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" TUYAUX EN FONTE ET PROCEDE POUR LES FABRIQUER "
Cette invention a trait à la fabrication des tuyaux ou pièces annulaires en fonte de fer par le procédé bien connu dans lequel le métal fondu est coulé sous forme d'un tuyau dans un moule centrifuge métallique refroidi extérieurement et dans lequel la pièce de fonte ainsi constituée est ensuite soumise à un recuit pour décomposer les composés de carbone combinés qui communiquent au tuyau la dureté qui caractérise son refroidissement. L'objet de l'invention est en premier lieu d'établir par moulage centrifuge un tuyau de fonte recuit de ductilité notablement augmentée et, par conséquent, moins fragile que les tuyaux qui avaient été fabriqués jusqu'à ce jour par le procédé décrit.
L'invention a en outre pour objet un procédé de fabrication perfectionné de tuyaux de ce genre par lequel des tuyaux de qualité et de caractéristiques améliorées peuvent être fabriqués industriellement.
Les tuyaux tels qu'ils sont moulés dans un moule
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centrifuge refroidi à l'aide des fontes dont on se sert habituellement dans le moulage centrifuge possèdent usuellement la structure suivante . La partie située le plus à l'extérieur du tuyau , c'est-à-dire celle qui s'étend sur une distance variable de la surface externe vers l'intérieur, est principalement composée de ce qui semble être un eutectique de carbure de fer avec de l'austénite à divers stades de décomposition, parsemé dans toute sa masse de fines particules de phos- phure de fer .La composition de la fonte change d'une façon perceptible à mesure qu'on se rapproche des parties centrales et internes de la paroi tubulaire.
Il existe généralement une transition graduelle entre les caracté- ristiques de la partie externe du tuyau et celles de la partie interne où la texture peut comprendre un eutectique de ferrite , de perlite et de phosphure. La partie de la paroi du tuyau située le plus à l'intérieûr est généralement graphitique. La profondeur de la partie refroidie et les caractéristiques des autresparties du tuyau varient avec ;, la composition de la fonte, l'épaisseur du tuyau et d'autres facteurs bien connus de l'homme du métier.
Pour diminuer la dureté et la fragilité des tuyaux de fonte ainsi que pour éliminer ou modifier les efforts internes susceptibles d'y avoir été engendrés , il était de pratique courante de recuire les tuyaux. Toutefois, les méthodes de recuit telles qu'elles ont été appliquées jusqu'à ce jour employaient des températures et périodes de chauffage telles que le carbone combiné ne pouvait pas être réduit au pourcentage de tolérance admis soit 0,15 % au moins, sans provoquer en même temps la dissolution
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d'une quantité excessive de phosphore. La demanderesse a découvert que ,d'une façon générale , la ductilité de la pièce coulée est d'autant plus grande que le pourcentage de phosphore dissous dans la fonte est plus petit.
Une caractéristique plus particulière de la présente invention réside par conséquent dans un procédé de recuit par lequel on peut sensiblement éliminer le carbone combiné d'un tuyau de fonte refroidi tout en empéchant la dissolution de plus de 65 % environ du phosphore ; et le présent procédé comprend un cycle de recuit dans lequel la température du tuyau est élevée à une valeur suffisante pour commencer la décomposition du carbone combiné, ce chauffage étant suivi d'un refroidissement rapide jusqu'à une température à laquelle le carbone combiné restant continue à se décomposer mais à laquelle le phosphore ne se dissout pas à un degré appréciable dans la fonte.
Pour mettre en pratique le présent procédé, un four du type général décrit dans le brevet américain délivré au nom de Clark sous le N 1. 856.863 en date du 3 mai 1932 est satisfaisant. Le four employé possède ënviron 19 mètres de longueur. Il est muni de brûleurs à huile et d'ouvertures de ventilation permettant de régler la température des différentes zones à travers lesquelles le tuyau passe dans son mouvement de l'une à l'autre des ouvertures d'entrée et de sortie prévues aux extrémités.
Pour recuire des tuyaux d'environ 10 centimètres de diamètre avec une épaisseur de paroi d'environ 8 millimètres, lesquels tuyaux avaient été moulés dans un moule
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centrifuge refroidi et possédaient la structure précédemment décrite , on a adopté le mode opératoire suivant :
Après avoir enlevé le tuyau du moule à une température voisine de 649 C , on place ce tuyaudans le four à recuire.
