de gaz mise en liberté dans cette zone délicate est plus faible.
De plus, la désoxy- dation du cuivre empêche la surface intérieure du moule, qui est en charbon comme on le verra plus loin, de s'oxyder et, de ce fait, de devenir rugueuse, ce qui diminue le frottement du moule et réduit au minimum les imperfections superficielles que présenterait la pièce moulée à l'aide d'une telle surface rugueuse.
Le traitement du cuivre préparatoirement à son introduction dans le moule peut être effectué conformément à la méthode d'affinage habituelle, c'est-à-dire en soumettant d'abord le métal à un soufflage par l'air jusqu'à ce que l'hydrogène et le soufre en aient été chassés aussi complètement que possible et en travaillant alors à la perche le métal léger résultant jusqu'à ce que des échan- tillons moulés possèdent une densité d'au moins 8,5. Le cuivre résultant, quoique exempt de gaz du point de vue industriel, contient encore une faible quantité d'oxygène (moins de 0,01%) et on élimine celui-ci de toute manière appropriée, par exemple en y incorporant des quantités faibles mais suffisantes d'un désoxydant métallique.
Le phosphore est un désoxydant efficace et, si on
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l'utilise, il est préférable de faire en sorte que le cuivre contienne une teneur en phosphore résiduel de l'ordre de 0,001% à 0,005%. Comme le cuivre ainsi préparé est sensiblement exempt de gaz et exempt d'oxygène, il convient maintenant pour son introduction dans le moule. Il est bien entendu que si l'on désire mouler des alliages de cuivre au lieu de cuivre, on pourra incorporer les constituants d'alliage nécessaires pour l'alliage particulier désiré au cuivre préparé, avant d'in- troduire le métal dans le moule.
Le second des facteurs énumérés ci-dessus est que le cuivre fondu doit être introduit dans le moule d'une manière telle qu'on évite la turbulence du métal dans le moule. Ce facteur est étroitement lié à la nature extrêmement fragile du cuivre nouvellement solidifié, car on a constaté que la rupture du profilé nouvellement moulé est très aggravée lorsque le cuivre est introduit d'une manière telle qu'une agitation est communiquée au métal que contient le moule.
Des procédés et moyens divers propres à maintenir le métal du moule à l'état calme, se présenteront sans doute à l'esprit de l'homme du métier, mais un mode d'introduction qui a donné des résultats entièrement satisfaisants dans la prati- que consiste à introduire le cuivre fondu préparé dans le récipient ou réservoir dans lequel est monté le moule en un point dudit récipient qui est suffisamment éloigné du moule pour que l'agitation à laquelle le métal est soumis comme résultat de son introduction dans ledit récipient se soit calmée avant que l'entrée du moule ait été atteinte.
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La non observation de ce facteur dans l'introduction du cuivre fondu, favorise la rupture de la pièce et, par conséquent, l'interruption de la continuité du procédé. De plus, les interruptions occasionnées dans le travail par la rupture de la pièce sont bien entendu beaucoup plus sérieuses qu'une simple suspension du procédé de moulage, mais,même le fait d'avoir reoours à une telle suspension pour éviter la rupture au moment ou l'on introduit le cuivre dans le récipient se tra- duirait chaque fois par une perte ou un retard dans la période de remise en marche subséquente, comme il ressortira de ce qui suit.
Le troisième facteur à considérer eat celui d'éviter une grande hauteur de métal sur le métal du moule, ce facteur étant probablement lié étroi- tement à la fois à la faible tension superficielle du ouivre fondu et à la faible résistance à la traction ou grande ..fragilité du cuivre nouvelle- ment solidifié.
Il a été observé que chaque fois qu'une grande hauteur de métal est présente au-dessus du cuivre en cours de solidification dans le moule, la pièce moulée a une tendance marquée à émerger,-- du moule avec une surface rugueuse, craquelée ou crevasséôu même à se rompre entièrement en deux portions.
Si l'on considère la nature fragile du cuivre nouvellement solidifié et la faible tension super-.- ficielle du cuivre fondu, une explication de la surface striée ou craquelée réside peut-être dans le fait que la hauteur de charge ou pression hydro- statique exercée par la hauteur de métal existant au-dessus du moule provoque l'étalement du cuivre
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fondu et en cours de solidification dans le moule et que, avec une hauteur excessive de cuivre fondu au-dessus du moule, eu. égard au diamètre de la pièce moulée envisagée, il se produit entre le moule et le métal un degré de frottement tel qu'il en résulte un glissement entre les cristaux du cuivre avant que ces cristaux aient complètement fait prise comme résultat d'une solidification complète.
Toutefois, la cause ou explication exacte de ces défauts importe peu et il faut seu- lement retenir que, chaque fois que la hauteur du métal fondu devient excessive par rapport au dia- mètre de la barre en cours de moulage, les imper- fections susmentionnées se produisent.
L'échelle de travail des hauteurs du métal peut être considérée comme variant d'une valeur (minimum) propre à assurer le remplissage du moule sans agitation à une valeur (maximum) juste inférieure à celle qui provoque les imperfections observées. Une règle de travail sûre consistera à maintenir la hauteur du cuivre fondu au-dessus du moule entre les limites approximatives de 2,5 cm., comme minimum, et de 15 cm., comme maximum, étant donné qu'on a trouvé dans la pratique que cette échelle satisfait aux désidérata quel que soit le diamètre de la pièce moulée par le procédé continu.
Le quatrième facteur concerne l'application d'un moule approprié, l'expérience ayant démontré que, au moins en ce qui concerne la surface du moule qui entre en contact avec le cuivre au voi- sinage du point où s'effectue la solidification de ce métal, il faut prendre des précautions parti-
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oulières à la fois dans le choix de la matière du moule et dans sa préparation.
En raison de la faible tension superficielle du cuivre fondu, ce métal tend à pénétrer dans tou- tes les imperfections superficielles telles que: fissures, pores ou autres irrégularités de la paroi intérieure du moule et, en se solidifiant dans ces cavités, à constituer sur la pleut moulée des bavures ou autres irrégularités qui, en accroissant le frot- tement entre le cuivre et le moule, provoquent la fractura de cette pièce,, Il y a lieu de mentionner à cet égard que le frottement qui s'exerce entre la paroi du moule et le cuivre nouvellement solidifié doit être maintenu à une valeur aussi faible que possible car, s'il en était autrement, il en résul- terait inévitablement dans le procédé de graves perturbations dues à la faible résistance à la traction du ouivre nouvellement solidifié,
Etant donné ce qui vient d'être dit,
il est clair que la surface intérieure du moule qui entre en contact avec le cuivre fondu et nouvellement solidifié doit, du point de vue mécanique, être aussi parfaite qu'il est possible de l'obtenir et faite d'une matière qui ne réagisse pas avec le cuivre à un degré quelconque. pour un procédé à refroidissement latéral du genre de celui qui est envisagé, il a aussi été nettement établi que la paroi du moule doit être aussi mince que possible et faite d'une matière qui possède au moins un degré de conductibilité thermique raisonnable.
Il a été démontré dans la pratique que des opérations de moulage industrielles répétées peuvent être réalisées à l'aide d'un moule fait d'un graphite
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dense ayant une grosseur de particule n'excédant pas 40 microns et ayant une porosité n'excédant pas 20% avec des pores dont la capacité est au maximum de 40 microns. Un graphite de cette qualité qu'on peut obtenir par une précipitation chimique et une agglomération à haute pression avec le char- bon colloïdal comme liant, ne doit pas être confondu avec d'autres qualités qui sont ordinairement appelées "denses" mais ne satisfont pas aux conditions ci-des- sus.
