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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une demande de BREVET D'INVENTION "Perfectionnements apportés à l'appareillage pour la fabrication de produits à partir de matières fondues"
La présente invention se rapporte à un appareil pour la fabrication de produits à partir de matières fondues et plus particulièrement pour la fa. brioation de produits continus, solides et tubulaires à partir de métaux, alliages et autres matières.
La plupprt des produits métallisée ob- tenue jusqu'ici provenaient de métal fondu qui avait été versé dans une lingotière, dans un moule de coulée au sable, dans une matrice ou entre des cylindres de fomation pendant que ce métal se trouvait à l'état liquide.
Lorsque la température diminuait, le métal fondu passait à l'état solide, les costaux solides se formant tout d'abord contre les parois du moule de la matrice ou des cylindres et se propageait vers la partie intérieure du produit, à travers le noyau encore
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liquide, ce qui donnait au produit coulé une structure présentant trois sones distinctes ayant des caractéris- tiques différentes, à savoir :
1 / une enveloppe ou couche solidifiée à la périphérie du produit, cette couche étant formée de petits cristaux non orientés (c'est-à-dire disposés au hasard) et analogues à des filets ou veinules; les propriétés physiques de cette couche solidifiée et refroidie sont généralement beaucoup meilleures que celles des autres parties du produit et du produit fini après travail mécanique;
cela est dû au fait que sa composition chimique est homogène, exempte de séparation ou ségrégation et correspond exactement à la composition du métal fondu, ce dernier étant homo- gène dans le four ou dans la poche de coulée;
2 / une couche de longs cristaux en forme de colonnes (également appelés aiguilles) orien- tés suivant l'axe de croissance des cristaux qui est opposé au sens d'écoulement de la chaleur;
3 / une sone centrale de grands cristaux à axes équidistants.
Cette structure cristalline hétérogène' est en outre caractérisée par une séparation sélective des constituants de l'alliage et des impuretés, par des occlusions de gaz, par des retassures, par des cavités de diverses sortes ainsi que par d'autres phé- nomènes connus sous le nom général de "lingotisme".
Ce lingotisme est p rincipalement dû à la structure cristalline hétérogène que présentent tous les produite métalliques obtenus jusqu'ici dans l'industrie.
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Ce procédé commun de fabrication de produits métalliques a une influence déterminante sur les propriétés et caractéristiques physiques et autres des produits industriels soit lorsqu'ils sont coulés, soit lorsqu'ils sont travailles mécaniquement, par exemple après forgeage, laminage, extrusion ou forma- tion mécanique, soit lorsqu'ils ont été traités au point de vue thermique.
On admet généralement que cela est dû au fait que la structure du produit final (ou structure secondaire) conserve encore certaines des caractéristiques de sa formation cristalline primitive hétérogène au moment de la solidification du métal fondu ou est affectée par certaines de ces caractéris- tiques, ce qui a pour effet d'empêcher l'obtention des propriétés théoriques optima,,
Le but de la métallurgie pendant des années a été d'obtenir dans les produits métalliques une structure cristalline vraiment homogène et uniforme et de rechercher des procédés surs pour obtenir cette structure.
Diverses recherches récentes dans la cristallisation des métaux ont montré que la structure cristalline non orientée de la couche solidifiée d'un lingot était due au refroidissement important (ou sous- refroidissement) résultant du contact de là matière fondue avec les parois froides du moule, contact qui crée pratiquement une cristallisation spontanée exempte de toute ségrégation ou séparation dans la couche soli- difiée en question;
cette cristallisation ou solidifi- cation provoque le changement de la structure cristal- line orientée en une structure cristalline non orientée à filets ou veinules, la section des cristaux dans la
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couche solidifiée diminue lorsque la vitesse de cris- tallisation augmenta. D'une façon générale, la structure primaire de tout métal est commandée par les deux fac- teurs suivants : a) le nombre de noyaux cristallins par uni- té de poids et de temps à une température déterminée :
b) la vitesse de cristallisation qui dépend de la rapidité de dissipation de la chaleur latente de fusion,,
Le terme "sous-refroidissement" ci-dessus utilisé indique une condition qui se présente lorsque, à la température définie voisine du point de cristalli- sation ou inférieure à ce point, les conditions d'équi- libre ne sont pas atteintes, c'est-à-dire lorsque la phase solide n'apparaît pas. Ainsi le métal se trouve dans un état meta-stable.
Des recherches faites au su- jet du sous-refroi@issement des métaux et alliages ont montré que cette condition pouvait se présenter pour certains métaux sous-refroidis à des températures al- lant de 0,1 à 0,3 pour d'autres métaux tels que. l'or, le cuivre, le bismuth, l'antimoine, le plomb, l'étain et un certain nombre d'alliages sous-refroidis, ces températures peuvent atteindre 30 à 45 ; ainsi tous les métaux et alliages peuvent être placés a. un état de sous-refroidissement dans lequel ils conservent en grande partie la mobilité d'un liquide, bien qu'un. partie de la phase solide puisse être précipitée; dans cet état, les métaux et alliages peuvent s'écouler dans des moules ou matrices et prendre d'eux-mêmes leur forme.
Pour rendre claire la distinction entre l'état fondu et l'état sous-refroidi ci-dessus indiqué,
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on peut dire que l'état fondu est celui dans lequel le métal ou alliage fondu est liquide et capable de s'é- couler librement par gravité; sa chaleur totale est la quantité de chaleur nécessaire pour l'amener à son point de fusion, plus la quantité de chaleur nécessaire latente qui correspond à sa chaleur/de fusion, plus la quanti- té de chaleur supplémentaire utilisée pour le snrcbauf- fage dans les traitements industriels, surchauffage qui peut aller d'un petit nombre de degrés jusqu'à 100 et 150 dans le cas d'acier, d'acier spécial ou d'autres métaux ou alliages à point de fusion élevé.
L'état de sous-refroidissement appliqué aux métaux ou alliages, état que l'on propose d'établir et de contrôler,est un état qui résulte du traitement de métal ou alliage fondu tel que ce dernier est produit dans les fours industriels actuels, dans le but d'enlever de ce métal ou alliage toute sa chaleur supplémentaire de fusion et toute sa chaleur latente de fusion ou la plus gran- de partie de sa chaleur latente, dans le but d'amener sa température soit au voisinage de son point de cris- tallisation, soit légèrement au-dessous pour des métaux ou alliages ayant une échelle de plasticité assez gran- de avant que le métal ou alliage traité soit.introduit, forcé ou poussé dans un moule ou dans une matrice ou entre des cylindres à une vitesse déterminée.
