CA2155555C - Procede de fabrication d'un organe chauffant de transfert de metal liquide, organe chauffant, son application et son utilisation - Google Patents

Abstract

Organe chauffant de transfert de métal liquide, cet organe du type à section transversale fermée comprend un tube réfractaire entouré d'un ensemble formant une épaisseur isolante, elle-même entourée d'un inducteur entouré d'un béton refractaire contenu dans une enveloppe métallique, l'épaisseur isolante étant constituée d'une couche de béton réfractaire isolant. Application à un four de maintien liquide du métal, alimenté en gaz sous pression. Utilisation pour obtention de pièce en métal.

Description

~VVO 94/17938 PCT/FR94/00139 Procd de fabrication d'un organe chauffant de transfert de mtal liquide, or4ane c au ant, son app icat~on et son utilicat;~., La prsente invention est relative un organe chauffant de transfert de mtal liquide. Ledit organe est du type section transversale ferme. L'invention concerne en premier lieu un procd de fabrication d'un organe du type prcit qui dbouche une extrmit par un orifice de coule pour l'alimentation d'au moins un moule et du type comportant sur toute sa longueur au moins un moyen de chauffage constitu par un inducteur en forme de bobine dont les spires refroidies sont parcourues par un courant lectrique alternatif. Les organes chauffants de transfert de mtal (voir le chenal ou goulotte de coule dcrit par le brevet franais n 2 532 866) sont particulirement avantageux pour la transmission d'un mtal temprature de coule leve. Lesdits organes chauffants liminent le risque de refroidissement et de solidification d'un alliage mtallique temprature de coule au moins gale 1400C dans un chenal de coule entre deux oprations de coule successives. Dans la technique classique le chenal de coule comprend un manchon suscepteur en graphite comportant une partie droite et une partie coude. Cette configuration est particulirement intressante lorsque les oprations de coule prsentant un caractre discontinu. En effet, dans ce cas, le mtal liquide peut ne pas tre prsent pendant une dure plus ou moins longue dans le chenal. I1 est alors intressant de garder celui-ci constamment prchauff pendant cette dure . c'est le rle du graphite. Cependant, lorsque l'on travaille de manire continue, ce qui est le cas pour des procds de production stabilise de grande ou moyenne srie, cet intrt est '' moindre. Dans ce cas, la prsence continue du mtal liquide dans le chenal, associe avec un chauffage par induction, permet de maintenir le systme en temprature. Le graphite n'est donc plus ncessaire, d'autant que le prchauffage initial du chenal, avant son remplissage par du mtal G liquide, peut tre effectu par un moyen de chauffage WO 94/17938 ~ PCT/FR94/00139 2 secondaire plus souple et moins onéreux, comme celui utilisant ~le gaz par exemple. D'autre part, la configuration classique présente quelques inconvénients d'exploitation liés â la complexité de la fabrication du chenal . difficultés de façonnage, difficultés de découpe, difficultés de centrage. Ces inconvénients augmentent le coût de fabrication du chenal. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients. A cet effet, le procédé selon l'invention comporte les étapes suivantes . - mise en place autour d'un tube de céramique réfractaire d'un ensemble formant un revêtement isolant thermique, l'ensemble formant revêtement isolant étant constitué d'une couche de béton réfractaire isolant et/ou d'au moins une nappe de matériau fibreux, - mise en forme autour et au contact de l'ensemble, de l'inducteur, - centrage de l'ensemble entouré de l'inducteur dans une enveloppe métallique, - remplissage de l'espace situé entre l'inducteur et l'enveloppe métallique par une coulée sous vibrations d'un béton réfractaire, - étuvage dudit organe chauffant de transfert de métal, après la