Le dernier des acteurs énumérés est celui du réglage convenable de la zone intermédiaire et, au cours de la description qui suit, on verra qu'une compréhension parfaite et une réalisation intelligente de ce réglage sont inestimables si l'on veut obtenir des résultats industriels, en particulier dans un procédé utilisant le refroidissement latéral.
Pour mouler le cuivre d'une façon continue, il faut bien entendu que le cuivre fondu soit refroidi de l'état liquide à l'état solide. Le refroidissement initial dissipe la surchauffe du métal, ce qui réduit sa température au point de fusion, et la continuation du refroidissement, en empruntant au métal sa chaleur de fusion latente, convertit le cuivre liquide à son point de fusion en cuivre solide à la même température.
Entre l'état complètement fondu du cuivre et l'état solide, il existe par conséquent une région dans la- quelle la chaleur latente de fusion du cuivre est soustraite de celui-ci et dans laquelle la solidifica- tion réelle dui cuivre s'effectue. En l'absence d'un meilleur terme descriptif, on a appelé cette région "zone intermédiaire ", et l'étendue dela zone in- termédiaire, c'est-à-dire la distance entre deux plana parallèles qui la limitent (dont l'un est entièrement
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dans la phase fondue et l'autre entièrement dans la phase solide) a été appelée " épaisseur " de cette zone.
Bien que les spécialistes puissent peut-être avoir différentes opinions en ce qui concerne l'état physique réel du cuivre dans cette zone intermédiaire, ceci ne présente pas d'importance en regard des résul- tats réellement observés qui montrent que la zone in- termédiaire est oelle où D'effectue l'emprisonnement du gaz. De nombreux échantillons de cuivre moulé démontrent d'une manière concluante que, à mesure que le métal se solidifia les gaz qui y étaient dissous sont mis en liberté comme résultat de la solidification du métal et passent dans la zone intermédiaire.
Si la zone intermédiaire a été convenablement réglée conformément à l'invention, on peut fabriquer d'une façon connue des pièces saines à des vitesses qui sont nettement commerciales; en cas contraire, des interruptions se produiront inévitablement.
Comme il a été indiqué précédemment, la présente invention envisage un refroidissement latéral plutôt que longitudinal, c'est-à-dire que le refroidissement auquel on soumet le cuivre pour le solidifier est effectué latéralement à travers la paroi du moule.
Ceci est important parce que, bien qu'on ait depuis longtemps proposé ce système de refroidissement, les obstacles que présentait sa réalisation industrielle avaient apparemment été considérés comme insurmontables par l'homme du métier, comme en témoigne l'apparition récente, dans l'art du moulage, du principe du refroi- dissement longitudinal.
Les résultats obtenus par la présente invention montrent toutefois que si les fac- teurs précédemment discutés sont observés et si la zone
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intermédiaire est réglée de la façon que l'on va décri- re, on obtient d'une manière continue des pièces de cuivre moulées saines à des vitesses commerciales no- tablement supérieures aux vitesses de production par elles-mêmes limitées de tout procédé connu appliquant le refroidissement longitudinal,
On a trouvé que si la zone intermédiaire est en tout temps maintenue telle que les cristaux du cuivre moulé se disposent radialement, c'est-à-dire forent une structure dans laquelle ils sont inclinés en hombres prédominante d'un angle de 45 , ou plus grand,sur l'axe de la billette ou barre,
dans une direction allant de bas en haut de la circonférence de la pièce moulée vers la surface en cours de solidi- fication du cuivre, on pourra indéfiniment fabriquer d'une façon continue des pièces moulées saines, étant donné qu'il ne se produira aucun emprisonnement de gaz si la zone intermédiaire est maintenue de façon qu'elle assure une telle cristallisation radiale.
Une explication du fait qu'on ne peut obtenir des pièces moulées de cuivre saines qu'en réglant la zone intermédiaire de façon à assurer une cristalli- sation radiale, qui empêche l'emprisonnement de gaz, est peut-être le fait que, dans un procédé à refroi- dissement latéral, le cuivre directement adjacent à la paroi du moule par l'intermédiaire de laquelle s'effectue la dissipation de la chaleur est le premier à se solidifier, alors que le dernier est celui qui est le plus rapproché du centre du moule. Si l'on sup- pose que le moule est vertical, cela veut dire que, dans le cas du refroidissement latéral, la ligne de solidification possède la forme d'un U, alors qu'elle est horizontale dans un procédé normal à refroidissement
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longitudinal.
Il semblerait raisonnable d'en tirer cette conclusion que lorsqu'un emprisonnement de gaz intervient, c'est parce que l'inclinaison de la ligne de solidification en forme d'U est si abrupte que les gaz qui pénètrent dans le cuivre de la zone intermédiaire à mesure qu'ils se dégagent du métal en cours de solidification ne peuvent pas s'échapper avant que le cuivre de cette zone se soit lui-même solidifié. Cette explication peut être et est corroborée par cette constatation réelle que la structure cristalline du cuivre indique la di- rection de la induction thermique au cours de la solidification .
En d'autres termes, il a été nettement établi que, pour assurer la production continue d'une pièce atoulée saine, il faut que l'épaisseur de la zone intermédiaire soit maintenue au-dessous d'un certain maximum. Ce maximum peut varier quelque peu avec différents métaux, mais on a trouvé que, dans le cas du cuivre, la zone intermédiaire doit être limitée à une épaisseur qui n'excède pas grandement le diamètre de la pièce si l'on veut éviter l'empri- sonnement du gaz.
Cette règle est toutefois aussi une règle de travail .Or. pour les alliages de cuivre parce que, bien que ladite épaisseur puisse être augmentée pour certains de ces alliages ( par exemple ceux qui ne contiennent pas de gaz ou qui peuvent être complètement dégazés par un traitement prélimi- naire), on a constaté dans le moulage réel de divers alliages que l'opération peut être réalisée d'une façon continue à des vitesses commerciales par l'ap- plication de la " règle du diamètre".
On a trouvé que le maintien d'une structure cristalline radiale, ou le réglage de la zone
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la mise en train de l'opération. On a trouvé dans la pratique qu'il ne faut atteindre la pleine vitesse de moulage industrielle que d'une manière progressive, par degrés lents et sans secousse de la pièce en cours d'extraction, et que, dès que la vitesse supérieure se trouve atteinte, il faut que la pièce moulée soit retirée d'une façon régulière et ininterrompue. Si l'on n'observe pas ces précautions, il en résultera une rupture de la barre en raison de la faible résistance de traction du ouivre nouvellement solidifié que contient le moule.
En outre, dans la mise en train de l'opéra- tion de moulage, il faut régler convenablement le taux de refroidissement par rapport au taux de moulage si l'on veut obtenir la vitesse commer- ciale supérieure désirée. Une des raisons les plus importantes de cette condition est que, si l'on applique le taux de refroidissement élevé normal à un moment où la vitesse d'entraînement est né- cessairement faible, il existe un risque réel que le cuivre se solidifie au-dessus de l'ouverture allant du réservoir à cuivre au moule et que ceci occasionne la rupture de la pièce qui On- tinue à être entraîné, hors du moule.
D'un autre cote, si on laisse la zone intermédiaire dépasser son épaisseur maximum en raison d'un refroidisse- ment insuffisant, il en résulte un emprisonnement de gaz, accompagné de la production d'un métal défectueux ou de la rupture de la pièce. pour mieux faire comprendre l'invention et faciliter sa mise en pratique, on en donnera ei-apxès une description plus détaillée en se
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référant au dessin annexé sur lequel:
La figure 1 représente schématiquement l'ensemble d'un type de four de moulage continu et de ses accessoires, susceptible d'être uti- lité pour mettre l'invention en pratique, ce four étant représenté en coupe longitudinale,
La figure 2 est une coupe verticale à plus grande échelle du moule représenté sur la figure 1, cette figure montrant les détails du montage du moule dans le four et le dispositif de refroidissement de ce moule.