Ce mtal ou alliage sous-refroidi introduit dam des moule$ on des matrices ou entre des rouleaux dans cet état a en- core beaucoup de le mobilité d'un liquide et, sono l'action de la vitesse à laquelle il est poussé, i se façonnera facilement de lui-mime au contour des momies ou matrices. Le métal en question est en outre caracté- risé par le fait que chacune de ses particules de
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composant les plus petites a déjà un noyau cristallin qui s'étend à une partie ou à la totalité de chaque particule suivant l'importance de la phase solide qui a été précipitée et suivant, par conséquent, le degré de sous-refroidissement.
Ces particules sous-refroidies entrainées dans un courant, un moule ou vers une matrice se conformeront simultanément au contour du moule ou de la matrice pour le ou la remplir et cria- talliseront en pratique spontanément à partir d'un nombre infini de noyaux cristallins dans toute la masse du produit formé, ce qui créera dans ledit pro- duit une structure cristalline faite de très petite cristaux non orientés (c'est-à-dire disposés au hasard) et analogues à des filets ou veinules, cristaux qui sont distribués d'une façon homogène et uniforme à travers toute l'étendue du produit métallique solide; cette structure est complètement différente de la structure primaire décrite précédemment pour les mé- taux ou alliages fondus antérieurs.
Il résulte des recherches ci-dessus indi- . quées faites par divers savants que si un métal ou al- liage peut être introduit ou forcé dans un moule on une matrice ou entre des rouleaux de fomation en état sous-refroidi, de telle manière qu'il présente le nom- bre maximum de noyaux cristallins par unité de poids et à une température telle que sa chaleur latente de fusion ait été partiellement ou totalement enlevée, ce métal ou alliage, lorsqu'il s'écoule et se conforme de lui- même dans le moule ou dans la matrice cristallisera spontanément à travers toute la masse du produit fini d'une manière analogue à ce qui se produit dans la cristallisation spontanée de la couche refroidie et
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solidifiée d'un lingot,
ce qui a pour effet de donner à toute la masse du produit la même structure cristal- line fvrmée de petits cristaux non orientés et analo- gues à des filets ou veinules et également de donner audit produit les propriétés physiques optima.
Le demandeur a observé ce qui suit
Si une goutte de liquide, soit de l'eau, soit de l'huile, soit du métal fondu, tombe sur une surface se déplaçant ;rapidement, substance qui est mouillée par le liquide, chaque portion de la goutte liquide, lorsqu'elle vient en contact avec la surface se déplaçant rapidement, mouille la surface et adhère à celle-ci; elle s'allonge et est portée par la surface en question de façon qu'elle forme une traînée ou une pellicule allongée d'épaisseur uniforme et ayant deux extrémités plus ou moins paraboliques, la forme, la largeur, la longueur et l'épaisseur de cette pellicule ou traînée étant déterminées par la vitesse relative de la goatta qui tombe et de la surface mobile.
En outre, dans le cas d'une goutte de métal fondu, l'al- longement de cette goutte et sa cristallisation ou solidification en une pellicule ou en une bande solide sont pratiquement simultanés. Le procédé qu'on utilise pour réaliser le sous-refroidissement est tiré de l'observation qui précède, mais au lieu que ce soit une goutte de liquide qui soit utilisée, c'est un courant de métal fondu tel qu'il est obtenu dans des fours industriels.
Un courant de métal fondu se déversant sur une surface se déplaçant rapidement, surface qui doit être mouillée par ledit métal, donne naissance à car- tains phénomènes déterminés. Lorsqu'un tel courant de
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métal fondu ou de toute autre substance fondu.
s'écou- lant d'un trou de coulée ou d'une tuyère de coulée aux températures normales de coulée utilisées dans l'industrie et à une certaine vitesse (déterminée par la hauteur du métal dans le récipient, dans la poche ou dans le four qui la contient ou déterminée par des pompes ou valves mécaniques qui poussent ledit courant hors du récipient), est intercepté par une surface propre so- lide, métallique ou non métallique, plus froide, exemp- te d'humidité et se déplaçant à une vitesse uniforme supérieure à la vitesse d'écoulement de métal fondu, une surface continue de contact est créés à l'endroit où le métal liquide et librement mobile se conforme instantanément de lui-même à la surface mobile solide.
C'est ce qu'on appelle dans le présent mémoire l'action de mouillage. Dans ces conditions, le métal fondu ou liquide est éloigné instantanément et d'une façon con- time de la partie principale du courant liquide, étant poussé de dessous ledit courant sous la forme d'une couche qui adhère à la surface mobile. Cette couche se nivelle d'elle-même au point de vue hydro- statique pendant qu'elle est transportée en travers du courant de métal fondu; ladite couche porte par elle- même autant de métal, ou de substance, fondu qu'elle peut en attirer sous l'action de ces forces intrin- sèques d'attraction atomique et de cohésion molécu- laire.
Ainsi se trouve formée à partir du courant de métal fondu une pellicule ou couche continue de sec- tion et d'épaisseur uniformes, courche qui adhère à la surface solide mobile et qui est portée par celle- ci, surface à laquelle la pellicule ou couche cède de la chaleur depuis le moment où le contact s'est établi avec elle.
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La section transversale de cette couche de métal fondu est réglée et déterminée directement par la relation suivante : surface de la section trans- versale de la couche multipliée par la vitesse de la surface métallique mobile qui la porte = section trans- versale du courant de métal fondu multipliée par sa vitesse d'écoulement
Par exemple, si un courant de métal fondu sert d'une tente rectangulaire) (extrémité de sortie d'une tuyère, par exemple) ayant 5 cm. de large sur 1cm,25 d'épaisseur,à la vitesse de 0m,60 par seconde, s'écoule et se dépose sur une surface métallique se déplaçant à une vitesse de 15 mètres par seconde (soit 25 fois plus vite),la couche de métal fondu aura une section déterminée de la façon suivante :
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5 x 1,85 9 s 035 15 et l'épaisseur de la couchesera de :
0cm225/5cm = 0cm, 05
Tous les métaux, alliages et matières fondues lorsqu'ils se trouvent à l'état liquide et qu'ils sont librement mobiles (à l'exception de cer- tains corps ou métaux, tala que le mercure, qui\ ont une tension superficielle très élevée) mouilleront une surface métallique, propre, sèche et plus froide et adhéreront à cette surface.
Ils pourront ainsi subir une accélération pour être amenés à la vitesse de la surface métallique sous la forme ci-dessus in- diquée d'une couche ou pellicule et dans la direction du mouvement de cette surface, La force adhésive,.- question a une valeur considérable car le mouillage entre le métal fondu et la surface métallique,mobile empêche@@ la présence d'air ou de gaz entre le métal
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fondu et ladite pellicule. En outre, le contact parfait dû à ce mouillage donne pleine liberté à la force d'at- traction interatomique de s'exercer entre le métal de la surface mobile et le métal ou alliage fondu utilisé.
