DISPOSITIF D'INTRODUCTION TARDIVE D'ALLIAGE PARTICULAIRE LORS DE LA COULEE D'UN METAL LIQUIDE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne un dispositif et un procédé d'introduction tardive d'alliage particulaire (poudre ou grain) lors de la coulée d'un métal liquide (en général la fonte).
ETAT DE LA TECHNIQUE
L'invention est surtout destinée à la coulée discontinue de pièces de forme en séries de moyenne et grande importance dans des moules obtenus par machines automatiques.
On sait qu'il est avantageux de procéder à l'introduction tardive des agents de traitements de la fonte (nodulisants et/ou inoculants) pour obtenir une qualité la plus reproductible possible des pièces de fonte coulées et un bon rendement des agents de traitement utilisés, en particulier quand l'agent contient du magnésium volatil et difficilement soluble dans la fonte liquide.
Ladite introduction tardive peut être effectuée dans une poche de coulée juste avant la coulée; mais ceci entraîne un rendement et une régularité de qualité des pièces coulées insuffisants.
On peut également utiliser la technique "en moule" (connue également sous l'appellation "in mold") qui consiste à prévoir à l'entrée du moule de coulée un logement dans lequel sera disposé l'agent de traitement de façon à ce qu'il soit dissous régulièrement par la fonte en fusion entrant dans le moule. Cette technique est efficace mais également longue et difficile à mettre en oeuvre, notamment il faut étudier soigneusement la configuration de la géométrie des canaux d'amenée de la fonte afin d'éviter l'entraînement éventuel d'inclusions endogènes ou exogènes au sein de la pièce coulée.
Cette technique est de préférence réservée aux grosses séries qui permettent d'amortir la mise au point du moule.
On connaît également par le document FR 2 588 571, un dispositif où l'agent de traitement est introduit à l'aide d'un gaz sous faible pression dans une chambre de traitement close, également sous faible pression, dans laquelle se trouve du métal liquide à traiter et à couler. Un tel dispositif sous pression permet une bonne dissolution des agents, notamment Mg, et l'obtention d'une bonne qualité des pièces coulées mais il pose des problèmes d'exploitation (encrassement, bouchage des évents, accumulation intempestive d'agent non dissous ...) lorsqu'on veut opérer des coulées discontinues en série.
Un dispositif analogue est connu par les documents EP 30220 ou BE 639410. L'agent de traitement est additionné, à l'aide d'un gaz vecteur, à la surface de la fonte liquide mise en mouvement sous forme de vortex à l'intérieur d'une chambre. Dans EP 30220 il est préférable de fermer ladite chambre par un couvercle étanche de façon à améliorer le rendement d'utilisation de l'agent quand il est volatil (par exemple s'il contient du magnésium). Ce dispositif, utilisé pour des coulées discontinues en séries avec interruption fréquente du jet de métal entre deux coulées, présente le même type d'inconvénients que précédemment et nécessite la présence d'une chambre étanche sous pression pour faciliter l'introduction de l'agent volatil et améliorer son rendement et la qualité d'homogénéité des coulées.
On sait aussi que pour introduire un agent de traitement dans la fonte liquide on peut utiliser des cannes immergées dans lesquelles l'agent est propulsé par un gaz vecteur ; mais cela nécessite d'avoir toujours une quantité minimum importante (culot) de métal liquide et par ailleurs le gaz vecteur est une source considérable de refroidissement, donc de solidification dudit métal liquide.
OBJET DE L'INVENTION
Face à ces problèmes la demanderesse a recherché un dispositif simple d'emploi, et facilement adaptable en particulier à la coulée discontinue de petites séries de pièces avec introduction tardive d'agents de traitement, notamment ceux comportant des éléments volatils, comme le Mg, et/ou peu solubles dans le métal liquide.
Elle a également recherché un procédé améliorant les rendements d'utilisation de l'agent de traitement ajouté et la constance de la qualité des pièces coulées obtenues.