La figure 3 montre par une vue analogue à la figure 2 la chemise de refroidissement des- tinée au moule dans une position abaissée.
La figure 4 est une coupe horizontale par la ligne 4-4 de la figure 2.
La figure 5 représente par une coupe verticale partielle un type de moule légèrement différent de celui des figures 2 et 3.
Les mêmes nombres de référence désignent des parties analogues sur les diverses figures.
Sur la figure 1, 10 désigne l'ensemble d'un four de fusion, de coulée et de moulage com- portant des parois latérales, des parois extrêmes 12 et 14, une paroi inférieure ou sole 16, une paroi supérieure ou voûte le et un mur d'autel 20 s'étendant en travers du four, près de son extré- mité de chargement. Une ouverture de chargement 22 est prévue dans la voûte 18, et une ouverture à brûleur 24 et un carneau 26 sont prévus dans les parois extrêmes 12 et 14, respectivement. La sole du four ainsi que, jusqu'à un niveau supé- rieur au. niveau. 28 du métal, les parois latérales et extrêmes dudit four sont pourvues d'un garnis- sage en charbon 30.
Une goulotte de chargement
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32 communiqué avec l'intérieur du four à l'extrémité de chauffage dudit four et un trou de coulée norma- lement fermé (non représenté) va de l'intérieur du four à un²buse 34 située à l'extrémité d'échappement de gaz du four.
Le moule 36 dans lequel s'effectue le moulage continu du cuivre est monté dans un support en forme de cuvette renversée 38, qui est lui-même disposé et fixé dans la sole du four par des moyens appropriés, par exemple à l'aide de briques 40 et de ciment réfractaire, en un point éloigné de celui auquel le métal fondu est introduit dans le four 10.
Une vis variable 42 munie d'un volant de commande 44 est supportée par une entretoise 46 et est reliée à une chemise d'eau 48 pour permettre de régler la position de cette chemise par rapport au moule 36. On a indiqué des poulies à gorge réglables 50 permettant de retirer la billette ou barre moulée 52, ainsi qu'une filière 54 et un dispositif d'enroulement 56.
On se référera maintenant aux figures de détail, en particulier aux figures 2 et 3. On voit que le moule 36, qui est fait du graphite dense de qualité spéciale précédemment mentionné, est noyé dans la partie supérieure du support 38 et affleure la face supérieure dudit support. Un écrou de blocage 58 fixe ce moule dans le support. Le moule 36 est complètement entouré par une chemise de circulation d'eau à paroi relativement épaisse 48, faite d'un métal de grande conductibilité thermique, tel que le cuivre forgé, et munie d'un tuyau d'arrivée d'eau 60 et d'un tuyau de départ d'eau 62.
Pour assurer un ajustement précis entre la chemise d'eau et le moule lorsque la chemise occupe
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sa position la plus haute, représentée sur la figure 2, comme dans l'opération à pleine vitesse normale, tout en permettant d'abaisser aisément la chemise à la position représentée sur la figure 3, par exemple en vue de diminuer le refroidisse- ment lors de la mise en train de l'opération, la chemise d'eau et la portion à paroi mince du moule sont l'une et l'autre légèrement coniques, comme indiqué sur les figures 2 et 3, de façon qu'on puisse régler leurs positions mutuelles en élevant ou abaissant la chemise par la rotation de la vis 42.
Au-dessous du moule 36 se trouve un prolon- gement de moule ou rallonge, indiqué dans son ensemble par 64, fixé en place à l'aide de tout dispositif approprié, non représenté, Cette ral- longe est composée de deux moitiés 66,68 qui sont assemblées élastiquement par un dispositif à bou- lons et ressorts ordinaire, comme représenté sur les figures 2 et 4. Chacune des sections de cette rallonge est pourvue de tuyaux d'arrivée 70 et de départ 72 d'eau de refroidissement. La rallonge 64 est de préférence en cuivre et pourvue d'une garniture en graphite 74.
La figure 5 montre un type de moule 76 et de chemise de circulation d'eau 78 légèrement dif- férent, le moule 76 présentant au-dessus de la zone de solidification une section intérieure plus grande que le moule des figures 2 et 3. Sur cette figure, la chemise est emboîtée à chaud sur le moule mais ladite chemise et le moule pourraient être rendus réglables l'un par rapport à l'autre de la même manière que dans les figures 2 et 3.
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Les autres détails des deux constructions sont essentiellement les mêmes. Dans les trois figures, la zone intermédiaire est indiquée schématiquement par 80, la pièce moulée solidifiée par 52 et le métal complètement liquide par 82.
A l'aide de l'appareil qui vient d'être décrit, on peut réaliser le Moulage de la façon suivante: Après que le cuivre a été amené à l'état approximativement exempt de gaz et désoxydé, ce qu'on peut effectuer de la manière précédemment décrite, il est introduit dans le four ou réservoir 10 par l'ouverture 22 à travers la couche épaisse de oharbon 84,qui est de préférence du charbon de bois préalablement enflammé de faible teneur en soufre, de même que la couche 86.
Le cuivre que contient le four 10 est maintenu à l'état complè- tement liquide par un brûleur ( non représenté) placé dans l'ouverture 24 ,et, par des additions appropriées effectuées par intervalles, ce métal est maintenu au niveau voulu, c'est-à-dire à un niveau tel que la hauteur de métal qui existe au-dessus du métal que contient le moule 36 ne soit pas excessive. Il y a lieu de,noter qu'on évite la turbulence du cuivre que contient le moule 36 en plaçant ce moule dans la sole du four en un point éloigné de l'extrémité de chargement du four.
Un bouchon s'élevant à l'intérieur du moule et pouvant avantageusement constituer la dernière partie de la pièce moulée d'une opération précédente empêche le cuivre de s'échapper en tra- versant le moule pendant le chargement initial du four avant la mise en train de l'opération de moulage.
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A la mise en train, on fait circuler de l'eau de refroidissement dans la chemise d'eau pour solidifier le cuivre que contient Inouïe et le souder à la barre 52, qui est retirée len- tement du moule par la rotation des poulies à gorge 50. Bien entendu, ces poulies peuvent être disposées de façon réglable l'une par rapport à l'autre pour permettre le passage de barres de dif- férents diamètres et chacune d'elles peut être actionnée d'une manière connue, par exemple par un moteur à vitesse variable accouplé à un réduc- teur de vitesse et placé sous la commande d'un rhéostat régulateur approprié.
Pour élever la vitesse de moulage à la pleine vitesse, on entratne la pièce régulièrement à des vitesses graduellement croissantes en même temps qu'on augmente le refroidissement du moule pour les raisons précédemment expliquées, On peut utiliser différents dispositifs pour établir la relation désirée entre les vitesses de refroidis- sement et d'entraînement de la pièce pendant cette période. Avec un moule tel que celui repré- senté sur la figure 5, dont la chemise a été em- bottée à chaud sur le moule, la meilleure façon de réaliser ce résultat est de régler le débit de l'eau circulant dans la chemise.
Dans un système tel que celui des figures 2 et 3, il est préfé- rable, en vue du même résultat, de commencer l'opération avec la chemise dans une position abaissée, comme représenté sur la figure 3, et d'élever graduellement cette chemise pour la rap- procher de la paroi du moule à mesure que la
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vitesse d'entraînement de la pièce augmente, jusqu'à ce que, finalement, elle s'ajuste étroi- tement à la paroi du moule et exerce son effet réfrigérant maximum, le moulage étant alors réalisé à la pleine vitesse commerciale, Un avan- tage de la chemise d'eau réglable est que le même débit élevé de l'eau peut être maintenu en tout temps, étant donné que le réglage du taux de re- froidissement s'effectue en modifiant simplement l'espace existant entre la chemise et le moule,
comme représenté.