Cette force a également une très grande valeur par centimètre carré.
Les deux facteurs ci-dessus indiqués, qr'il y en ait d'antres ou non, peuvent entrer facilement en ligne de compte si 1'on considère que la section métal- lique mobile et la pellicule de métal fondu qui y ad- hère agissent comme une seule pièce composite qui se déplace à la même vitesse et dans la même direction jusque ce que la couche ou pellicule de métal fondu ait cessé d'adhérer complètement par suite de la con- traction due à la solidification. Même après cette per- te d'adhérence, la couche ou pellicule qui est alors solidifiée conserve la vitesse et la direction primi- tives qui lui ont été communiquées par la surface mé- tallique mobile.
Bien que la couche de métal fondu adhère encore à la surface mobile et soit portée par celle-ci en contact intime avec ladite surface, à sa vitesse et dans sa direction de mouvement, c'est-à-dire bien que la couche de mëtal fondu et la surface mobile se cota- portent comme si elles formaient en réalité une seule section bimétallique, l'échange de chaleur à travers toute l'épaisseur de la couche de métal fondu et de la surface solide mobile est directement proportionnel à leurs conductibilités thermiques respectives, à la transmission de chaleur de l'une à l'autre et à la durée de leur contact. Ces coefficients de conducti- bilité thermique sont des propriétés connues des métaux,
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alliages et de beaucoup d'autres corps.
On peut, par conséquent, déterminer mathématiquement et établir les éléments de machines de fabrication de façon que soit exactement Valise n'importe quel refroidissement dé- terminé et de fagon que soit réglée d'une maniera ab- solue la quantité de chaleur transmise du métal ou du corps fondu en forme de pellicule.
D'après ce qui précède, on voit que toute quantité déterminée de chaleur, peut être enlevée de
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quanti peiïicule fondue, oetallfque ou autre, n'importe qne7a,cxg'süt pour 1 refroidir légèrement, soit pour 1 soras-refroi- dir à tout degré désiré, soit encore pour la solidifier complètement de telle manière que la pellicule puisse être utilisée d'une façon continue lorsqu'elle atteint
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la température ou l'état de sous<-refroidissement désiré.
Cet état, comme on l'a indiqué, résulte de la durée du contact et de la longueur (de le pellicule) sur laquel- le ce contact se produit avec la surface mobile. La pellicule ou couche complètement fermée est séparée d'une façon continue de la surface de refroidissement mobile en un point déterminé d'une manière précise après que cette couche a été, sur une longueur déter- minée, en contact avec la surface en question. Lorsque la couche ou pellicule est enlevée, elle est dirigée d'une façon continue vers un moule (ou une matrice) dans lequel elle est introduite et qui est destiné à la, recevoir.
La fomation ci-dessus décrite du courant de métal, ou d'autres substances fondues, et trans- formée en une pellicule ou couche mince, le sous-re- froidissement de cette couche et le choc de celle-ci dans les moules ou matrices sans aucun contact avec'
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l'air ou avec des gaz, ou sans que ceux-ci pénètrent dans la pellicule présentent des avantages industriels extrêmement importants et longtemps recherchés mais qui n'avaient, jusqu'ici, jamais été obtenus à la connais- sance du demandeur.
Les opérations peuvent être effec- tuées très rapidement et sont directement applicables au traitement de la matière sortant des fours actuels de fusion à la vitesse à laquelle on pent disposer du métal fondu produit, ce qui permet de conserver la com- position et la fluidité réglées dudit méal. Par exem- ple, le coûtant normal provenant d'une poche contenant de l'acier tel qu'il est coulé actuellement dans des lingotières de grandes dimensions à des vitesses va- riant de 500 à 1500 kg. par minute peut, comme on l'a indiqué ci-dessus, être transformé en une pellicule et être sous-refroidi à une température constante et dé- terminée avant que cette pellicule soit dirigée dans les moules.
L'équipement nécessaire est relativement simple et peu coûteux et consomme une quantité insi- gnifiante d'énergie. Dans beaucoup de cas, l'ensemble des opérations permet d'obtenir des économies réelles car la chaleur provenant de la pellicule de métal fondu peut être largement récupérée.
Conformément aux caractéristiques de l'in- vention, il n'est pas difficile dans les applications industrielles de réaliser la surface métallique mobile en un métal tel et de lui donner une épaisseur et une longueur telles que la température de la section métal- lique mobile utilisée pour le refroidissement ne dépense pas une température de 260 0 environ ou toute autre température suffisamment élevée susceptible de provo- quer une distorsion, une déformation ou une détériora-
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tion de la surface du métal refroidissant utilisé.
A cet égard, lesfacteurs de contrôle ou les desiderata sont susceptibles d'être déterminés d'une façon précise ou d'être calculés mathématiquement d'une façon exacte.
En outre, comme c'est seulement une longueur limitée et définie de cette section métallique refroidissante qui vient en contact avec une pellicule métallique fondue ayant une épaisseur constante choisie, cette section refroidissante peut être refroidie d'une faon continue par de l'air, par de l'eau, par du mercure ou par tout autre agent de refroidissement après que la pellicule métallique a été séparée de cette section; celle-ci peut être ainsi ramenée à sa température pri- mitive avant qu'elle reçoive de nouveau du métal fondu.
On assure de cette façon des conditions constantes de température pour le refroidissement du courant de métal fondu et un fonctionnement véritablement contins
La plupart des métaux et alliages à l'état fondu contiennent des gaz dissous ou occlus qui sont libérés lorsque la phase solide se précipite et que le métal se solidifie dame un moule. Certains de ces gaz sonjr enfermés à l'intérieur des produits métalliques solidifiée sous la forme de bulles ou poches à gaz qui sont extrêmement nuisibles. Conformément à l'invention, tous ces gaz ou à peu près tous ces gaz sont libres de s'échapper car ils sont libérés et éliminés pendant que la pellicule métallique qui adhère à la surface mobile se refroidit rapidement.
Lorsque la phase solide commence à se précipiter avant que la pellicule sous- refroidie soit dirigée dans un moule ou dans une matrice les produits formés à partir de ce métal ou des alliages sous-refroidis sont exempts de gaz.
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Lorsqu'on sous-refroidit le courant de métal fondu provenant d'une poche ou d'un four avant qu'il soit dirigé dans un moule, on peut provoquer une cristallisation spontanée dans toute la masse du pro- duit moulé, ce qui constitue un moyen efficace pour déterminer au point de vue physique,dans le produit solide formé,des dimensions uniformes de grains. Cer- taines variations peuvent être obtenues dans la section des cristaux uniformes formés si l'on fait varier et
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si l'on règle/ et la températurecdi svas-retroi. dissement.