prise du béton. Suivant certaines caractéristiques, le procédé comprend une ou des étapes de découpe et/ou d'assemblage du tube réfractaire. La couche de matière isolante (béton réfractaire et/ou matériau fibreux) présente l'avantage de fournir une bonne isolation thermique du tube et du métal lors de . l'utilisation. Les nappes fibreuses sont plus isolantes que des bétons réfractaires et renforcent l'isolation. En outre la couche isolante constitue une protection supplémentaire en cas d'usure et/ou de fissuration du tube en céramique au contact du métal liquide, limitant ainsi les ~WO 94/17938 ~ PCT/FR94/00139 3 risques d'infiltration du mtal liquide vers la bobine et . renforant la scurit. Le chauffage et le maintien du mtal liquide contenu dans le conduit rfractaire est assur par l'inducteur w parcouru par un courant alternatif moyenne ou haute frquence. Ce mode de chauffage permet de transfrer directement au mtal liquide l'nergie lectrique sous forme d'nergie thermique. Comme il n'utilise pas d'lment intermdiaire tel que le graphite, le transfert nergtique est direct et le rendement est meilleur. La frquence parcourant l'inducteur est typiquement dans la gamme 1000- 15000 Hertz. L'invention a galement pour objet un organe chauffant de transmission de mtal liquide. Cet organe du type section transversale ferme remonte vers le haut et dbouche sur sa face suprieure par un orifice de coule pour l'alimentation d'au moins un moule et du type comportant sur toute sa longueur au moins un moyen de chauffage constitu par un inducteur en forme de bobine dont les spires refroidies sont parcourues par un courant lectrique alternatif. Ledit organe peut tre fabriqu par le procd selon l'invention et il comprend un tube rfractaire entour d'un ensemble formant un revtement isolant, lui-mme entour d'un inducteur entour d'un bton rfractaire contenu dans une enveloppe mtallique, l'paisseur isolante tant constitue d'une couche de bton rfractaire isolant. Ledite revtement isolant peut tre constitu d'au moins une nappe de matriau fibreux. Ledit organe est un lment complet, pouvant tre interchang sur un four de fonderie lorsque l'organe arrive en fin de dure de vie ou, ce qui est moins frquent mais quand mme possible, le four arrive en fin de dure de vie. Dans le but de nettoyer l'organe et de rduire l'encombrement, il forme un chenal de coule d'axe de rayon de courbure constant ou d'axe rectiligne. Pour effectuer une jonction tanche au mtal liquide en pouvant effectuer des changements d'organes compatibles WO 94/17938 _ PCT/FR94/00139 4 avec des exploitations industrielles, le personnel travaillant deux fois huit heures ou trois fois huit heures , d'affilée . L'organe comprend au niveau de la jonction avec le four une collerette extérieure percée de trous débouchants k sur laquelle s'ajuste une rondelle coopérant avec l'enveloppe métallique, les parties réfractaires dudit organe étant prolongées au niveau et vers le four par un joint, en béton réfractaire à prise chimique de la forme d'une rondelle, lui- même prolongé par un second joint en un matériau fibreux. La jonction est réalisée par le bridage de l'organe sur la paroi du four ce qui provoque l'écrasement de deux joints en surépaisseur au niveau des zones réfractaires de l'organe et du four. Cette jonction peut être appliquée à des fours relativement chauds, huit heures de refroidissement suffisent. Seules quelques petites réparations du réfractaire du four sont nécessaires lors du changement d'organe. En variante l'organe suivant l'invention est prolongé à son extrémité destinée à l'alimentation du moule par un manchon réfractaire de forme cylindrique creuse, la paroi externe du manchon coopérant avec la paroi interne cylindrique creuse d'une bague par l'intermédiaire d'un béton damé. Des exemples de mises en oeuvre, d'applications et d'utilisations