En quittant le moule 36, dans lequel la zone intermédiaire convenable est maintenue comme on l'a dit précédemment et dans laquelle le cuivre se so- lidifie, la pièce passe par la rallonge 64 qui, étant donné qu'elle est composée de plusieurs sections assemblées élastiquement comme représenté, s'adapte automatiquement à la barre obtenue à l'aide de l'alésage partioulier du moule utilisé, Comme la formation de la pièce est et doit nécessai- rement être réalisée dans le moule 36 si l'on veut obtenir des pièces de cuivre moulées saines, la rallonge refroidie par l'eau n'est pas absolument nécessaire.
Cette rallonge est toutefois extrêmement désirable à titre de précaution de sécurité, en ce sens qu'elle empêche les échappements de métal en cas de rupture de la pièce et qu'elle contribue aussi à empêcher l'oxydation de la pièce chaude, qui se produirait autrement à sa sortie du moule, le métal étant et restant brillant à sa sortie de la rallonge, ce qui évite la nécessité d'avoir recours à des opérations de décapage,
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Il y a lieu de noter ici qu'alors que le moule 36, ou au moins sa surface intérieure, dans le cas d'un moule composite, est fait de la qualité spéciale de graphite dense précédemment mentionnée, on peut utiliser des sortes de graphite ordinaires pour garnir la rallonge,
étant donné que le cuivre a déjà été solidifié au delà de son état pâteux et fragile critique au moment où il pénètre dans la rallonge. Dans le même ordre d'idées, on notera que le mot " moule" est utilisé ici pour désigner l'appareil dans lequel on effectue la solidification physique du cuivre, pour distinguer nettement cet appareil de toute structure semblable dans laquelle cette opération délicate n'est pas réalisée, telle que la rallonge qui refroidit cependant la pièce moulée chaude.
La barre 52 ayant quitté la rallonge et passé entre les poulies 50 peut recevoir tout trai- tement et toute destination désirés. par exemple, on peut l'étirer à travers une filière 54 ou une série de filières et l'enrouler sous forme d'une bobine 56 ; bien on peut la découper à l'aide d'une scie appropriée en tronçons de longueur dé- sirée à sa sortie des poulies 50, comme dans le cas du moulage de billettes de 7,5 cm, par exemple.
Il est bien entendu qu'on peut apporter à la construction de l'équipement ainsi qu'aux détails de l'opération diverses modifications rentrant dans le cadre de cette invention. Cer- taines de ces modifications ont été représentées sur le dessin et d'autres se présenteront évidemment à l'esprit de l'homme du métier. En ce qui concerne les premières, on remarquera que, dans la construc- tion du moule des figures 2 et 3, on peut donner
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à ce moule un alésage cylindrique à l'exception d'un léger cône ou évasement vers l'intérieur et vers le haut, de la chemise à l'orifice du moule, ce cône ayant approximativement une inclinaison de 21 mm par mètre.
Lorsqu'on chauffe le moule jusqu'à la température de travail, la dilatation diminue la conicité, de sorte que le moule offre un conduit sensiblement rectiligne au cuivre pas- sant à travers lui,
La figure 5 montre un moule ayant une ouverture plus large qui, dans la pratique, semble présenter quelques avantages dans le moulage des barres de petit diamètre en facilitant l'échappement du gaz et en réduisant au minimum l'agitation du métal dans la zone intermédiaire sous l'influence du mouvement des gaz, Par contre, en raison de l'épaulement existant dans un moule de ce genre immédiatement au-dessus de la zone intermédiaire, il faut apporter encore plus de soins dans le maintien du rapport favorable entre les vitesses de refroidissement et d'en- traînement du métal, en partioulier à la mise en train,
pour éviter la " congélation" de l'ap- pareil.
En oute, bien qu'il soit préférable que la paroi du moule soit aussi mince que possible pour faciliter le taux de refroidisse- ment élevé et rapide qui est nécessaire si la zone intermédiaire doit être commandée convena- blement aux pleines vitesses de moulage, on peut utiliser dans la rallonge une garniture de graphite beaucoup plus épaisse. En outre, au lieu d'avoir une rallonge en plusieurs pièces,
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ou même une rallonge en une seule pièce relativement longue, on peut utiliser deux ou plus de deux rallon- ges plus courtes.
Il y a lieu de noter aussi que, dans le type particulier de montage de moule représenté sur le dessin, les c8tés du support 38 sont évasés vers l'extérieur et vers le bas, ce qui facilite le démon- tage de cette pièce lorsque ceci devient nécessaire, En outre, étant donné que le moule est en graphite, il est bon, dans la pratique, de maintenir une atmos- phère réductrice à l'intérieur du support, à l'en- droit où le moule est exposé, pour empêcher son oxydation,
Il a été surabondamment démontré que le cuivre peut être moulé d'une façon continue à des vitesses commerciales par l'application de cette invention.
Par exemple, en utilisant un moule ayant un alésage cylindrique de 2,5 cm et muni d'une paroi de 6,3 mm d'épaisseur seulement autour de laquelle était emmanchée à chaud une chemise de circulation d'eau de 7,5 cm de longueur, chemise dans laquelle l'eau circulait avec un débit de 32 kg par minute, il a été facile d'obtenir une vitesse de moulage de 50 cm par minute en produisant une barre de cuivre de 2,5 cm de diamètre, saine et dense. La densité était supérieure à celle d'un cuivre recuit laminé, soit supérieure à 8,93, des éprouvettes prélevées sur la barre ayant donné des densités d'au moins 8,95. Dans une opération un peu analogue réalisée sur du bronze-cuivre, une vitesse de moulage d'en- viron 75 cm par minute a été maintenue avec succès.
En ce qui concerne la nature véritablement continue du procédé, il suffit d'ajouter qu'une barre d'environ 800 mètres a été coulée sans une seule rupture et que,
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jusqu'au point où l'opération a été finalement arrê- tée volontairement, une barre dense et saine a été retirée continuellement. Il y a lieu d'observer que cette opération particulière a été mise en train sur du cuivre et finie avec du bronze-cuivre, le changement ayant été effectué sans interrompre la continuité de l'opération de moulage.
Il a déjà été indiqué que les principes de l'invention sont non seulement applicables au cuivre.mais aussi aux alliages de cuivre, dont le moulage continu présente des difficultés analogues à celles rencontrées dans le cas du moulage continu du cuivre par. Parmi les alliages qui ont été moulés avec succès par le présent procédé, on ci- tera le tellure-étain-cuivre, le tellure-silicium- cuivre, le nickel-cuivre, le silicium-cuivre, le cuivre-phosphore et le cuivre-zinc,
Les pièces moulées fabriquées conformément à l'invention présentent de nombreux avantages dont un grand nombre sont dûs à la structure cris- talline radiale du produite Ainsi, la structure produite par le laminage et le recuit est une structure dans laquelle les cristaux sont dépourvus d'orientation,
ce qui donne au produit les mêmes qualités de formation ou de façonnage dans toutes les directions, ce qui est extrêmement désirable dans la production d'objets de section circulaire.
Ceci est un avantage marqué sur une structure composée de cristaux longitudinaux qui sont gros et orientés dans un plan et une direction uniformes et conservent cette orientation directionnelle même lorsqu'ils ont été laminés et recuits..