Tout ce qui précède s'applique avec autant d'efficacité aux substances non métalliques ou organi- ques à l'état fondu telles que le verre fondu, les roches fondues et autres substances analogues, l'in- vention n'étant nullement limitée aux métaux et allia- ges.
La présente invention rend possible l'ob- tention et l'utilisation industrielles de la strnctnre cristalline primaire, nouvelle et spéciale qui est don- née aux produits métalliques confomàrent à l'invention* Cette nouvelle structure primaire qui a une forte ré- sistance et qui présente des propriétés physiques amé- liorées est obtenue sans travail mécanique ou sans traitement thermique; elle est caractérisée par des petits cristaux non orientés (c'est-à-dire disposés au hasard) analogues à des filets ou veinules, de coupe . et de dimension sensiblement identiques, ces cristaux étant distribués d'une façon homogène et uniforme à travers toute la masse du produit solide et dans chaque partie de celui-ci.
L'invention permet également d'as- surer l'uniformité de la composition chimique dam
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toute la masse du produit et d'obtenir des propriétés physiques améliorées sans qu'on ait à constater un effet quelconque d'orientation; ces qualités sont dues au fait que l'invention permet d'éviter les défauts géné- ralement inhérents à un lingot primaire ou à une pièce moulée, défauts tels que la séparation ou ségrégation, la composition chimique non uniforme, la concentration
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dax iwpuretés .souilure ia iimite àos cristanz des impuretés $t$oui .xre la limite des cristaux en forme de colonnes, la formation de cavités ou soufflu- res, les occlusions de gaz et défauts analogues, de même que les lignes d'écoulement qui se forment à la suite du travail mécanique et de l'écrasement des grands cristaux.
Cette nouvelle structure primaire spéciale conserve la plupart des caractéristiques ci-dessus in- diquées après travail mécanique tel que laminage, for- geage et extrusion et (ou) après traitement thermique, cette nouvelle structure se prêtant plus facilement que la structure des produits antérieurs à ces opérations en raison de son uniformité qui donne aux produits ainsi travaillés ou traités une structure distinctive différente de celle des produits similaires provenant d'un lingot ou d'un autre métal fondu coulé 4 la façon habituelle.
En outre, l'effet de refroidissement et de solidification dû aux parois du moule (effet qui se produit lorsque le métal fondu est versé dans le moule), la formation de la couche refroidie et solidifiée sub- séquente et les zones distinctes de cristallisation sont supprimés dans les produits fabriqués avec un métal ou un alliage sous-refroidi.
L'invention permet également d'obtenir une nouvelle structure cristalline dans des alliages et
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plus particulièrement dans des alliages forte teneur en composants de l'alliage tels par exemple que l'acier rapide outils et l'acier inoxydable. Dans ces al- liages tels qu'ils sont coulés à présent, alliages pro- venant de matières fondues versées dans un moule de coulée au sable ou d'une lingotière, une solidification sélective des métaux entrant dans la composition de l'alliage se produit inévitablement à l'intérieur des cristaux en forme de colonne et à axes équidistante qui se sont formés.
Lorsque cela a lieu, cette solidi- fication sélective donne aux cristaux une composition chimique plus hétérogène avec ségrégation ou séparation de certains composants et des impuretés a. la limite des cristaux, ce qui réduit considérablement les propriétés inhérentes particulières de ces alliages, propriétés en raison desquelles leur usage s'est développé et telles que la résistance à la corrosion, aux acides, à l'abrasion, la faculté de retrempe et de coupe ainsi que d'autres propriétés physiques.
En raison du sous-refroidissement de l'al- liage f ondn jusqu'au point où il cristallise spontané- ment dans toute la masse du produit solide formé, sous- refroidissement qui constitue l'une des caractéristiques essentielles de la présente invention, la composition homogène initiale de l'alliage à l'état fondu est oom.. plètement maintenue dans chacun des petits cristaux foncés et cette composition est encore maintenue après travail mécanique et traitement thermique. Cette struc- ture cristalline entièrement nouvelle et différente de celle des autres produits augmente considérablement les propriétés intrinsèques connues de ces alliages et élargit le champ de leur application.
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L'objet principal de l'invention consiste dans un appareil pour la production de produits soli- des et tubulaires continus ayant la structure cristal- line ci-dessus mentionnée, quoique l'appareil puisse être utilisé également pour la fabrication de produits pulvérulents,
Afin que l'invention puisse être bien com- prise, on va la décrire maintenant en se référant au dessin annexé sur lequel :
La fig. 1 est une vue en coupe verticale d'un appareil établi conformément à l'invention; on voit sur cette figure, eu coupe transversale, un moule refroidi par eau pour la fabrication de produits *on- tinus ;
La fig. 2 est une vue en coupe transversale de l'appareil montré sur la fig. 1;
La fig. 3 est une vue par dessus de l'ap- pareil montré sur la fig. 1;
La fig. 4 est une vue en coupe verticale d'un appareil à double courroie pour la fabrication de produits bimétalliques continus;
La fig. 5 est une vue en élévation, par- tiellement en coupe, d'une variante de l'appareil des- tiné à former un produit continu analogue à une barre ;
La fig. 5a est une vue en coupe suivant la ligne de la fig. 5;
La fig. 6 est une vue par bout avec coupe partielle de la disposition des arbres espacés alignés verticalement, en regardant de la gauche vers la droite la fig. 5;
Là fig. 7 est une vue partielle en plan de la paire supérieure des arbres alignés horizontalement
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de la fig. 5 et de certains organes associés;
La fig. 8 enfin est une vue en coupe verti- cale, partie en élévation et partie sous forme schéma- tique, d'un appareil destiné à fabriquer un produit tubulaire continu tel qu'un tube sans soudure.
Ainsi qu'on le voit sur le dessin, les fig.
1 à 3 représentent schématiquement un appareil établi conformément à l'invention pour refroidir une bande ou ruban et pour produire des effets de choc. La bande ou ruban 242 est aite en ruban d'acier ou autre métal ; elle est analogue à un ruban de scie à ruban et peut être faite en toute autre matière non combustible mais ayant de préférence en coupe la forme montrée sur la fig. 2. Cette bande 242 se déplace sur des poulies à gorge 243 et 244 à une vitesse élevée; elle est entrai- née à l'aide d'une poulie à gorge de commande 245 qui est reliée à un moteur ou à une courroie de transmission par l'intermédiaire d'un arbre 255.
Le métal fondu est versé dans un récipient 239 dont la tuyère est en con- tact, en 241, avec la rainure 257 du ruban 242. Le ré- cipient 239 est supporté au-dessus du bâti 254 de la . machine. Un courant régulier de métal fondu s'écoule de la tuyère 256 et est propulsé dans la rainure 257 du ruban 242. La pellicule qui se forme sur le ruban est très mince et lorsque le ruban se déplace sur les poulies 244, cette pellicule animée d'une grande vi- tesse se rompt et produit ainsi un jet fin de particu- les de métal sous-refroidi; elle est propulsée dans le moule 247 en.formant ainsi un produit métallique solide de section désirée quelconque ou prenant une forme correspondant à celle du moule.