de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels . - la Fig. 1 représente en coupe verticale, un organe chauffant selon l'invention ; - la Fig. 2 représente en coupe verticale une installation de coulée utilisant un organe chauffant selon l'invention ; . - la Fig. 3 est un diagramme d'équilibre d'un alliage nickel cuivre pouvant être utilisé dans un organe selon l'invention ; - la Fig. 4 représente la température de couîée en fonction de la tension en utilisant un organe chauffant selon l'invention. ~O 94/17938 PCT/FR94/00139 Le dispositif prsent la Fig. 1 est un organe chauffant 1 de transfert de mtal liquide. Cet organe 1 du type section transversale ferme est d'axe 8 rectiligne. L'organe chauffant 1 est constitu de l'axe 8 vers sa 5 surface externe d'un tube rfractaire 4, d'un ensemble 5 formant un revtement isolant thermiquement constitu d'une couche de bton rfractaire isolant 5a entour d'une nappe de matriau fibreux 5b, d'un inducteur 3, d'un bton rfractaire 7 et d'une enveloppe mtallique externe 6. Tous ces lments 3, 4, 5, 5a, 5b, 6 et 7 sont de forme sensiblement cylindrique creuse. L'extrmit de l'organe 1 est horizontale et prsente un orifice 2. L'enveloppe mtallique 6 prsente une excroissance annulaire, horizontale 24 sa partie suprieure de manire recouvrir en partie le bton rfractaire 7. L'enveloppe 6 prsente radialement au niveau de sa partie infrieure et dbouchant vers le bas un perage 26. La partie infrieure de l'enveloppe 6 se termine par une excroissance radiale externe formant une collerette annulaire verticale 11 prsentant des perages 12 dans lesquels passent des vis de Fixation 18. L'inducteur 3 est constitu de spires hlicodales d'un tube mtallique en cuivre entourant le revtement isolant 5 et noy dans le bton rfractaire 7. Chaque extrmit du tube mtallique constituant la bobine est ramene au niveau du perage 26 et sort de l'organe chauffant 1, de faon effectuer les connexions lectriques avec le gnrateur de courant moyenne ou haute frquence. la surface horizontale extrme de l'organe 1 est prolonge par une pice intermdiaire d'usure 23 d'une forme cylindrique creuse, la paroi interne du cylindre tant d'un diamtre constant sur la hauteur. La paroi externe d'un manchon 21 coopre avec la paroi interne cylindrique creuse d'une bague 20 par l'intermdiaire d'un bton dam 22. La hauteur du manchon 21 est identique la hauteur de la bague 20. Des encoches d'axe vertical 25 sont prvues dans ' l'embase de la bague 20 pour permettre le passage de vis de CA 02155555 2002-03-07 s 6 fixation sur l'extrémité horizontale de l'enveloppe 6, comme connu par ~la demande de brevet français N.degree. 90 10 798, ' publiée sous le N.degree. FR-A-2666036 le 28 février 1992. Sur_la collerette extérieure 11 s'ajuste une rondelle 13 coopérant avec l'enveloppe métallique 6, les parties réfractaires 4, 5, 7 dudit organe 1 étant prolongées au niveau et vers le four 9 par un joint 14, en béton réfractaire à prise chimique de la forme d'une rondelle, lui- même prolongé par un second joint 15 en un matériau fibreux. L'organe 1 est destiné à être fixé sur la carcasse 17 du four 9 qui présente des trous borgnes taraudés 19 permettant la fixation et le serrage de l'organe 1 au moyen de vis 12 ce qui permet la compression des joints 14, 15 et de la rondelle 13, ce qui assure l'étanchéité de l'ensemble. La carcasse 17 est tapissée vers l'intérieur du four 9 d'un revêtement réfractaire 16. Le four 9 présente un canal dêbouchant vers l'extérieur et entouré du revêtement réfractaire. L'organe 1 vient se fixer dans le prolongement dudit canal pour former le dispositif représenté à la Fig. 2 qui représente une installation de coulée. L'organe chauffant 1 diffère de celui zeprésenté â la Fig. 1 en ce qu'il forme un chenal de coulée d'axe 8 de rayon de courbure R constant. Sur la Fig. 2 les références numériques correspondent aux