On indiquera+particulièrement important la
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fabrication d'un nouveau produit métallurgique com- prenant du cuivre et de 0,001% à 0,005 % de phos- phore, lequel produit possède une densité de 8,93 ou au-dessus (8,95 étant courant dans la pratique) et une structure cristalline radiale, c'est-à-dire une structure dans laquelle les cristaux sont inclinés en nombres prédominants d'un angle d'au moins 45 par rapport à l'axe longitudinal de la pièce, On a trouvé que ce produit possède des propriétés inattendues qui le rendent nettement supérieur à tout autre produit de cuivre connu jusqu'à ce jour pour de nombreux usages différents.
On peut aisément fabriquer ce produit par le pré- sent procédé de moulage, la teneur en phosphore convenable étant introduite au moment où l'on désoxyde le cuivre préparatoirement au moulage.
REVENDICATIONS
1. Un procédé pour mouler le cuivre et les alliages de cuivre sous forme d'une colonne mobile, du genre dans lequel le métal est continuel- lement transféré d'une source fondue dudit métal à l'intérieur d'un moule dans lequel la solidification du métal est effectuée et hors duquel la pièce est continuellement retirée, ce procédé étant caracté- risé par le fait que la chaleur est continuellement extraite du métal latéralement à la direction du mouvement dudit métal, à une vitesse telle que la zone intermédiaire existant entre le métal à l'état fondu et le métal à l'état solidifié soit constamment maintenue à une épaisseur qui n'est pas sensiblement plus grande que le diamètre de la pièce moulée.
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"Continuous casting process for copper and copper alloys"
The present invention relates to the art of continuous casting of copper and copper alloys and relates to certain improvements made to this art by which metal profiles of indefinite length can be manufactured on an industrial scale in a truly keep on going.
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The principle of continuous casting of copper and copper alloys, that is, by the process of transferring molten metal from a tank to one end of a die or mold containing, in its other end , solid metal which behaves like a plug and provides a primer to which the molten metal will weld as it solidifies and to withdraw the molded profile at a rate substantially equal to that at which it solidifies is actually old and various methods and apparatus have been proposed for its realization.
However, in seeking to put into practice or develop this fundamental principle, one immediately comes up against difficulties and problems which one would needlessly seek a satisfactory solution in the lessons learned from previous practice. The main of these difficulties are:
The fact that the cast metal is physically "unhealthy" both internally (shrinkage, blowholes and other defects caused by an accumulation or entrapment of gas) and externally (surface cracked, ridged or showing other defects; the profile mold is prone to rupture, which gives rise to losses due to the rupture itself and is moreover extremely undesirable due to the damage to which the device is exposed and the danger to which workers are exposed due to the exhausts of molten metal which too frequently accompany the breakage of the part and the fact that the prior processes, if any which give a sound metal, do not allow a truly continuous and satisfactory industrial production.
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In general, research has shown that the impossibility of obtaining sound parts in a truly continuous manner and on a satisfactory industrial scale by previous processes and apparatus can be attributed - directly or indirectly - to two factors: the entrapment of gas in the solidified metal; The friction between the die or mold and the metal. The present invention, by providing a method and procedures which eliminate the first of these two factors and minimize the second to a minimum, effectively solves the problem while allowing movement. Continuous rolling of copper profiles and copper alloys of indefinite length at speeds which are distinctly industrial @.
Applicant's research and experiments have indicated and clearly demonstrated that mold friction and gas entrapment can be overcome or adjusted to the predetermined degree necessary to allow satisfactory continuous molding if certain factors or conditions are fully. appreciated and observed. The description given below will bring out the fact that some of these factors or conditions are more or less independent, while others are closely related to other factors as regards the way in which the proper observance of the various factors contribute to the desired result.
These factors and conditions, the importance and correct observation of which have been overwhelmingly confirmed in practice, can be summarized as follows:
1. Suitable preliminary preparation of copper or copper alloy.
2. Introduction of molten metal into the
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mold in a way that avoids the turbulence of the metal in the mold.
3. Need to avoid a great height of molten metal on that contained in the mold.
4. Application of a mold of suitable construction in which at least the interior surface of said mold which contacts the molten and newly solidified copper meets certain desiderata.
5. Appropriate adjustment of the "intermediate" zone.
Before entering into the description and detailed explanation of the various factors above it will be appreciated that, with regard to the process by which at least the major part of the heat is borrowed from the molten metal to effect its solidification, the processes Continuous molding types are generally of two types: (a) the side-cooling type, that is, in which heat is dissipated or extracted through the wall of the mold; (b) the longitudinally cooled type, i.e. in which heat is dissipated or extracted through previously solidified copper. Of course, a third type can be considered in which substantial heat dissipation is effected both laterally and longitudinally.
However, this is really a matter of degree, since in practice there is always at least a small amount of heat which is dissipated longitudinally in any lateral cooling process, and vice versa.
Therefore, it seems preferable, for the sake of clarity, to classify all the processes as being either of the type
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(a) or of type (b), depending on whether the major part of the heat (50% or more) is dissipated or extracted either laterally or longitudinally, to effect the solidification of the copper. For reasons which will be apparent from the description which follows, the present invention contemplates a process in which lateral cooling is mainly applied, although observation of many of the factors also gives improved results in the field. methods based on longitudinal cooling.
To better understand the invention and the roles played by the various factors mentioned above, it should be noted that all the processes applied in the copper casting industry involve the handling of a metal containing gases, because it is well known and generally accepted in this field that a liquid copper in contact with a gaseous atmosphere necessarily contains a little gas in the dissolved or occluded state. In addition, the tensile strength of copper at temperatures not far below its melting point is very low, and therefore copper is extremely brittle just as it solidifies. In addition, the surface tension of molten copper is low.
The various factors which have been listed above will now be reviewed without regard to their importance. The first to consider is the preliminary preparation of copper, which essentially consists of rendering this metal substantially gas-free and oxygen-free before it is introduced into the mold,
It will be recalled that the continuous casting process is based on the fact that the molten copper
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of a molten copper tank is brought into one end of a suitable mold, the other end of which is closed by previously solidified copper and the molten copper thus introduced solidifies and is welded to the already solidified copper, the molded profile resulting, of indefinite length, being continuously withdrawn from the mold.
In other words, the molten copper is converted into a moving column, and as one end of it solidifies and is continuously withdrawn, the other end of the moving column is renewed with molten copper.
As the copper solidifies, the gases dissolved in it are set free and pass into the intermediate zone (discussed in greater detail below), of aorta that it would seem at first glance that one could manufacture d a continuous way of castings whose density would very nearly reach that of pure copper, by the simple means of solidifying the metal from the bottom up. Unfortunately for this industry the problem is not solved in such a simple way if it is desired to obtain and maintain sufficiently high molding speeds to make the operation satisfactory from an industrial point of view.
Repeated tests have shown conclusively that if a substantial degassing of the copper is not carried out before it is introduced into the mold, it will invariably result in the rupture of profiles or other parts, whatever their shape. , with the losses it causes, as well as a defective metal.
The part that the prior degassing of copper has in the success of continuous casting is undoubtedly
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This is due in large part to the fact that the gas release takes place at the solidification level of the metal in the mold, which level is precisely where the newly solidified copper is most brittle. Consequently, this clearly indicates that the gas is all the less likely to be trapped, or that forces inherent in the movement of the gas are all the less likely to be generated, as the quantity of gas released in this gas. delicate area is weaker.
In addition, the deoxidation of copper prevents the interior surface of the mold, which is carbon as will be seen later, from oxidizing and therefore becoming rough, which decreases the friction of the mold and reduces at least the superficial imperfections that the molded part would present using such a rough surface.