Celui-ci peut être refroidi à l'aide d'une chemise de refroidisse-
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ment 248 présentant une tubulure d'entrée 250 et une tubulure de sortie 249 de manière à maintenir le moule à une température constante. Deux rouleaux 252 et 253 entraînent la barre solide 251, qui s'est formée,à une vitesse qui dépend du poids du métal s'écoulant par minute de la tuyère 241 et de la section du produit métallique formé, On peut faire varier la vitesse du ruban déterminant la pulvérisation de la pellicule de façon que cette vitesse corresponde aux vitesses péri- phériques du disque rotatif montré sur les fig. 1 et 2 de la demande de brevet connexe déposée le12 sep- tembre 1938 et ayant pour titre:
" Perfectionnements aux appareils pour la fabrication de produits à partir de matière fondue ".
On obtient ainsi le même état de sons-refroidissement et de pulvérisation et les mêmes caractéristiques qui ont été indiqués ci-dessus dans le cas de produite métalliques de longueur continue. La bande ou ruban 242 passe à travers un liquide de refroidissement 246 contenu dans une cavité 246' aménagée dans le bâti 254, ce liquide étant destiné à maintenir le ruban à une température constante afin qu'il puisse recevoir une pellicule de métal fondu et que les conditions du fonc- tionnement de l'appareil soient maintenues ainsi cons- tantes. En se servant de ce mode de réalisation de l'appareil, on peut foxmer des bandes ou rubans de mé- tal en feuilles ou de pièces de toute autre tome, de largeur et d'épaisseur quelconques.
Comme on l'a indi- qué précédemment, la tuyère du récipient 239 et le ru- ban peuvent être suffisamment larges pour quton puisse obtenir une pellicule de métal de forme convenable
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suivant le produit final que l'on désire avoir. En ou tre les rouleaux 252 et 253 tireront la bande, la feuille ou la pièce métallique ainsi formée à une vi- tesse qui dépend de la quantité de métal fondu débitée par la tuyère du récipient. Les particules sous-refroi- dies et atomisées peuvent être projetées contre la surface d'une bande de métal dont elles formeront ainsi le revêtement, ou bien elles pourront être re- cueillies à titre de particules de métal pulvérulent ou granulé dans un long entonnoir qu'on substituera au moule 247.
La fig. 4 représente un mode de réalisation dans lequel deux rubans atomiseurs 242' sont disposés de manière à projeter un produit métallique 251' cons- titué par deux couches et à lui donner une forme de longueur continue. Des couvercles convenables 247' empêchent les pellicules métalliques de venir en con- tact avec l'air; on peut dréer du vide si on le désir* ou bien on peut refouler certains autres gaz dans l'es- pace en question en vue d'éviter l'oxydation ou afin de provoquer les réactions chimiques désirées avec le métal fondu utilisé. Les divers métaux sont mis dans des récipients 239' disposés au-dessus des bandes ou rubans.
Sur les fig. 5 à 7 on a montré une machine à deux courroies pour le refroidissement et la produc- tion de chocs,machine établie conformément à l'nven- tion. Dans cette machine le bâti principal 1 est venu de fonderie et muni de deux arbres fixes 2 et 3 montés dans ledit bâti. Chacun de ces arbres est de coulissante et préférence posé sur une pièce coulée/réglable, soumise à une tension déter-
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minée d'un ressort ou d'un dispositif hydraulique non montré sur le dessin. Sur les arbres 2 et 3 sont montés respectivement des tambours ou poulies 4 et 5 tournant fou. De part et d'autre du plan médian du bâti 1 sont montées des pièces moulées 6 et 7 en forme d'étriers.
La position de ces étriers peut être réglée par rapport au plan médian du bâti à l'aide de boulons 8 et 9 qui passent à travers des fentes correspondantes 10 et 11 de ces étriers. Chacun de ceux-ci comporte deux paliers 12 et 13 dans lesquels reposant les arbres 14 et 15 qui s' étendent en arrière du bâti principal 1. Des roues dentées 16 et 17 sont montées sur les extrémités ar- rière de ces arbres 14 et 15, l'arbre 14 étant de plus relié directement par un accouplement convenable non montré sur le dessin à une commande à vitesse variable non montrée également,ou bien étant pourvu d'une poulie entraînée par une courroie non montrée qui est comman- dée par un moteur non représenté sur le dessin.
Il est clair que lorsque l'arbre 14 tourne à une certaine vi- tesse l'arbre 15 est entraîné à la même vitesse et dans un sens opposé à l'aide des engrenages 16 et 17.
Au-dessous des arbres 14 et 15 et ,en ali- gnement vertical avec ceux-ci et à une certaine dis- tance d'eux sont disposés des paliers 18 et 19 prévus de part et d'autre des étriers 6 et 7. La position de ces paliers est réglable dans des glissières 20 et 21 de telle sorte que les arbres 22 et 23 supportés par lesdits paliers puissent être déplacés vers les arbres 14 et 15 ou écartés d'eux de manière à faire varier l'écart vertical. Sur chacun des arbres 14 et 15, une rangée de disques espacés 24 et 25 est fixée ou cla- vetée. Chaque disque 24 ou 25 a le même diamètre et
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les disques de chaque série sont équidistants.
Les disques 26 et 27 sont fixés ou clavetés de manière analogue sur les arbres 22 et 23 mais les disques 24 sont décalés par rapport aux disques 26 tandis que les disques 25 sont décalés par rapport aux disques 27 de telle façon que lorsque les arbres 14 et 22 on bien les arbres 15 et 23 sont mis en rotation, les rangées décalées de disques ne viennent pas en contact ou ne frottent pas les unes contre les autres.
Sur le tambour 4 passe une courroie métal- lique sans fin 28 faite en acier, en cuivre ou en un alliage de cuivre; ce tambour peut avoir des rebords convenables assurant le guidage de la courroie, laquel- le passe également sur les disques 24 et 26 qui forment une surface cylindrique discontinue de même diamètre.
Une courroie métallique sans fin 29 passe de la même façon sur le tambour 5 à rebord et sur les disques 25 et 27 qui forment également une surface cylindrique discontinue de même diamètre, Un tendeur convenable est prévu pour chaque tambour et pour chaque courroie de telle sorte que les courroies 28 et 29 seront tou- jours sous une tension appropriée quel que soit l'é- cartement qui a été réglé entre les arbres 14 et 22, d'une part et les arbres 15 et 23, d'autre part.