On élève la température de la pièce à environ 937 C au cours d'une période de 13 minutes environ et l'on maintient cette température pendant environ 5 minutes pour effectuer un commencement suffisant de décomposition des carbures les plus réfractaires, On refroidit alors progressivement la température de la pièce à une température comprise entre 787 C et 731 C environ , ce refroidissement pouvant être effectué d'une façon satisfaisante au cours d'une période de 7 minutes environ . On maintient la pièce à cette dernière échelle de températures pendant environ 5 minutes ou jusqu'à ce que le carbone combiné ait été réduit à 0,15 % environ de la masse de la pièce.
Le traitement restant consiste uniquement dans la préparation du tuyau en vue de son refroidissement par l'air sans risque de résultats nuisibles et consiste à refroidir progressivement la pièce de 731 C à 6490 C et à la refroidir @ alors dans l'air.
Pour recuire un tuyau de composition similaire ayant environ 61 centimètres de diamètre et une paroi de 20 millimètres environ d'épaisseur , on chauffe le tuyau, à partir d'une température d'entrée de 649 C environ , à une température de 926 C environ , au cours d'une période de 27 minutes ; et l'on a trouvé recommandable , pour assurer le commencenent de décomposition des carbures les plus réfractaires , de maintenir la pièce pendant environ 10 minutes à une température comprise entre 8990 C et 9370 C.
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On refroidit alors la pièce de cette échelle de températures élevées à environ 787 C,ce refroidissement étant effectué progressivement au cours d'une période d'environ 16 minutes ; puis,, pour effectuer une décomposition sensible du carbone combiné restant , on maintient la température de la pièce entre 787 et 7310 C pendant environ 10 minutes.
On la refroidit alors progressivement jusqu'à 6490 C , puis dans l'air.
Pour recuire des tuyaux de plus grand diamètre et de parois plus épaisses , on augmente les périodes d'exposition aux différentes températures ,mais les résultats des présentes recherches ont abouti à cette conclusion qu'on peut obtenir des résultats satisfaisants en effectuant le recuit des tuyaux les plus gros et les plus lourds de la façon suivante : On élève la température de ces tuyaux au cours d'une période n'excédant pas environ 40 minutes jusqu'à une valeur comprise entre l'échelle initiale de 899 et 9370 C. On maintient la température des tuyaux entre les limites de cette échelle pendant un temps n'excédant pas environ 15 minutes , puis on la diminue progressivement jusqu'à 787 C au cours d'une période n'excédant pas 24 minutes.
On maintient alors la température de la pièce entre 787 et 731 C environ pendant une période n'excédant pas environ 16 minutes. Dans le cas de tuyaux très lourds, la période de refroidissement de 731 à 6490 C peut s'élever jusqu'à 14 minutes , de façon à préparer convenablement la pièce en vue de son refroidissement à l'air.
Le présent procédé permet d'établir un tuyau recuit dont le carbone combiné est sensiblement éliminé et dont la proportion de phosphore à l'étatdissous n'est pas supérieure à 65 % environ de la teneur totale en phosphore.
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On remarquera que le but envisagé est de décomposer le carbone combiné tout en maintenant le phosphore hors de la solution dans une mesure aussi grande que cela est prati- cable dans des opérations industrielles. Pour réduire la quantité de phosphore passant dans la solution , on chauffe la pièce aussi rapidement que cela est pratiquement possible à une température comprise entre 899 et 9370 C et on ne la maintient entre ces limites de température que pendant un temps suffisant pour commencer la décomposition des carbures les plus réfractaires , puis on ré duit la température aussi rapidement que cela est pratiquement possible à une valeur comprise entre 787 et 731 C .
Il importe que la pièce ne soit maintenue entre'ces limites de 787 à 7310 C que pendant un temps tel qu'il en résulte l'élimination à peu près complète du carbone combiné , par exemple dans une mesure ntexcédant pas 0,15 % environ de la masse du métal.
Le tuyau recuit suivant l'invention a conservé la texture cristalline qui est particulière au tuyau sortant du moule refroidi. La teneur en phosphore que la texture de la pièce retient sous forme de phosphure de fer à l'état non dissous et (ou) d'eutectique de fer-phosphure n'est pas inférieure à environ 35 % de sa teneur totale en phosphore à l'état dissous et n'excède pas 65 % environ de cette dernière. De plus, le carbone combiné est réduit à une valeur relativement faible,soit approximativement 0,15 % de la masse de métal.