The treatment of copper in preparation for its introduction into the mold can be carried out according to the usual refining method, i.e. by first subjecting the metal to air blowing until the The hydrogen and sulfur were removed therefrom as completely as possible and then pole working the resulting light metal until molded samples had a specific gravity of at least 8.5. The resulting copper, although industrially gas-free, still contains a small amount of oxygen (less than 0.01%) and this is removed in any suitable manner, for example by incorporating small amounts but sufficient of a metal deoxidizer.
Phosphorus is an effective deoxidizer and, if one
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uses it, it is preferable to make the copper contain a residual phosphorus content in the range of 0.001% to 0.005%. As the copper thus prepared is substantially gas-free and oxygen-free, it is now suitable for its introduction into the mold. Of course, if it is desired to cast copper alloys instead of copper, the alloying constituents necessary for the particular alloy desired may be incorporated into the prepared copper, before introducing the metal into the mold. .
The second of the factors listed above is that the molten copper must be introduced into the mold in such a way that the turbulence of the metal in the mold is avoided. This factor is closely related to the extremely brittle nature of the newly solidified copper, as it has been found that the breakage of the newly cast profile is greatly aggravated when the copper is introduced in such a way that agitation is imparted to the metal contained in the mold.
Various methods and means suitable for maintaining the metal of the mold in a calm state will no doubt present themselves to those skilled in the art, but one method of introduction which has given entirely satisfactory results in practice. that consists in introducing the molten copper prepared into the container or tank in which the mold is mounted at a point of said container which is sufficiently distant from the mold so that the agitation to which the metal is subjected as a result of its introduction into said container takes place is calmed down before the mold inlet has been reached.
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Failure to observe this factor in the introduction of molten copper favors the breakage of the part and, consequently, the interruption of the continuity of the process. In addition, the interruptions caused in the work by the breakage of the part are of course much more serious than a simple suspension of the molding process, but even the fact of having a return to such a suspension to avoid the rupture at the moment. or the copper being introduced into the vessel would each time result in a loss or delay in the subsequent restart period, as will be apparent from the following.
The third factor to consider is that of avoiding a great height of metal on the metal of the mold, this factor probably being closely related both to the low surface tension of the molten wood and to the low or high tensile strength. ..fragility of newly solidified copper.
It has been observed that whenever a great height of metal is present above the solidifying copper in the mold, the casting has a marked tendency to emerge, - from the mold with a rough, cracked or rough surface. cracked or even broken entirely into two portions.
Considering the brittle nature of newly solidified copper and the low surface tension of molten copper, one explanation for the ridged or cracked surface may lie in the fact that the head or hydrostatic pressure exerted by the height of existing metal above the mold causes the copper to spread
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molten and solidifying in the mold and that, with an excessive height of molten copper above the mold, had. with regard to the diameter of the contemplated casting, there occurs between the mold and the metal a degree of friction such as to result in a sliding between the crystals of the copper before these crystals have completely set as a result of complete solidification .
However, the exact cause or explanation of these defects is irrelevant and it should only be remembered that whenever the height of the molten metal becomes excessive in relation to the diameter of the bar being molded, the aforementioned imperfections occur.
The working scale of the heights of the metal can be considered as varying from a (minimum) value suitable for ensuring the filling of the mold without agitation to a (maximum) value just below that which causes the imperfections observed. A safe working rule will be to keep the height of the molten copper above the mold between the approximate limits of 2.5 cm., As a minimum, and 15 cm., As a maximum, since we have found in the practice that this scale meets the requirements regardless of the diameter of the molded part by the continuous process.
The fourth factor concerns the application of a suitable mold, experience having shown that, at least with regard to the surface of the mold which comes into contact with the copper near the point where solidification takes place. this metal, special precautions must be taken.
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tools both in the choice of the material of the mold and in its preparation.
Due to the low surface tension of molten copper, this metal tends to penetrate all surface imperfections such as: cracks, pores or other irregularities in the interior wall of the mold and, by solidifying in these cavities, to form on the molded rain burrs or other irregularities which, by increasing the friction between the copper and the mold, cause the fracture of this part ,, It should be mentioned in this regard that the friction exerted between the wall of the mold and the newly solidified copper should be kept as low as possible because, otherwise, serious disturbances in the process would result from the low tensile strength of the newly solidified copper. ,
Given what has just been said,
it is clear that the interior surface of the mold which comes into contact with the molten and newly solidified copper must, from a mechanical point of view, be as perfect as it is possible to obtain and made of a material which does not react with copper to any degree. for a side-cooled process of the kind contemplated, it has also been clearly established that the wall of the mold should be as thin as possible and made of a material which has at least a reasonable degree of thermal conductivity.
It has been shown in practice that repeated industrial molding operations can be performed using a mold made of graphite.
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dense having a particle size not exceeding 40 microns and having a porosity not exceeding 20% with pores having a capacity of not more than 40 microns. A graphite of this quality, obtainable by chemical precipitation and agglomeration at high pressure with colloidal carbon as a binder, should not be confused with other qualities which are ordinarily called "dense" but do not satisfy. under the above conditions.
The last of the actors listed is that of the correct adjustment of the intermediate zone and, in the course of the following description, it will be seen that a perfect understanding and an intelligent realization of this adjustment are invaluable if one wants to obtain industrial results, especially in a process using side cooling.
In order to continuously cast copper, the molten copper must of course be cooled from liquid to solid. The initial cooling dissipates the superheating of the metal, which reduces its temperature to the melting point, and the continued cooling, by borrowing from the metal its latent heat of fusion, converts the liquid copper at its melting point to solid copper at the same temperature.
Between the fully molten state of copper and the solid state there is therefore a region in which the latent heat of fusion of copper is subtracted from it and in which the actual solidification of copper takes place. . In the absence of a better descriptive term, we called this region "intermediate zone", and the extent of the intermediate zone, that is to say the distance between two parallel planes which limit it (of which the 'one is entirely
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in the molten phase and the other entirely in the solid phase) was called the "thickness" of this zone.
Although specialists may have different opinions as to the actual physical state of the copper in this intermediate zone, this does not matter with regard to the actual results observed which show that the intermediate zone is where the imprisonment of the gas takes place. Numerous samples of cast copper show conclusively that as the metal solidifies the gases dissolved in it are released as a result of the metal solidifying and pass into the intermediate zone.
If the intermediate zone has been suitably adjusted in accordance with the invention, sound parts can be produced in a known manner at speeds which are clearly commercial; otherwise, interruptions will inevitably occur.
As indicated above, the present invention contemplates lateral rather than longitudinal cooling, i.e. the cooling to which the copper is subjected to solidify it is carried out laterally through the wall of the mold.
This is important because, although this cooling system has been proposed for a long time, the obstacles presented by its industrial realization had apparently been considered insurmountable by those skilled in the art, as evidenced by the recent appearance in the art. art of molding, based on the principle of longitudinal cooling.
The results obtained by the present invention show, however, that if the factors discussed above are observed and if the area
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intermediary is regulated as will be described, sound cast copper parts are continuously obtained at commercial speeds noticeably higher than the production rates themselves limited by any known process applying longitudinal cooling,
It has been found that if the intermediate zone is at all times maintained such that the crystals of the cast copper arrange themselves radially, that is to say, form a structure in which they are inclined in predominantly hombres at an angle of 45, or larger, on the axis of the billet or bar,
in a direction from the bottom up the circumference of the casting to the solidifying surface of the copper, sound castings can be continuously produced indefinitely, since no entrapment of gas if the intermediate zone is maintained in such a way that it ensures such radial crystallization.