La machine est établie pour comporter des courroies de largeur et d'épaisseur déterminées. L'é- paisseur et la matière choisies pour chaque courroie déterminent le diamètre minimum du tambour, ou de la poulie, sur lequel elle peut être incurvée sans quil s'ensuive une déformation permanente de la courroie car l'effort de courbu doit être inférieur à la limite cour ure
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élastique de la matière de composition et d'épais- seur choisies en vue d'assurer une longue durée de fonctionnement sans dérangement.
Un autre facteur dé- terminent dans la construction de la machine est la longueur de contact nécessaire pour une pellicule d'un métal fondu d'une épaisseur déterminée avec une cour- roie ou avec des sections de refroidissement de matière et d'épaisseur choisies de manière à transmettre une quantité déterminée de chaleur à la courroie ou aux sections de refroidissement à une vitesse disponible ou prédéterminée du déplacement de la pellicule d'une part et des sections de refroidissement d'autre part.
Cette longueur de contact pour une vitesse déterminée quelconque peut être calculée mathématiquement pour chaque métal utilisa. En formant une pellicule mince à une vitesse élevée de la courroie, on constate que sousla longueur de contact nécessaire pour/refroidir le métal fondu à son point de solidification est relati- vement petite. Dans le mode de réalisation montré sur le dessin, on a tenu compte à la fois de la nécessité pour une poulie de grand diamètre de ne pas charger trop la matière des courroies et aussi de la nécessité d'assurer une faible distance entre lescentres des pou- lies supportant les courroies, eetta distance étant la longueur de contact désirée de la pellicule avec les deux courroies mobiles.
Dans ces conditions, il devient possible de satisfaire aux doux principaux facteurs de réglage ci-dessus mentionnés et de les ajuster.
Deux courroies d'espacement 30 sans fin se déplacent sur des poulies à gorge 31 et 32 et ces cour- roies sont disposées au même niveau que les bords de la courroie 29 et parallèlement à ceux-ci de manière à as-
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surer une ouverture 30a de dimensions prédéterminées on réglables, qui détermine la largeur et l'épaisseur de la pellicule métallique formée. Les courroies 30 sont entraînées par friction par les courroies 28 et 29 lorsque ces dernières sont commandées. Une corrélation étroite peut être obtenue et maintenue par des réglages appropriés des étriers 6 et 7.
Un récipient 33 est placé au-dessus des disques 24 et 25 et supporté de telle façon que son inférieure extrémité conique/s'applique sur les courroies 28 et 29 avec un frottement juste suffisant pour assurer une étanchéité complète à l'air du métal fondu ou de la ma- tière 34 s'écoulant à travers l'orifice inférieur ou orifice de sortie 35.
Un moule 36 est également supporté au-des- sous des disques 26 et 27 de manière qu'il porte suffi- samment sur les courroies 28 et 29 afin d'assurer une étanchéité complète à l'air. Ce moule peut avoir une chemise de refroidissement par eau 36a à travers la- quelle on fait circuler de l'eau amenée par la canali- sation 36 b et évacuée par la canalisation 36c. Le moule 36 peut être posé sur une paire de rouleaux ou cylindres 37 et 38 placés horizontalement et dont la vitesse périphérique est réglable de manière à corres- pondre à la vitesse de fonctionnement de la machine décrite ci-dessus.
Au cours du fonctionnement , le métal fondu
34 est déchargé du récipient 33 à travers l'orifice de sortie 35 par suite du déplacement des courroies 28 et
29, la vitesse du débit dépendant de la vitesse de ces courroies et des dimensions de l'orifice 30a ; le métal fondu forme ainsi une pellicule 39. En l'absence de
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tout contact avec l'air, cette pellicule transmet de la chaleur aux courroies 28 et 29 dont la longueur du déplacement rectiligne a été prédéterminée ou règles de manière à éliminer une quantité déterminée et établie au préalable de chaleur contenue dans ladite pellicule les épaisseurs suivant des courroies, leurs conductibilités thermiques et l'état de leurs surfaces.
En fin du dé- placement rectiligne de la courroie, la pellicule re- froidie 39 se sépare des courroies 28 et 29 et continue à se déplacer dans le même sens et à la même vitesse qui lui ont été imprimés par ces courroies en restant toujours sans contact quelconque avec l'air. La pelli- cule heurte alors d'elle-même, à sa vitesse élevée, la surface supérieure 40 de la pièce coulée 41 qui a subi le choc précédemment et qui s'est solidifiée dans le moule 36 et en a été retirée, ces deux opérations se produisant de façon continue et simultanément. La pièce coulée 41 ainsi formée est retirée de manière continue du moule 36 à refroidissement par eau par les cylindres 37 et 38 qui fournissent un produit solide fini 42 de longueur continue tant que le métal fondu est amené au récipient 33.
Comme la pellicule 39 de métal sous-refroi- di se façonnera aisément d'elle-même de manière à épou- ser le contour du moule 36 à sa vitesse élevée acquise en raison du fait que cette pellicule est encore plas- tique lorsqu'elle atteint le moule! comme d'autre part cette pellicule se cristallise spontanément à l'inté- rieur du moule et sur celui-ci, on peut obtenir des produits continus de toute forme appropriée tels que tiges, barres, plaques, rails, poutres, cornières, profilés de forme particulière et pièces analogies,
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lesquels pourront, ensuite être formés, finis et façonnés quant à leur surface par les cylindres 37 et 38 qui tirent de manière continue les produits provenant du moule 36.
Ces produits présentent et conserveront la structure solidifiée spéciale décrite ci-dessus.
Pour enlever la chaleur transmise aux cour- roies 28 et 29 au cours de la formation et du refroi- dissement de la pellicule 39, on amène à ces deux cour- roies un courant ou jet d'eau, ainsi qu'on l'a montré en 43 et en 44, ce courant ou jet d'eau agissant sur la portée inférieure de chacune de ces courroies avant qu'elles s'enroulent autour des tambours ou poulies 4 et 5. La construction de la machine permet de donner à cette partie de la courroie une longueur telle qne l'eau ou un autre agent de refroidissement, en refroi- dissant le métal fondu, disperse entièrement la chaleur acquise. Toute eau laissée sur ces courroies est en- levée par des raclettes 45 et 46 qui rendent les sur- faces de ces courroies propres et sèches avant que celles-ci viennent à nouveau en contact avec le courant de métal fondu.
L'eau recueillie dans les carters 47 et 48 est évacuée par les tuyaux 49 et 50.
La fig. 8 montre un moule 103 fixe, continu de section circulaire, comportant une chemise de re- froidissement 104 et destiné à produire des tubes sans soudure ou des produits tubulaires. La pellicule métal- lique consolidée et sous-refroidie peut être fournie par une machine telle que représentée sur la fig. 5;
Cette pellicule 105 a des dimensions prédéterminées; elle est propulsée à la température de sous-refroidis- sement désirée,sans contact avec l'air, à l'intérieur de la artie latérale
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Au mouîle 103 ainsi quton l'a montré sur le dessin.