éléments référencés à la Fig. 1. Dans cet exemple le four 9 est étanche et fermé pour former un ensemble de coulée en vase clos lorsque le moule 27 est en position de travail à l'extrémité supérieure de l'organe 1. Le four 9 contient du métal liquide 28 qui sous l'effet d'une pression Pr dans la partie supérieure du four 9 remonte à un niveau 29 vers l'extrémité supérieure de l'organe 1 en direction du moule 27. Le niveau 29 est supérieur â la surface du métal liquide 28 dans le moule 9. Cette pression Pr de gaz s'exerçant sur le métal 28 est obtenue par une conduite 30 débouchant à l'intérieur du four 9 dans sa partie supérieure. La conduite 30 amène de l'air ou un gaz au dessus du niveau du bain de métal 28 contenu dans le four 9. La PCT/FR94/00139 ~O 94/17938 7 conduite 30 est raccorde une source de gaz sous pression 32. Sur la conduite sont monts un manomtre 31 et e un robinet 33 de manire admettre, interdire et rguler l'entre de gaz dans le four, ce qui permet de rgler la A hauteur du niveau 29 du mtal dans l'organe 1. Ainsi l'installation de coule permet de piloter le remplissage du moule 27 grce la pression Pr, ce qui permet d'obtenir des pices minces ou de forme complexe par l'alimentation sous pression Pr du mtal liquide 28 dans le moule 27. L'arrondi du chenal de coule suivant l'axe 8 diminue l'encombrement par rapport un chenal rectiligne en rapprochant le moule 27 du four 9. La constance du rayon R permet d'viter l'utilisation d'un coude trs prononc tel que dans la configuration classique. En effet, dans ce cas, on constate des htrognits de temprature importantes dans le coude. Ces htrognits sont lies une surconcentration de puissance dans la partie intrieure du coude du fait du rapprochement des spires cet endroit. L'htrognit de temprature entrane des htrognits de sant des pices dans le moule. L'utilisation d'un organe rayon de courbure constant permet d'liminer cet effet. En outre, la rgularit de l'axe 8 rectiligne ou de rayon R constant permet de dcrasser le chenal avec des outils tels que des grattoirs gui seraient bloqus par un coude. En effet, les alliages mtalliques fortement oxydables gnrent des encrassements dans l'organe 1 qui ncessitent un nettoyage, de prfrence chaud, pour viter une obstruction de l'organe 1. D'autre part, l'inducteur 3 permet de gnrer des courants induits au sein du mtal liquide 28 ce qui entrane un brassage facilitant l'homognisation thermique du mtal. L'importance du brassage est contrl par le choix de la frquence. Le brassage est d'autant plus lev que cette frquence est basse. Des frquences basses sont galement prfrables dans le cas d'un diamtre de tube rfractaire 4 important o lorsqu'on veut limiter les problmes d'infiltrations vers la bobine de l'inducteur 3. Cependant WO 94117938 ' ' ~ ' PCT/FR94/00139 8 une fréquence élevée s'avère être plus favorable pour limiter les mouvements de turbulence à l'intérieur du chenal, pouvant être à l'origine de variations dans la santé des pièces (soufflures, inclusions ...). Le choix de la fréquence dans , ï'inducteur 3 est donc un compromis entre ces différents paramètres. Ainsi le type de chauffage selon l'invention permet d'obtenir une excellente précision de température dans l'organe de chauffage en fixant les paramètres électriques ; ce qui permet par utilisation de l'organe chauffant 1 de couler le métal 28 à haut point de fusion, au dessus de 1400.degree.C et/ou fortement oxydable, à une température pouvant être régulée précisément. Cette faculté de pouvoir réguler la température avec précision permet d'ajuster celle-ci, dans des domaines très précis. Ainsi la température Tc de coulée dans le chenal peut être très proche du liquidus, sans risque de solidification du métal. Le diagramme de la Fig. 3 représente un diagramme d'équilibre d'un alliage cuivre-nickel. La courbe supérieure L est appelée liquidus, la courbe