One explanation for the fact that sound copper castings can only be obtained by adjusting the intermediate zone so as to provide for radial crystallization, which prevents entrapment of gas, is perhaps the fact that in a side-cooling process, the copper directly adjacent to the wall of the mold through which the heat dissipation takes place is the first to solidify, while the last is that which is closest to the center of the mold. If we assume that the mold is vertical, this means that in the case of lateral cooling the solidification line has the shape of a U, whereas it is horizontal in a normal cooling process.
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longitudinal.
It would seem reasonable to draw this conclusion that when a gas entrapment occurs, it is because the inclination of the U-shaped solidification line is so steep that the gases entering the copper in the zone intermediate as they emerge from the solidifying metal cannot escape until the copper in that zone has solidified itself. This explanation can be and is corroborated by this actual finding that the crystal structure of copper indicates the direction of thermal induction during solidification.
In other words, it has been clearly established that, in order to ensure the continued production of a sound cast part, the thickness of the intermediate zone must be kept below a certain maximum. This maximum may vary somewhat with different metals, but it has been found that, in the case of copper, the intermediate zone must be limited to a thickness which does not greatly exceed the diameter of the workpiece if one is to avoid the entrapment of gas.
However, this rule is also a working rule. for copper alloys because, although said thickness can be increased for some of these alloys (for example those which do not contain gas or which can be completely degassed by a preliminary treatment), it has been found in casting of various alloys that operation can be carried out continuously at commercial speeds by the application of the "diameter rule".
It has been found that maintaining a radial crystal structure, or adjusting the area
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EMI16.1
- 6- ..1 - Sufficient intermediate thickness inside one, sufficient aisseur. ee% fono% ion of cooling OR of Téa of the heat, and the preBen% Process demonstrates "L. ### if we want to achieve the desired high levels, we must effeotue or solidification Te inter- - "###### 'J #######' suitable intermediate. 3n fact, if we properly observe the other eoifieds, there is every reason to believe that the only limita% ion all - - mold) #### '# .. molding speed (training rate "" nt ... .,. d.
Part out of the mold) is the quantity of abaiewr dissipated per unit 6 considered heat speed of molding Can be considered as quickly as the speed depending on the speed with which and the quantity of the melted ice can be 0 n and heat through the wall of the mold. The fact that the dissipated through Par teuit and that "oule must be gold ,, wen able to construct that energetic mold must be suitably ensured is therefore evident # ....
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the start of the operation. It has been found in practice that the full speed of industrial molding should be reached only in a gradual manner, by slow degrees and without jerking of the part being extracted, and that, as soon as the higher speed is found reached, the molded part must be withdrawn in a regular and uninterrupted manner. Failure to observe these precautions will result in failure of the bar due to the low tensile strength of the newly solidified book in the mold.
Further, in setting up the molding operation, the cooling rate must be properly adjusted relative to the molding rate if the desired higher commercial speed is to be obtained. One of the most important reasons for this condition is that, if the normal high cooling rate is applied at a time when the driving speed is necessarily low, there is a real risk that the copper will solidify in the middle. above the opening going from the copper tank to the mold and that this causes the part which continues to be driven to break out of the mold.
On the other hand, if the intermediate zone is allowed to exceed its maximum thickness due to insufficient cooling, entrapment of gas results, accompanied by the production of a defective metal or the rupture of the part. . in order to better understand the invention and facilitate its practice, a more detailed description will be given ei-apxès
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referring to the attached drawing in which:
FIG. 1 schematically represents the assembly of a type of continuous molding furnace and its accessories, capable of being used for putting the invention into practice, this furnace being shown in longitudinal section,
Figure 2 is a vertical section on a larger scale of the mold shown in Figure 1, this figure showing the details of the mounting of the mold in the oven and the cooling device of this mold.
Figure 3 shows in a view similar to Figure 2 the cooling jacket intended for the mold in a lowered position.
Figure 4 is a horizontal section taken on line 4-4 of Figure 2.
FIG. 5 represents, in a partial vertical section, a type of mold slightly different from that of FIGS. 2 and 3.
Like reference numbers designate like parts in the various figures.
In FIG. 1, 10 denotes the assembly of a melting, casting and molding furnace comprising side walls, end walls 12 and 14, a lower wall or sole 16, an upper wall or vault le and an altar wall 20 extending across the furnace near its loading end. A loading opening 22 is provided in the arch 18, and a burner opening 24 and a flue 26 are provided in the end walls 12 and 14, respectively. The bottom of the oven as well as, up to a level above. level. 28 of metal, the side and end walls of said furnace are provided with a carbon lining 30.
A loading chute
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32 communicates with the interior of the furnace at the heating end of said furnace and a normally closed taphole (not shown) extends from the interior of the furnace to a nozzle 34 located at the gas exhaust end of the furnace. oven.
The mold 36 in which the continuous casting of the copper takes place is mounted in a support in the form of an inverted cup 38, which is itself arranged and fixed in the bottom of the furnace by suitable means, for example using bricks 40 and refractory cement, at a point remote from where the molten metal is introduced into the furnace 10.
A variable screw 42 provided with a control wheel 44 is supported by a spacer 46 and is connected to a water jacket 48 to allow the position of this jacket to be adjusted relative to the mold 36. Grooved pulleys have been indicated. adjustable 50 for removing the billet or molded bar 52, as well as a die 54 and a winding device 56.
Reference will now be made to the detail figures, in particular to FIGS. 2 and 3. It can be seen that the mold 36, which is made of the dense graphite of special quality previously mentioned, is embedded in the upper part of the support 38 and is flush with the upper face. of said support. A locking nut 58 fixes this mold in the support. The mold 36 is completely surrounded by a relatively thick walled water circulation jacket 48, made of a metal of great thermal conductivity, such as forged copper, and provided with a water inlet pipe 60 and a water outlet pipe 62.
To ensure a precise fit between the water jacket and the mold when the jacket occupies
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its highest position, shown in figure 2, as in the operation at normal full speed, while allowing the liner to be easily lowered to the position shown in figure 3, for example in order to decrease the cooling when starting the operation, the water jacket and the thin-walled portion of the mold are both slightly conical, as shown in Figures 2 and 3, so that one can adjust their mutual positions by raising or lowering the liner by rotating screw 42.
Below the mold 36 is a mold extension or extension, indicated as a whole by 64, fixed in place using any suitable device, not shown. This extension is made up of two halves 66, 68 which are resiliently assembled by an ordinary bolt and spring device, as shown in Figures 2 and 4. Each of the sections of this extension is provided with inlet 70 and outlet 72 pipes for cooling water. The extension 64 is preferably made of copper and provided with a graphite packing 74.
Figure 5 shows a slightly different type of mold 76 and water circulation jacket 78, the mold 76 having above the solidification zone a larger interior section than the mold of Figures 2 and 3. On In this figure, the liner is hot-fitted onto the mold, but said liner and the mold could be made adjustable with respect to each other in the same way as in Figures 2 and 3.
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The other details of the two constructions are essentially the same. In all three figures, the intermediate zone is indicated schematically by 80, the solidified molded part by 52 and the completely liquid metal by 82.
With the aid of the apparatus which has just been described, the molding can be carried out as follows: After the copper has been brought to a state approximately free of gas and deoxidized, which can be carried out by In the manner previously described, it is introduced into the furnace or tank 10 through the opening 22 through the thick layer of charcoal 84, which is preferably pre-ignited charcoal of low sulfur content, as is the layer 86 .
The copper contained in furnace 10 is maintained in a completely liquid state by a burner (not shown) placed in opening 24, and, by appropriate additions made at intervals, this metal is maintained at the desired level. that is, at a level such that the height of metal which exists above the metal contained in the mold 36 is not excessive. It should be noted that the turbulence of the copper contained in the mold 36 is avoided by placing this mold in the bottom of the furnace at a point remote from the loading end of the furnace.