L'invention est un dispositif d'introduction tardive d'alliage particulaire lors d'une coulée de métal liquide caractérisé en ce qu'il comporte une veine de métal liquide d'épaisseur suffisante, confinée et en mouvement dans une chambre de mélange et un moyen d'introduction, non immergé, dans ladite veine de particules d'alliage donnant aux dites particules une vitesse et une énergie suffisantes pour qu'elles pénètrent profondément à l'intérieur du métal liquide dans la zone d'épaisseur suffisante, ladite zone étant située à proximité d'un orifice de coulée.
Le dispositif selon l'invention est généralement placé entre une poche ou un four de coulée contenant le métal liquide à traiter et couler, et le ou les moules devant recevoir ledit métal.
Le dispositif est particulièrement adapté à l'introduction d'alliage particulaire peu soluble dans le métal liquide et/ou contenant un élément volatil, lors de coulées discontinues de séries de pièces, c'est-à-dire avec arrêt de la coulée du métal liquide entre chaque pièce coulée. En effet dans le cas d'un élément d'addition très volatil, comme le magnésium, il est très important que la vitesse des particules et leur profondeur de pénétration soient suffisantes pour que ledit élément très volati ne se libère et réagisse qu'au sein du métal liquide pour améliorer la qualité du métal traité et le rendement de l'addition.
La veine de métal liquide circulant dans la chambre de mélange, de préférence à débit constant, doit avoir une épaisseur suffisante au droit de la zone d'injection des particules de façon à ce que ladite épaisseur soit supérieure à la profondeur de pénétration des particules (par exemple d'au moins 30%); elle doit être confinée de façon à ce que le métal liquide ne soit pas dispersé lors de l'injection des particules.
En effet une injection dans un jet de métal liquide coulant à l'air libre ne convient pas, car il se produit généralement un mélange insuffisant et une dispersion du jet de métal liquide dès que l'on cherche par exemple à
augmenter la vitesse d'injection des particules à l'aide d'un gaz vecteur, ce qui empêche finalement l'introduction des particules dans le métal liquide et le remplissage du moule de la pièce à couler.
La veine de métal liquide s'évacue rapidement, une fois traitée, de la chambre de mélange par un orifice de coulée situé dans le fond en alimentant le moule de la pièce à couler.
Il est avantageux que ladite veine de métal liquide d'épaisseur suffisante soit constituée par un vortex obtenu à l'aide d'un chenal d'amenée de métal liquide, par gravité, qui débouche tangentiellement à la périphérie d'une chambre de mélange de révolution (cylindrique ou tronconique) ouverte par le haut, et à proximité de la partie inférieure de ladite chambre dont le fond est en général profilé de façon à faciliter la formation dudît vortex. Ledit fond comporte l'orifice de coulée par où s'écoule le métal liquide traité.
L'alliage particulaire est introduit dans la veine de métal liquide en général à l'aide d'une canne nécessairement non immergée dans le métal liquide. Cette canne est alimentée par un gaz vecteur à grande vitesse, de préférence inerte vis à vis du métal coulé, qui véhicule l'alliage particulaire, de telle sorte que ledit alliage sorte de la canne, ou de tout autre moyen d'introduction, avec une vitesse ou une énergie suffisante pour pénétrer, par projection violente, en général d'une profondeur d'au moins 1 cm à l'intérieur du métal liquide et de préférence environ 2 cm.
On note que la profondeur de pénétration des particules reste nettement supérieure à celle du gaz vecteur; on évite ainsi tout refroidissement ou éparpille ent rédhîbitoire du métal liquide.
L'alimentation de la veine de métal liquide peut être faite à partir d'une poche de coulée de grandes dimensions par l'intermédiaire d'un entonnoir équipé d'une buse de sortie calibrée pour régler le débit de métal liquide ou à partir d'un système d'alimentation automatique de moules de coulée.
La chambre de mélange peut être équipée d'un orifice de trop-plein.
Il est important d'orienter convenablement le jet de particule par rapport à l'écoulement du métal liquide, en tenant compte des caractéristiques dudit écoulement: vitesse, géométrie, caractéristiques physiques du métal liquide...