Les pourcentages spécifiés précédemment eu égard à la quantité de phosphore passant dans la solution et à la quantité de carbone combiné restant ne sont indiqués qu'à
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titre d'exemples de résultats réalisés dans des opérations industrielles. Ces résultats peuvent être améliorés par le recuit de tuyaux d'une épaisseur différente , en particulier de tuyaux plus minces , et en établissant des appareils permettant d'effectuer le chauffage et le refroidissement plus rapidement.
Le présent procédé est applicable à toutes les fontes couramment employées dans le moulage centrifuge des tuyaux, contenant du phosphore et dont la teneur en silicium n'est pas trop élevée pour empêcher un refroidis- sement . Ces fontes rentrent habituellement dans les limites de la composition suivante :
C Si S Mn p 3-3,85 1;20-3 0,05-0,15 0,20-0,80 0,20-2 ., @ @ @ '
Une fonte typique qui a.été employée avec succès est la suivante
C Si S Mn P
3,77 1,80 0,076 0,57 0,50
Des essais physiques comparatifs ont démontré que le tuyau possède une ductilité notablement supérieure à celles des pièces coulées à l'aide d'une fonte similaire et ayant été soumise au recuit par les procédés connus et appliqués jusqu'à ce jour.
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"CAST IRON PIPES AND METHOD FOR MAKING THEM"
This invention relates to the manufacture of pipes or annular pieces of cast iron by the well known process in which the molten metal is cast in the form of a pipe in an externally cooled metallic centrifugal mold and in which the cast piece thus formed is then subjected to annealing to break down the combined carbon compounds which impart to the pipe the hardness which characterizes its cooling. The object of the invention is in the first place to establish by centrifugal casting an annealed cast iron pipe of significantly increased ductility and, therefore, less brittle than the pipes which had been manufactured to date by the method described.
The invention further relates to an improved method of manufacturing such pipes by which pipes of improved quality and characteristics can be produced industrially.
The pipes as they are cast in a mold
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Centrifugal cooled using cast irons which are customarily used in centrifugal casting usually have the following structure. The outermost part of the pipe, that is, that which extends a variable distance from the outer surface inward, is mainly composed of what appears to be a carbide eutectic of iron with austenite in various stages of decomposition, scattered throughout its mass with fine particles of iron phosphide. The composition of the cast iron changes noticeably as one approaches the central and internal parts of the tubular wall.
There is generally a gradual transition between the characteristics of the outer part of the pipe and those of the inner part where the texture may include a eutectic of ferrite, perlite and phosphide. The innermost part of the pipe wall is usually graphitic. The depth of the cooled portion and the characteristics of other portions of the pipe will vary with the composition of the cast iron, the thickness of the pipe and other factors well known to those skilled in the art.
To reduce the hardness and fragility of cast iron pipes as well as to eliminate or modify the internal forces which may have been generated therein, it was common practice to anneal the pipes. However, annealing methods as they have been applied to date have employed temperatures and heating periods such that the combined carbon could not be reduced to the permitted tolerance percentage of at least 0.15% without causing at the same time the dissolution
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an excessive amount of phosphorus. The Applicant has discovered that, in general, the ductility of the casting is all the greater the smaller the percentage of phosphorus dissolved in the cast iron.
A more particular feature of the present invention therefore resides in an annealing process whereby the combined carbon can be substantially removed from a cooled cast iron pipe while preventing the dissolution of more than about 65% of the phosphorus; and the present method comprises an annealing cycle in which the temperature of the pipe is raised to a value sufficient to begin the decomposition of the combined carbon, this heating being followed by rapid cooling to a temperature at which the remaining combined carbon continues. to decompose but in which the phosphorus does not dissolve to any appreciable degree in the iron.
In order to practice the present process, an oven of the general type described in US patent issued to Clark under No. 1,856,863 dated May 3, 1932 is satisfactory. The oven used is approximately 19 meters in length. It is equipped with oil burners and ventilation openings to adjust the temperature of the different zones through which the pipe passes in its movement from one to the other of the inlet and outlet openings provided at the ends.