inférieure S solidus. L'ordonnée indique la température en degré Celsius, l'abscisse le pourcentage de cuivre et de nickel en partant d'un métal à 100 ~ de cuivre à l'origine, le diagramme se termine par un métal constitué de 100 ~ de nickel. L'alliage métallique à une température supérieure au liquidus L est liquide. S'il est à une température inférieure au solidus S, il s'agit d'une solution solide. Le chauffage par induction permet d'avoir une bonne précision de la température par les paramètres électriques. La régulation précise permet de travailler à des températures relativement basses (par exemple à 50.degree.C au dessus du liquidus). L'exemple représenté à la Fig. 3 montre que l'on peut couler un alliage de 80 $ de nickel et 20 ~ de cuivre à 1450.degree.C à la température TC située à 50.degree.C au-dessus de la température TL du liquidus L. Une telle température TC ~WO 94/17938 PCT/FR94/00139 9 relativement basse est intressante pour obtenir un meilleur tat de surface des pices, une limitation des ractions entre le moule et le mtal et une taille de grain affine par une vitesse de refroidissement plus leve. Pour les mtaux w haut point de fusion, le risque de solidification est trs grand, le chauffage par induction de l'organe 1 permet d'empcher toute solidification dans l'organe 1. Le chauffage est particulirement intressant lorsque le mtal 28 sjourne constamment l'intrieur de l'organe 1. L'invention peut tre utilise pour des superalliages base de nickel qui sont caractriss par des tempratures TL de liquidus L relativement leves, typiquement suprieures 1400 C. L'invention peut galement tre utilise pour des alliages oxydables ou en variante pour des aciers qui prsentent eux aussi des tempratures de liquidus suprieures 1400C, mme dans le cas d'aciers fortement allis de type inoxydable. I1 est intressant d'utiliser l'invention pour le remplissage rptitif de moules de fonderie 27 avec l'un quelconque des mtaux 28 tels que dfinis ci-dessus, le niveau suprieur 29 de liquide restant toujours dans la zone suprieure de l'organe de chauffage 1. Cette utilisation permet d'viter une obturation progressive de l'organe 1 qui risque de se produire avec des coules d'alliages oxydables si l'on relche la pression P entre deux cycles. Le fait de maintenir le mtal 28 un niveau 29 proche de la partie suprieure de l'organe 1 permet de dcrasser le bain entre deux coules successives. De plus le mtal liquide restant prs du moule 27 les temps de coule sont plus brefs et les turbulences gnres par le dplacement du mtal liquide 28 attnues. En outre, la rgulation thermique de l'organe 1 et meilleure, ce qui limite les rgimes thermiques transitoires pouvant tre cause de variations de la sant des pices. L'induction permet de rchauffer du mtal retenu dans le moule 27. Elle vite la solidification du mtal dans le WO 94/17938 - ~ PCT/FR94/00139 puits de coulée du moule 27 et évite que le métal 28 fige à la partie supérieure de l'organe 1 lors de la coulée, ceci est particulièrement accentué lorsque les cycles de coulée sont longs. 5 La Fig. 4 illustre sur un schéma le réglage de la température par des variations de tension aux bornes de l'inducteur 3. L'abscisse indique la tension en kilo-Volt. L'ordonnée, la température du métal. 10 La ligne horizontale pointillée représente la température de liquidus mesurée au refroidissement de l'alliage utilisé lors de l'expérience. Les essais ont montré que la température Tc du métal dans l'organe était linéaire et proportionnelle à la tension appliquée aux bornes de l'inducteur. Le tableau ci-dessous correspondant à la courbe de la Fig. 4 montre les données relevées. Les abréviations suivantes sont utilisées . U . tension F . fréquence TC . température P(KVA) . puissance U F TC P(KVA) 7,7 KV 11 KHz 1460C 26,95 6,5 KV 11 KHz 1430C 18,2 6 KV 11,1 KHz 1415C 15,9 5,5 KV 11 KHz 1405C 13,2