La canne de projection peut être branchée directement sur un conteneur d'alliage particulaire alimenté par un gaz vecteur dont le débit et la pression sont suffisants pour donner audit alliage l'énergie nécessaire de pénétration dans le métal liquide. La vitesse des grains est de l'ordre de 10 m/sec.
Mais il est préférable d'utiliser une canne équipée d'un système propre d'éjection. Dans ce cas il est possible de la relier d'une part à un conteneur d'alliage particulaire quelconque, n'ayant pas besoin d'être mis sous pression, par l'intermédiaire d'un distributeur (par exemple vibrant ou alvéolaire ou à guillotine), et d'autre part à une source de gaz vecteur sous pression.
La figure 1 représente une illustration non limitative d'un dispositif conforme à l'invention, utilisant un vortex, selon une coupe verticale ; il est équipé d'un entonnoir d'alimentation en métal liquide.
La figure 2 représente le même dispositif vu de dessus, mais sans 1 'entonnoir.
La figure 3 représente une canne de projection par gaz vecteur, équipée d'un dispositif d'éjection donnant de la vitesse aux particules d'alliage tout en permettant un ralentissement important du gaz à la sortie.
Sur la figure 1 on voit en (1) le chenal d'amenée de métal liquide (par exemple fonte) vers la chambre de mélange (2). Le chenal débouche en (3) tangentiellement à la périphérie de la chambre et à proximité immédiate de la zone de vortex (4) prolongée par l'orifice de coulée (5). La chambre est ici de forme tronconique, possède une large ouverture (6) à sa partie supérieure et un orifice de trop-plein (7). On voit en (8) la canne non immergée d'introduction à grande vitesse de l'alliage particulaire dans le
métal liquide du vortex. En (9) a été installé un entonnoir permettant d'alimenter le chenal (1) à partir d'une poche de coulée importante non représentée.
Sur la figure 2, où l'entonnoir n'est pas figuré, on voit en (1) le chenal débouchant tangentiellement en (3) dans la chambre de mélange (2), en (4) la zone de vortex, en (5) l'orifice de coulée, en (6) l'ouverture supérieure, en (7) le trop-plein et en (8) l'emplacement de la canne non immergée d'introduction de l'alliage particulaire.
Sur la figure 3, illustrant une canne d'introduction de particules équipée d'un système d'éjection donnant la vitesse suffisante aux particules pour pénétrer profondément dans le métal liquide, on voit en (11) le tube d'arrivée de particules relié au réservoir de particules qui peut être un simple conteneur et n'a pas besoin d'être un réservoir sous pression de gaz ; cette liaison est de préférence faîte par l'intermédiaire d'un distributeur-doseur de particules (non représenté); en (12) une arrivée de gaz réglable (en général azote) située à hauteur de l'arrivée des particules ; en (13), en aval, un rétrécissement de la veine de fluide du type venturi, suivi d'un ëvasement (14) du diamètre du tube de sortie (15) de la canne d'introduction non immergée.
Le rétrécissement (13) permet au flux de gaz amené par le tube d'amenée (12) de donner l'énergie nécessaire aux particules solides, tandis que Tëvasement (14) associé à la faible longueur du tube de sortie (15) permet de ralentir le gaz tout en conservant la vitesse des particules.
Le dispositif selon l'invention permet ainsi de réaliser des séries de coulées discontinues avec introduction tardive d'additifs, sur tous types de moules, sans encrassement ni accumulation néfaste d'additif dus aux arrêts répétés de la coulée discontinue, et sans risque excessif d'un refroidissement dû au gaz vecteur.
Il peut être aisément intercalé entre une poche de coulée ou un appareil d'alimentation automatique de coulée et les moules sans précaution ou mise au point particulière, ce qui en fait un appareil simple d'emploi. Il est adaptable à tous types de fonderies, notamment celles utilisant des
machines automatiques de production de moules en série.