For annealing pipes of about 10 centimeters in diameter with a wall thickness of about 8 millimeters, which pipes had been molded in a mold
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centrifugal cooled and had the structure described above, the following procedure was adopted:
After removing the pipe from the mold at a temperature of around 649 C, this pipe is placed in the annealing oven.
The temperature of the room is raised to about 937 C over a period of about 13 minutes and this temperature is maintained for about 5 minutes to effect a sufficient commencement of decomposition of the more refractory carbides. The chamber is then gradually cooled. room temperature to between about 787 C and 731 C, which cooling can be done satisfactorily over a period of about 7 minutes. The part is held at this latter temperature scale for about 5 minutes or until the combined carbon has been reduced to about 0.15% by mass of the part.
The remaining treatment consists only of preparing the pipe for cooling with air without risk of adverse results and consists of gradually cooling the part from 731 C to 6490 C and then cooling it in air.
To anneal a pipe of similar composition about 61 centimeters in diameter and a wall about 20 millimeters thick, the pipe is heated from an inlet temperature of about 649 C to a temperature of about 926 C , over a period of 27 minutes; and it has been found advisable, to ensure the onset of decomposition of the more refractory carbides, to maintain the part for about 10 minutes at a temperature between 8990 C and 9370 C.
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The part of this high temperature scale is then cooled to about 787 ° C., this cooling being carried out gradually over a period of about 16 minutes; then, to effect substantial decomposition of the remaining combined carbon, the room temperature is maintained between 787 and 7310 C for about 10 minutes.
It is then cooled gradually to 6490 C, then in air.
To anneal larger diameter pipes with thicker walls, the periods of exposure to different temperatures are increased, but the results of the present research have led to the conclusion that satisfactory results can be obtained by annealing the pipes. the largest and heaviest as follows: The temperature of these pipes is raised over a period not exceeding about 40 minutes to a value between the initial scale of 899 and 9370 C. On maintains the temperature of the pipes within the limits of this scale for a time not exceeding about 15 minutes and then gradually decreasing it to 787 ° C over a period not exceeding 24 minutes.
The temperature of the room is then maintained between approximately 787 and 731 C for a period not exceeding approximately 16 minutes. In the case of very heavy pipes, the cooling period from 731 to 6490 C can be up to 14 minutes, in order to properly prepare the part for air cooling.
The present process enables an annealed pipe to be established from which the combined carbon is substantially removed and the proportion of dissolved phosphorus of which is not more than about 65% of the total phosphorus content.
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It will be appreciated that the intended object is to decompose the combined carbon while keeping the phosphorus out of solution to as great an extent as is practicable in industrial operations. To reduce the amount of phosphorus passing through the solution, the part is heated as quickly as practically possible to a temperature between 899 and 9370 C and only kept between these temperature limits for a time sufficient to begin decomposition. of the more refractory carbides, then the temperature is reduced as quickly as practically possible to a value between 787 and 731 C.
It is important that the part be held within these limits of 787 to 7310 C only for such a time as to result in the almost complete elimination of the combined carbon, for example to an extent not exceeding about 0.15%. of the mass of the metal.
The annealed pipe according to the invention has retained the crystalline texture which is peculiar to the pipe emerging from the cooled mold. The phosphorus content which the texture of the part retains as undissolved iron phosphide and / or iron-phosphide eutectic is not less than about 35% of its total phosphorus content at the dissolved state and does not exceed about 65% of the latter. In addition, the combined carbon is reduced to a relatively low value, approximately 0.15% of the metal mass.
The percentages specified above with regard to the amount of phosphorus passing through the solution and the amount of combined carbon remaining are only indicated
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as examples of results achieved in industrial operations. These results can be improved by annealing pipes of different thickness, especially thinner pipes, and by establishing devices which allow heating and cooling to be carried out more quickly.
The present process is applicable to all cast irons commonly employed in centrifugal pipe molding, containing phosphorus and having a silicon content not too high to prevent cooling. These fonts usually fall within the limits of the following composition:
C Si S Mn p 3-3.85 1; 20-3 0.05-0.15 0.20-0.80 0.20-2., @ @ @ '
A typical font that has been used successfully is as follows
C Si S Mn P
3.77 1.80 0.076 0.57 0.50
Comparative physical tests have shown that the pipe has significantly greater ductility than parts cast using similar iron and having been annealed by known methods and applied to date.