EP0916435B1 - Four de coulée pour moulage automatique - Google Patents

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EP0916435B1
EP0916435B1 EP19970500195 EP97500195A EP0916435B1 EP 0916435 B1 EP0916435 B1 EP 0916435B1 EP 19970500195 EP19970500195 EP 19970500195 EP 97500195 A EP97500195 A EP 97500195A EP 0916435 B1 EP0916435 B1 EP 0916435B1
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furnace
metal
casting
gas
casting furnace
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Jimenez Luis Cobos
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Fundacion Tecnalia Research and Innovation
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Fundacion Inasmet
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/005—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like with heating or cooling means
    • B22D41/01—Heating means
    • B22D41/015—Heating means with external heating, i.e. the heat source not being a part of the ladle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B22D39/06—Equipment for supplying molten metal in rations having means for controlling the amount of molten metal by controlling the pressure above the molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D41/00—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like
    • B22D41/005—Casting melt-holding vessels, e.g. ladles, tundishes, cups or the like with heating or cooling means
    • B22D41/01—Heating means

Definitions

  • Loading molds on automatic molding lines is mainly carried out by means of gas pressurized furnaces inert, and fitted with electric induction heating. Although there is great variety of systems, this type of oven presents a common problem, associated with the maintenance of inductors for wear or protrusion of the refractory in the coil area.
  • This material has the particularity of incorporating into its composition a quantity magnesium, which reacts with certain elements present in the refractory and clean metal. This produces compounds with a melting point. which adhere to the walls of the refractory, especially at the points hotter and greater metal circulation.
  • the coupling of the inductors introduces a factor of complexity in the system which prevents the furnace from being switched off, otherwise by running big risks.
  • the inductor has the sole function of retaining casting at approximately the molding temperature, and faced with the problems described, which the applicant has deduced that they arise from the use of inductors, it is proposed in this application to replace the induction heating with a heating produced by a high-power thermal plasma.
  • the transfer thermal occurs in this case by means of the plasma arc generated by the electric current and stabilized with the same inert gas (argon or nitrogen) which can be the same as that used to pressurize the oven.
  • US Patent 5,291,940 shows a tipping bucket in which the energetic contribution to the liquid mass of the metal is made by a plasma torch which operates in the open air, and which acts directly on the metal creating agitation currents which originate pollution from the point of view metallurgical.
  • the application of the invention shows a casting furnace in which the energy supply to the liquid mass of the metal is made by a plasma torch, which operates in a closed hood, with gas under pressure, which is both plasma-generating and inert with respect to cast metal (for example N 2 ).
  • nitrogen in gaseous form (N 2 ) breaks down into plasma N, which provides energy to the metal, so the action of the plasma torch on the metal is indirect.
  • the casting furnace also has means for introducing and keep the gas under pressure in the oven.
  • the present invention recommends a casting furnace for molding automatic improved, including in particular a pouring-nozzle hole of loading of the metal in the pre-inoculation state, a pressurization gas in the bucket and, at the very least, a metal pouring and loading nozzle molding and characterized by the fact that above the level of the metal in the grab are arranged in the casting furnace, at the very least, a plasma torch thermal stabilized preferably using the same gas as that used to pressurize the oven and at least one gas inlet / outlet, said gas or gases being both plasma / s and inert / s with respect to the cast metal.
  • Figure 1 is a vertical sectional view of the molding furnace already known with a superimposition of a practical realization of the object of the invention, which makes it easier to understand.
  • a conventional oven consists of a tap hole (1) for the loading of metal, for example at 1430 ° C., already treated, for example, with ferro-silicon-magnesium, which descends through the loading nozzle (2) to the bucket (3) where an inductor (4) is provided which provides energy maintaining the casting at the desired temperature.
  • the bucket (3) is closed by the cover (5) in which an inlet / outlet (11) of a pressurization gas (g), for example N 2, is made .
  • a pressurization gas for example N 2
  • salts tend to accumulate, for example magnesium silicates which impede circulation of casting and thermal transmission.
  • the invention eliminates the inductor (9) with all its consequences and introduces one or more plasma torches as a fundamental element (10).
  • the torch (10) is given a movement so that the plasma jet moves on said surface (s).
  • the inert gas (N 2 , argon, etc.) used with the plasma can be the same as that of pressurization.
  • the lighting of the torch (10) can be delayed as desired.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Description