Ce dispositif peut être équipé de différents organes de régulation (robinets d'alimentation en métal liquide à ouverture et/ou débit réglable et/ou asservis, mesures de débit de métal liquide, de poudre, de gaz, détection de niveau, temporisateur d'introduction de poudre etc..) permettant d'optimiser les conditions de coulées : par exemple la coulée d'une quantité prédéterminée de métal liquide, l'introduction d'une quantité d'alliage dosée correspondante, au moment opportun et pendant une durée voulue.
Des perfectionnements sont possibles:
- afin d'éviter une trop grande dispersion du jet de métal liquide à la sortie du trou de coulée du dispositif, il est avantageux que ce trou ait une section polygonale, par exemple carrée;
- l'entretien de la propreté du trou de coulée peut se faire automatiquement, entre les coulées, en faisant transiter dans le trou de coulée un outil de section identique à celle dudit trou de coulée, manoeuvré par exemple par un vérin, ce ringardage est effectué à intervalle régulier selon une fréquence variable;
- pour simplifier ses nettoyages ëpisodiques, la chambre de mélange peut être constituée de deux parties obtenues en la coupant selon un plan vertical, passant de préférence par le trou de coulée, représenté par sa trace AA sur la figure 2; ces deux parties sont en général assemblées par des moyens de fixation rapide.
Bien qu'il puisse être utilisé pour tous types de métal liquide et tous types d'additifs pulvérulents, il est particulièrement adapté au traitement tardif de nodulisation et/ou d'inoculation des fontes de moulage, par exemple à l'aide d'alliage Fe Si Mg contenant de 40 % à 75 % de Si, et de 3 à 30% de Mg.
Il permet également d'améliorer quantitativement et qualitativement le rendement d'introduction d'alliages peu solubles et/ou volatils, tels ceux contenant du magnésium, c'est-à-dire en améliorant simultanément le niveau
du rendement et sa régularité d 'une coulée à l ' autre.
EXEMPLE
On comparera les résultats de rendements d'introduction de magnésium en grandeur et stabilité obtenus avec un dispositif selon l'invention et selon l'art antérieur.
On a utilisé, dans les deux cas, la même fonte caractérisée par l'analyse chimique suivante :
C 3,7 %
Si 2,7 %
S 0,008 %
Fe solde
et qui a servi à couler des lingotins de 15 kg.
L'alliage de traitement utilisé a la composition suivante :
et sa granulométrie est comprise entre 0,2 et 2 mm.
La quantité introduite est de 1,1 % du poids de fonte coulée.
ESSAI 1
Dans cet essai on a utilisé un dispositif de coulée illustrant l'art antérieur. On forme un vortex à l'aide d'un dispositif conforme à celui illustré par les fig. 1 et 2 par contre on alimente l'alliage en utilisant un doseur alvéolaire à pression atmosphérique relié à un tube de distribution véhiculant, à l'aide d'un gaz porteur, ledit alliage sur le vortex de fonte liquide.
Dans les lingotins obtenus, on note un rendement (exprimé par le rapport entre la quantité de magnésium observée dans la fonte et la quantité de
magnésium introduite) s'échelonnant entre 35 et 60 % ; -de plus pour les rendements inférieurs à 45 % le graphite de la fonte ©btenue n'est pas totalement nodulaire ce qui altère les propriétés de la fonte.
Les mauvais rendements sont dus à des irrégularités de dissolution qui se traduisent par un encrassement du dispositif de coulée.
ESSAI 2
Dans cet essai on a utilisé un dispositif de coulée selon l'invention, conforme à celui illustré dans les figure 1 et 2, l'alliage étant introduit en profondeur dans le vortex à l'aide d'une canne de projection non immergée conforme à celle illustrée dans la figure 3 et procurant une grande vitesse aux grains d'alliage. La canne est alimentée par le même doseur alvéolaire que dans l'essai 1.
La vitesse des gaz à la sortie de la canne de projection est de 20 m/s et les grains pénètrent à environ 1 cm de profondeur dans la fonte liquide du vortex.
Dans les lingotins obtenus on note un rendement s'échelonnant entre 50 et 65 % en amélioration significative en valeur et en dispersion ; on obtient dans tous les cas une structure de graphite totalement nodulaire.
La qualité de la fonte s'en trouve notablement améliorée.