A plug rising inside the mold and which can advantageously constitute the last part of the molded part from a previous operation prevents the copper from escaping by passing through the mold during the initial charging of the furnace before setting. train of the molding operation.
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On start-up, cooling water is circulated through the water jacket to solidify the copper contained in Inouïe and to weld it to the bar 52, which is slowly withdrawn from the mold by the rotation of the pulleys. groove 50. Of course, these pulleys can be arranged in an adjustable manner with respect to one another to allow the passage of bars of different diameters and each of them can be actuated in a known manner, for example. by a variable speed motor coupled to a speed reducer and placed under the control of a suitable regulating rheostat.
To raise the molding speed to full speed, the part is fed regularly at gradually increasing speeds at the same time as the cooling of the mold is increased for the reasons previously explained. Different devices can be used to establish the desired relationship between the molds. part cooling and driving rates during this period. With a mold such as the one shown in FIG. 5, the liner of which has been hot-pressed onto the mold, the best way to achieve this result is to regulate the flow rate of the water circulating in the liner.
In a system such as that of Figures 2 and 3, it is preferable, in view of the same result, to start the operation with the liner in a lowered position, as shown in Figure 3, and to gradually raise this liner. jacket to bring it closer to the wall of the mold as the
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The drive speed of the part is increased, until finally it fits tightly to the mold wall and exerts its maximum cooling effect, the molding then being performed at full commercial speed. The advantage of the adjustable water jacket is that the same high water flow rate can be maintained at all times, as the cooling rate is adjusted by simply changing the space between the jacket and the jacket. the mold,
as shown.
On leaving the mold 36, in which the suitable intermediate zone is maintained as previously said and in which the copper solidifies, the part passes through the extension 64 which, since it is composed of several sections elastically assembled as shown, adapts automatically to the bar obtained using the partial bore of the mold used, As the formation of the part is and must necessarily be carried out in the mold 36 if one wishes to obtain sound cast copper parts, the water-cooled extension cord is not absolutely necessary.
This extension, however, is extremely desirable as a safety precaution, in that it prevents metal escapes in the event of part breakage and also helps to prevent oxidation of the hot part which would occur. otherwise when it comes out of the mold, the metal being and remaining shiny when it comes out of the extension, which avoids the need to have recourse to pickling operations,
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It should be noted here that while the mold 36, or at least its inner surface, in the case of a composite mold, is made of the special grade of dense graphite mentioned above, kinds of graphite can be used. ordinary to garnish the extension,
since the copper has already been solidified beyond its critical pasty and brittle state by the time it enters the extension. In the same vein, it will be noted that the word "mold" is used here to designate the apparatus in which the physical solidification of copper is carried out, to clearly distinguish this apparatus from any similar structure in which this delicate operation is not is not carried out, such as the extension which however cools the hot molded part.
The bar 52 having left the extension and passed between the pulleys 50 can receive any desired treatment and any destination. for example, it can be stretched through a die 54 or a series of dies and wound up in the form of a spool 56; alternatively, it can be cut with a suitable saw into sections of desired length as it exits from pulleys 50, as in the case of the molding of 7.5 cm billets, for example.
It is understood that various modifications within the scope of this invention can be made to the construction of the equipment as well as to the details of the operation. Some of these modifications have been shown in the drawing and others will obviously occur to those skilled in the art. As regards the former, it will be noted that, in the construction of the mold of figures 2 and 3, we can give
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in this mold a cylindrical bore with the exception of a slight cone or flare towards the interior and upwards, from the liner to the orifice of the mold, this cone having approximately an inclination of 21 mm per meter.
When the mold is heated to working temperature, the expansion decreases the taper, so that the mold provides a substantially straight conduit for copper passing through it,
Figure 5 shows a mold having a larger opening which in practice appears to have some advantages in molding small diameter bars by facilitating the escape of gas and minimizing agitation of the metal in the intermediate zone. under the influence of the movement of the gases, On the other hand, due to the shoulder existing in a mold of this kind immediately above the intermediate zone, more care must be taken in maintaining the favorable ratio between the speeds for cooling and dragging the metal, in particular during start-up,
to prevent the appliance from "freezing".
In addition, while it is preferable that the wall of the mold be as thin as possible to facilitate the high and rapid cooling rate which is required if the intermediate zone is to be properly controlled at full molding speeds, one. can use much thicker graphite packing in the extension. In addition, instead of having an extension in several pieces,
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or even a relatively long one-piece extension, two or more shorter extensions can be used.
It should also be noted that, in the particular type of mold assembly shown in the drawing, the sides of the support 38 are flared outwards and downwards, which facilitates the dismantling of this part when this is done. becomes necessary. In addition, since the mold is made of graphite, it is good in practice to maintain a reducing atmosphere inside the support, in the place where the mold is exposed, to prevent its oxidation,
It has been overwhelmingly demonstrated that copper can be continuously cast at commercial speeds by the application of this invention.
For example, using a mold having a 2.5 cm cylindrical bore and having a wall only 6.3 mm thick around which was hot-fitted a 7.5 cm water circulation jacket. in length, jacket in which the water circulated at a flow rate of 32 kg per minute, it was easy to obtain a molding speed of 50 cm per minute by producing a copper bar of 2.5 cm in diameter, sound and dense. The density was greater than that of a rolled annealed copper, ie greater than 8.93, specimens taken from the bar having given densities of at least 8.95. In a somewhat analogous operation performed on bronze-copper, a molding speed of about 75 cm per minute was successfully maintained.
Regarding the truly continuous nature of the process, it suffices to add that a bar of about 800 meters was cast without a single break and that,
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until the point where the operation was finally voluntarily stopped, a dense and healthy bar was continuously withdrawn. It should be observed that this particular operation was started on copper and finished with bronze-copper, the change having been effected without interrupting the continuity of the casting operation.
It has already been indicated that the principles of the invention are not only applicable to copper but also to copper alloys, the continuous casting of which presents difficulties similar to those encountered in the case of the continuous casting of copper by. Among the alloys which have been successfully cast by the present process are tellurium-tin-copper, tellurium-silicon-copper, nickel-copper, silicon-copper, copper-phosphorus and copper-. zinc,
The molded parts produced in accordance with the invention have many advantages, many of which are due to the radial crystalline structure of the product. Thus, the structure produced by rolling and annealing is a structure in which the crystals are devoid of. orientation,
which gives the product the same qualities of forming or shaping in all directions, which is extremely desirable in the production of objects of circular section.
This is a marked advantage over a structure composed of longitudinal crystals which are large and oriented in a uniform plane and direction and retain this directional orientation even when they have been rolled and annealed.
We will indicate + particularly important the
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manufacture of a new metallurgical product comprising copper and 0.001% to 0.005% phosphorus, which product has a specific gravity of 8.93 or above (8.95 being common in practice) and structure radial crystalline, that is, a structure in which the crystals are tilted in predominant numbers at an angle of at least 45 to the longitudinal axis of the workpiece, This product has been found to have properties unexpected which make it significantly superior to any other copper product known to date for many different uses.
This product can be readily made by the present molding process, the proper phosphorus content being introduced at the time the copper is deoxidized in preparation for molding.
CLAIMS
1. A process for casting copper and copper alloys in the form of a movable column, the kind in which the metal is continuously transferred from a molten source of said metal within a mold in which the metal is continuously transferred from a molten source of said metal. solidification of the metal is effected and out of which the workpiece is continuously withdrawn, this process being characterized in that heat is continuously extracted from the metal laterally to the direction of movement of said metal, at a rate such that the intermediate zone existing between the molten metal and the solidified metal is constantly maintained at a thickness which is not substantially greater than the diameter of the molded part.
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