Le chargement de moules sur les lignes automatiques de moulage se réalise principalement au moyen de fours de coulée pressurisés par un gaz inerte, et dotés de chauffage à induction électrique. Bien qu'il existe une grande variété de systèmes, ce type de fours présente une problématique commune, associée à la maintenance des inducteurs pour usure ou excroissance du réfractaire dans la zone de la bobine.
La fréquence et gravité de ces problèmes est portée à son point maximum dès lors qu'il s'agit de couler de la fonte nodulaire. Ce matériau comporte en effet la particularité d'incorporer dans sa composition une quantité déterminée de magnésium, lequel réagit avec certains éléments présents dans le réfractaire et le métal propre. Il se forme ainsi des composés à point de fusion élevé, lesquels adhèrent aux parois du réfractaire, spécialement aux points les plus chauds et de plus grande circulation de métal.
L'inducteur et ses zones adjacentes souffrent spécialement de ce problème, puisque que les conduits de chargement et de coulée en arrivent même à se boucher. Il faut alors procéder à un nettoyage exhaustif des tuyères et canaux de l'inducteur. Une telle opération est pénible, délicate et très laborieuse, puisqu'impliquant de surcroít le risque d'endommager le réfractaire qui protège l'inducteur.
Par ailleurs, l'accouplement des inducteurs introduit un facteur de complexité dans le système qui empêche l'extinction du four, sinon en courant de gros risques. A cet effet, une fois mis en fonctionnement, on ne peut que le vider de métal pour procéder à la démolition du réfractaire et, dans le meilleur des cas, changer l'inducteur. Ce qui oblige à maintenir le chauffage connecté en permanence, ce qui suppose outre le problème cité auparavant, un important surcoût énergétique.
Compte tenu que l'inducteur a pour unique fonction de conserver la coulée à peu près à la température de moulage, et face aux problèmes décrits, dont le demandeur a déduit qu'ils naissent de l'utilisation des inducteurs, il est proposé dans la présente demande de remplacer le chauffage à induction par un chauffage produit par un-plasma thermique à haute puissance. Le transfert thermique se produit dans ce cas au moyen de l'arc au plasma généré par le courant électrique et stabilisé avec le même gaz inerte (argon ou azote) qui peut être le même que celui utilisé pour pressuriser le four.
Le brevet US 5 291 940 montre une benne de coulée dans laquelle l'apport énergétique à la masse liquide du métal se fait par une torche au plasma qui fonctionne à ciel ouvert, et qui agit directement sur le métal creant courants d'agitation qui originent pollution du point de vue metallurgique.
La demande de l'invention montre un four de coulée dans lequel l'apport énergétique à la masse liquide du métal se fait par une torche à plasma, qui fonctionne en hotte fermée, avec du gaz sous pression, qui est à la fois plasmagène et inerte vis a vis du metal coulé (par exemple N2).
Si on emploie l'azote comme gaz plasmagène, l'azote sous forme gazeuse (N2) se décompose en N plasmatique, qui apporte l'énergie au métal, ainsí l'action de la torche au plasma sur le métal est indirecte.
La présence de N plasmatique sous pression induit la stabilisation de l'arc au plasma indispensable à la qualité de la fonte (sans pollution).
Le four de coulée dispose aussi des moyens pour introduire et maintenir le gaz sous pression dans le four.
Il est prévu l'installation d'un système multiple de torches qui permette l'utilisation indistincte d'un arc transféré ou pas. L'application de l'un ou l'autre modèle dépendra du type de matériau que l'on prétendra couler.
L'introduction du plasma confère au four de coulée de l'invention les particularités suivantes :
  • a) Le transfert énergétique se réalise au moyen d'un arc au plasma thermique à haute puissance.
  • b) Le four peut se vider librement, ce qui permet de supprimer les périodes de maintenance.
  • c) Il n'est pas nécessaire de procéder au nettoyage quotidien du four lorsque l'on coule de la fonte nodulaire. Le fait qu'il n'y ait pas de chauffage à induction a pour résultat qu'il ne se produit pas d'excroissances localisées de silicates de magnésium dans les bouches des canaux de chargement et de coulée.
  • d) L'équipement nécessaire pour le chauffage au plasma ne fait pas monter le coût des installations actuelles, celui-ci pouvant même, dans certains cas, être sensiblement inférieur.
  • e) Le préchauffage du four à vide peut s'effectuer à l'aide d'une lance thermique (gaz, oxygène).
  • f) La torche au plasma peut s'installer sur les fours actuels sans qu'il soit nécessaire pour cela de procéder à des réformes ou modifications de conception.
  • g) Si l'installation de la torche se fait sur le couvercle du four, ceci donnera une plus grande liberté de conception, en optimisant le rendement énergétique.
    • La présente invention préconise une four de coulée pour moulage automatique perfectionné, comportant notamment un trou de coulée-tuyère de chargement du métal en état de pré-inoculation, un gaz de pressurisation dans la benne et, pour le moins, une tuyère de coulée et de chargement du métal de moulage et se caractérisant par le fait qu'au dessus du niveau du métal dans la benne sont disposés dans le four de coulée, pour le moins, une torche à plasma thermique stabilisé de préférence en employant le même gaz que celui utilisé pour pressuriser le four et, au moins, une entrée/sortie de gaz, ledit ou lesdits gaz étant à la fois plasmagéne/s et inerte/s vis à vis du métal coulé.
    La figure 1 est une vue en coupe en verticale du four de moulage déjà connu avec une superposition d'une réalisation pratique de l'objet de l'invention, qui en facilite la compréhension.
    Un four conventionnel se compose d'un trou de coulée (1) pour le chargement de métal, par exemple à 1430°C, déjà traité, par exemple, au ferro-silicium-magnésium, qui descend par la tuyère de chargement (2) jusqu'à la benne (3) où se dispose inférieurement un inducteur (4) qui apporte de l'énergie en maintenant la coulée à la température souhaitée.
    La benne (3) est fermée par le couvercle (5) dans lequel est pratiquée une entrée/sortie (11) d'un gaz (g) de pressurisation, par exemple N2.
    Sous la pression du gaz de pressurisation, la coulée s'élève par la tuyère de coulée (6) vers les moules (7). Le tout dans une gaine de réfractaire.
    A la jonction (8) de la tuyère de chargement (2) et de la benne (3), ainsi que dans les canaux (9) autour de l'inducteur (4), des sels tendent à s'accumuler, par exemple des silicates de magnésium qui entravent la circulation de la coulée et la transmission thermique.
    L'invention élimine l'inducteur (9) avec toutes ses conséquences et introduit comme élément fondamental une ou plusieurs torche(s) au plasma (10).
    Pour éviter des concentrations énergétiques à la surface (s) de la coulée dans la benne (3) on dote la torche (10) d'un mouvement de sorte que le jet de plasma se déplace sur ladite surface (s).
    Le gaz inerte (N2, argon, etc.) utilisé avec le plasma peut être le même que celui de pressurisation.
    Pour augmenter l'économie d'énergie on a prévu que lorsque le four, par exemple un lundi matin, sera froid, on préchauffera grâce à une lance thermique à oxycombustion, que cette phase peut remplacer physiquement la torche dans l'espace (10), c'est-à-dire, qui s'introduit par l'orifice supérieur (12).
    Le fonctionnement de l'unité en opération de coulée serait le suivant
  • 1) Préchauffage de la benne. En partant d'un four froid on procède au chauffage de la benne jusqu'à une température appropriée pour recevoir le métal liquide, par exemple 1200÷1300°C, en évitant ainsi les problèmes dérivés de l'inévitable choc thermique qui se produit durant le chargement. Ce chauffage se réalise au moyen d'une lance thermique à oxycombustion (GLP et oxygène).
  • 2) Chargement du four. Une fois terminé le préchauffage, on remplit le four du métal déjà traité et en état de pré-inoculation. Durant la phase de chargement, la vanne de décompression de la benne reste ouverte (11 ou 12).
  • 3) Coulée. Lorsque l'on a procédé au chargement, on ferme la vanne de décompression et l'on initie l'injection de gaz de pressurisation sur la voûte (étanche) principale du four. La pression oblige le métal à monter par les tuyères de coulée et de chargement jusqu'à atteindre le niveau de bain approprié pour la première coulée. A partir de cet instant, l'unité est prête pour le chargement des moules.
  • 3 bis) Dans cette phase de coulée et au cas où les capteurs de température (11), ou éléments équivalents, détecteraient un besoin d'apport énergétique, on chaufferait la coulée à la torche au plasma (10) en employant du gaz de pressurisation (g) à ce moment à l'état de plasma.
    • L'allumage de la torche (10) peut se temporiser à volonté.
    La disposition et le nombre de torches au plasma (10), leur nature, par exemple à électrode de graphite (13), les orifices sur le couvercle (5), les entrées et sorties de gaz, peuvent être d'une sorte ou d'une autre, sans altérer pour autant l'invention telle que définie par les revendications jointes.