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Ceci peut être réalisé aisément par l'épaisseur de la centième pellicule n'est que de l'ordre du de millimètre et est inférieure à l'épaisseur de la paroi du tube qu'il s'agit d'obtenir. Dans la partie centrale du mou- le 103 est disposé un mandrin 106 de dimensions requises pour obtenir un tube de diamètre intérieur désiré. Ce mandrin est maintenu à une hauteur déterminée dans le moule; il comporte un arbre creux 107 tournant dans un palier 108 placé à la partie supérieure ou couvercle 109 du moule: Une poulie 110 est fixée sur l'arbre 107; elle est entraînée par une courroie 111 reliée à un moteur convenable non montré sur le dessin, qui en- traine ladite poulie.
Un courant d'eau est dirigé par un tuyau 112 à travers l'arbre creux 107 du mandrin et à l'intérieur du mandrin lui-même; ce courant d'eau frappe contre la paroi intérieure du tube 113 au cours de sa formation en passant à travers le passage indi- qué en 114. Dans ces conditions, le moule et le mandrin sont maintenus à une température constante et le tube 113 est refroidi dès qu'il est formé.
Le tube 113 est retiré du moule continu 103 par les cylindres 115 et 116 à une vitesse corres- pondant à la vitesse de formation du tube, celle-ci dépendant de la vitesse d'amenée de la pellicule 105.
Comme cette pellicule conserve une certaine plasticité et mobilité, elle se façonnera d'elle-même, à la vitesse acquisse projection dans le moule, épousera la forme de l'espace annulaire ménagé entre le moule 103, et le mandrin 106 et elle se cristallisera pour présenter la structure décrite ci-dessus. On fait tourner le mandrin 106 refroidi par eau à une vitesse périphérique
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suffisante pour surmonter la contraction réduite de la paroi de la partie du tube 113 qui s'est formée. Des produits tubulaires à surfaces intérieure et extérieure satisfaisantes et à structure uniforme possédant les propriétés physiques optima peuvent être obtenus de cette façon, en longueur continue, à partir de métaux, d'alliages fondus ou d'autres cirps par la mise en jeu de quantités négligeables d'énergie.
On a indiqué précédemment que l'appareil montré sur les fig. 1 à 3 peut être utilisé pour la fabrication de toute matière pulvérulente à partir de matières premières. Il est bien entendu que ceci s'applique également aux appareils montrés sur les autres figures, appareils dans lesquels il est sin- plament nécessaire d'éviter l'action de choc grâce à laquelle les particules sous-refroidies l'une à l'autre; ces appareils permettent en effet aux dites particules de parcourir une distance telle qu'elles se solidifient individuellement pour former la poudre ,/petites désirée constituée par de particules solides. Les moules montrés sur le dessin peuvent être remplacés par des récipients convenables occupant une position telle qu'ils puissent recevoir ladite matière pulvérulente.
Il est bien entendu que l'on peut appor- ter diverses modifications dans les dispositifs décrits sans que l'on s'écarte pour ce=la de l'esprit de l'in vent ion.
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DESCRIPTIVE MEMORY filed in support of an application for a PATENT OF INVENTION "Improvements made to the equipment for the manufacture of products from molten materials"
The present invention relates to an apparatus for the manufacture of products from molten materials and more particularly for fa. brioation of continuous, solid and tubular products from metals, alloys and other materials.
Most of the metallized products obtained so far have come from molten metal which had been poured into an ingot mold, sand casting mold, die, or between forming rolls while this metal was in the state. liquid.
As the temperature decreased, the molten metal went into a solid state, the solid ribs first forming against the die walls of the die or rolls and propagating to the inner part of the product, through the core again.
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liquid, which gave the cast product a structure exhibiting three distinct sones having different characteristics, namely:
1 / an envelope or layer solidified at the periphery of the product, this layer being formed of small non-oriented crystals (that is to say arranged at random) and similar to threads or veins; the physical properties of this solidified and cooled layer are generally much better than those of other parts of the product and of the finished product after mechanical work;
this is due to the fact that its chemical composition is homogeneous, free from separation or segregation and corresponds exactly to the composition of the molten metal, the latter being homogeneous in the furnace or in the ladle;
2 / a layer of long crystals in the form of columns (also called needles) oriented along the crystal growth axis which is opposite to the direction of heat flow;
3 / a central area of large crystals with equidistant axes.
This heterogeneous crystal structure is further characterized by a selective separation of the constituents of the alloy and of the impurities, by gas occlusions, by shrinkages, by cavities of various kinds as well as by other phenomena known as. the general name of "ingotism".
This ingotism is mainly due to the heterogeneous crystal structure exhibited by all the metallic products obtained so far in industry.
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This common method of manufacturing metal products has a decisive influence on the physical and other properties and characteristics of industrial products either when they are cast or when they are mechanically worked, for example after forging, rolling, extrusion or forming. mechanical, or when they have been thermally treated.
It is generally assumed that this is due to the fact that the structure of the final product (or secondary structure) still retains some of the characteristics of its heterogeneous primitive crystal formation at the time of solidification of the molten metal or is affected by some of these characteristics, which has the effect of preventing the optimum theoretical properties from being obtained.
The aim of metallurgy for years has been to obtain a truly homogeneous and uniform crystalline structure in metal products and to seek safe processes to obtain this structure.
Various recent researches in the crystallization of metals have shown that the unoriented crystal structure of the solidified layer of an ingot is due to the severe cooling (or sub-cooling) resulting from the contact of the molten material with the cold walls of the mold, contact which practically creates a spontaneous crystallization free from any segregation or separation in the solidified layer in question;
this crystallization or solidification causes the change of the oriented crystalline structure into a non-oriented crystal structure with threads or veins, the section of the crystals in the
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The solidified layer decreases as the rate of crystallization increases. In general, the primary structure of any metal is controlled by the following two factors: a) the number of crystal nuclei per unit of weight and time at a determined temperature:
b) the crystallization rate which depends on the dissipation rate of the latent heat of fusion ,,
The term "subcooling" used above indicates a condition which arises when, at the defined temperature near or below the crystallization point, the equilibrium conditions are not reached, ie. that is, when the solid phase does not appear. Thus the metal is in a meta-stable state.
Research carried out on the sub-cooling of metals and alloys has shown that this condition can occur for certain metals sub-cooled to temperatures ranging from 0.1 to 0.3 for other metals. such as. gold, copper, bismuth, antimony, lead, tin and a number of subcooled alloys, these temperatures can reach 30 to 45; thus all metals and alloys can be placed a. a state of subcooling in which they largely retain the mobility of a liquid, albeit a. part of the solid phase can be precipitated; in this state, metals and alloys can flow into molds or dies and take their shape on their own.