Claims (19)

11 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un organe chauffant de transfert de métal liquide, cet organe du type à section transversale fermée débouchant à une extrémité par un orifice de coulée pour l'alimentation d'au moins un moule et du type comportant sur toute sa longueur au moins un moyen de chauffage constitué par un inducteur en forme de bobine dont les spires refroidies sont parcourues par un courant électrique alternatif (~, U, F), caractérisé en ce que ledit procédé comporte au moins les étapes suivantes: - mise en place autour d'un tube réfractaire d'un ensemble formant un revêtement isolant thermique, - mise en forme autour et au contact de l'ensemble de l'inducteur, - centrage de l'ensemble entouré de l'inducteur dans une enveloppe métallique, - remplissage de l'espace situé entre l'inducteur et l'enveloppe métallique par une coulée sous vibrations d'un béton réfractaire, - étuvage dudit organe chauffant de transmission de métal, après la prise du béton.

2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend une ou des étapes(s) de découpe et/ou d'assemblage du tube réfractaire. 12

3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble formant revêtement isolant est constitué d'une couche de béton réfractaire isolant et/ou d'au moins une nappe de matériau fibreux.

4. Organe chauffant de transfert de métal liquide, cet organe du type à section transversale fermée remontant vers le haut et débouchant sur sa face supérieure par un orifice de coulée pour l'alimentation d'au moins un moule et du type comportant sur toute sa longueur au moins un moyen de chauffage constitué par un inducteur en forme de bobine dont les spires refroidies sont parcourues par un courant électrique alternatif (~, U, F), pouvant être fabriqué par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un tube réfractaire entouré d'un ensemble allongé formant un revêtement isolant, lui- même entouré d'un inducteur entouré d'un béton réfractaire contenu dans une enveloppe métallique, l'épaisseur isolante étant constituée d'une couche de béton réfractaire isolant et/ou d'au moins une nappe de matériau fibreux.

5. Organe chauffant suivant la revendication 4, caractérisé en ce qu'il forme un chenal de coulée d'axe de rayon de courbure constant. 13

6. Organe chauffant suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il forme un chenal de coulée dont l'axe est rectiligne.

7. Organe chauffant suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6 pour l'alimentation du moule depuis un four contenant du métal liquide, caractérisé en ce qu'il comprend au niveau de la jonction avec le four une collerette extérieure percée de trous débouchants sur laquelle s'ajuste une rondelle coopérant avec l'enveloppe métallique, les parties réfractaires dudit organe étant prolongées au niveau et vers le four par un joint, en béton réfractaire à prise chimique de la forme d'une rondelle, lui-même prolongé par un second joint en un matériau fibreux.

8. Organe suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, prolongé à son extrémité destinée à l'alimentation du moule par un manchon réfractaire de forme cylindrique creuse, la paroi externe du manchon coopérant avec la paroi interne cylindrique creuse d'une bague par l'intermédiaire d'un béton damé.

9. Organe suivant l'une quelconque des revendications 4 à 8, relié à un générateur électrique délivrant un courant 14 électrique alternatif d'alimentation de l'inducteur de moyenne ou haute fréquence (F).

10. Organe suivant la revendication 9, le générateur délivrant un courant électrique du type 1000 à 15000 hertz.

11. Application de l'organe chauffant suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8 à un four étanche de maintien liquide ou de fusion de métal, ledit four étant alimenté en gaz sous pression (Pr) en vue de pousser le métal liquide dans le moule par l'intermédiaire de l'organe chauffant.

12. Application de l'organe chauffant suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8 à la coulée contregravitaire de métal sous basse pression (Pr).

13. Utilisation de l'organe chauffant suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8 pour l'obtention de pièces minces ou de forme complexe par l'alimentation sous pression (P) du métal liquide dans le moule.

14. Utilisation de l'organe chauffant suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8 pour une coulée de métal à température régulée. 15

15. Utilisation suivant la revendication 14, pour une coulée de métal à température proche du liquidus.

16. Utilisation de l'organe chauffant suivant l'une quelconque des revendications 5 à 8 pour une coulée de métal à haut point de fusion et/ou fortement oxydable.

17. Utilisation suivant la revendication 16, pour des superalliages à base de nickel.

18. Utilisation de l'organe chauffant pour une coulée de métal conforme à la revendication 13 ou 14, ledit métal étant un acier.

19. Utilisation de l'organe chauffant pour le remplissage répétitif de moules de fonderie avec l'un quelconque des métaux selon la revendication 13, 14 ou 15, le niveau supérieur de liquide restant toujours dans la zone supérieure de l'organe chauffant.