    Claims (5)

    1. Four de coulée pour moulage automatique comportant, au minimum, un trou de coulée-tuyère de chargement du métal en état de pré-inoculation, un gaz de pressurisation dans la benne et, pour le moins, d'une tuyère de coulée et de chargement du métal de moulage, se caractérisant par le fait qu'au dessus du niveau du métal dans la benne sont disposés dans le four de coulée, au moins, une torche à plasma thermique stabilisé de préférence en employant le même gaz que celui utilisé pour pressuriser le four, ledit ou lesdits gaz étant á la fois plasmagénes et inertes vis á vis du métal coulé et, au minimum, une entrée/sortie de gaz.
    2. Four de coulée pour moulage automatique, selon revendication antérieure, se caractérisant par le fait que le four de coulée dispose au dessus du niveau du métal dans la benne d'une lance thermique à oxycombustion.
    3. Four de coulée pour moulage automatique, selon revendications antérieures, se caractérisant par le fait que le jet énergétique de la torche au plasma se déplace au dessus du niveau du métal.
    4. Four de coulée pour moulage automatique, selon revendications antérieures, se caractérisant par le fait que la torche au plasma se met en place sur le couvercle du four.
    5. Procédé automatique de moulage, se caractérisant par le fait que dans un four de moulage décrit dans les revendications 1, 2, 3, et 4, on prévoit que compte tenu que le four de coulée est froid, on le préchauffe à la lance thermique à oxycombustion jusqu'à une température appropriée pour recevoir le métal liquide, en procédant si besoin postérieurement, le métal étant déjà dans le four, à l'apport énergétique de maintien à température au moyen de la torche au plasma thermique et disposant aussi des moyens pour introduire et maintenir le gaz sous pression dans le four.
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