To make clear the distinction between molten state and subcooled state above stated,
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we can say that the molten state is that in which the molten metal or alloy is liquid and able to flow freely by gravity; its total heat is the amount of heat required to bring it to its melting point, plus the amount of latent heat required that corresponds to its heat / of fusion, plus the additional amount of heat used for snaking in it. industrial treatments, superheating which can range from a small number of degrees up to 100 and 150 in the case of steel, special steel or other metals or alloys with a high melting point.
The state of sub-cooling applied to metals or alloys, a state which it is proposed to establish and control, is a state which results from the treatment of molten metal or alloy such as the latter is produced in current industrial furnaces, in order to remove from this metal or alloy all of its additional heat of fusion and all of its latent heat of fusion or most of its latent heat, in order to bring its temperature to the vicinity of its point of crystallization, either slightly below for metals or alloys having a sufficiently large plasticity scale before the treated metal or alloy is introduced, forced or pushed into a mold or die or between rolls at a determined speed.
This subcooled metal or alloy introduced into molds or dies or between rolls in this state still has a lot of the mobility of a liquid and, depending on the speed at which it is pushed, i will easily shape itself to the contour of mummies or dies. The metal in question is further characterized by the fact that each of its particles of
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smaller component already has a crystal nucleus which extends to some or all of each particle depending on the size of the solid phase which has been precipitated and, therefore, depending on the degree of subcooling.
These sub-cooled particles entrained in a stream, a mold or towards a die will simultaneously conform to the contour of the mold or the die to fill it or it and will in practice crystallize spontaneously from an infinite number of crystal nuclei in it. the whole mass of the product formed, which will create in said product a crystalline structure made up of very small unoriented (that is to say arranged at random) and similar to threads or veinlets, crystals which are distributed in 'homogeneous and uniform throughout the entire extent of the solid metal product; this structure is completely different from the primary structure described above for the previous molten metals or alloys.
It results from the above research indicated. ques made by various scientists that if a metal or alloy can be introduced or forced into a mold or die or between forming rolls in a sub-cooled state, in such a way that it presents the maximum number of cores crystalline by unit of weight and at a temperature such that its latent heat of fusion has been partially or totally removed, that metal or alloy, when it flows and conforms on its own in the mold or in the matrix will crystallize spontaneously through the whole mass of the finished product in a manner analogous to that which occurs in the spontaneous crystallization of the cooled layer and
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solidified from an ingot,
which has the effect of giving the whole mass of the product the same crystalline structure formed by small unoriented crystals similar to threads or veins and also of giving said product the optimum physical properties.
The applicant observed the following
If a drop of liquid, either water, oil, or molten metal, falls on a moving surface; rapidly, substance which is wetted by the liquid, each portion of the liquid drop, when comes into contact with the rapidly moving surface, wets the surface and adheres to it; it elongates and is carried by the surface in question so that it forms a trail or an elongated film of uniform thickness and having two more or less parabolic ends, the shape, width, length and thickness of this film or drag being determined by the relative speed of the falling goatta and the moving surface.
Further, in the case of a drop of molten metal, the lengthening of this drop and its crystallization or solidification into a solid film or strip are substantially simultaneous. The process used to achieve the subcooling is taken from the foregoing observation, but instead of a drop of liquid being used, it is a stream of molten metal as obtained in industrial furnaces.
A stream of molten metal flowing over a rapidly moving surface, which surface must be wetted by said metal, gives rise to certain phenomena. When such a current of
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molten metal or any other molten substance.
flowing from a taphole or pouring nozzle at normal pouring temperatures used in industry and at a certain speed (determined by the height of the metal in the vessel, ladle or ladle. furnace which contains it or determined by pumps or mechanical valves which push said current out of the container), is intercepted by a clean solid surface, metallic or non-metallic, cooler, free of humidity and moving at a Uniform velocity greater than the flow velocity of molten metal, a continuous contact surface is created at the point where the liquid and freely moving metal instantly conforms by itself to the solid moving surface.
This is referred to herein as the wetting action. Under these conditions, the molten or liquid metal is instantly and in a constant way removed from the main part of the liquid stream, being pushed from below said stream in the form of a layer which adheres to the moving surface. This layer levels itself hydrostatically as it is carried across the stream of molten metal; said layer carries by itself as much molten metal or substance as it can attract under the action of these intrinsic forces of atomic attraction and molecular cohesion.
Thus there is formed from the stream of molten metal a film or continuous layer of uniform cross-section and thickness, which length adheres to and is carried by the movable solid surface, the surface to which the film or layer. gives off heat from the moment contact is established with her.
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The cross section of this molten metal layer is regulated and determined directly by the following relation: area of the cross section of the layer multiplied by the speed of the moving metal surface which carries it = cross section of the metal stream melt multiplied by its flow velocity
For example, if a stream of molten metal serves as a rectangular tent) (outlet end of a nozzle, for example) having 5 cm. wide by 1cm, 25 thick, at a speed of 0m, 60 per second, flows and is deposited on a metal surface moving at a speed of 15 meters per second (i.e. 25 times faster), the layer of molten metal will have a section determined as follows:
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5 x 1.85 9 s 035 15 and the thickness of the layer will be:
0cm225 / 5cm = 0cm.05
All metals, alloys and molten materials when they are in the liquid state and are freely mobile (with the exception of certain bodies or metals, such as mercury, which have a very high surface tension. high) will wet and adhere to a clean, dry, cooler metal surface.
They will thus be able to undergo an acceleration in order to be brought to the speed of the metal surface in the above-indicated form of a layer or film and in the direction of movement of this surface. The adhesive force, .- question has a considerable value because the wetting between the molten metal and the movable metal surface prevents the presence of air or gas between the metal
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melted and said film. Furthermore, the perfect contact due to this wetting gives full freedom to the interatomic traction force to be exerted between the metal of the moving surface and the molten metal or alloy used.
This force also has a very large value per square centimeter.
Both of the above factors, whether there are others or not, can easily be taken into account when one considers that the moving metal section and the film of molten metal adhering to it. act as a single composite part which moves at the same speed and in the same direction until the layer or film of molten metal has ceased to adhere completely as a result of the contraction due to solidification. Even after this loss of adhesion, the layer or film which is then solidified retains the original speed and direction imparted to it by the movable metal surface.
Although the molten metal layer still adheres to the movable surface and is carried by the latter in intimate contact with said surface, at its speed and direction of movement, i.e. although the metal layer molten metal and the moving surface side by side as if they were actually a single bimetallic section, the heat exchange through the entire thickness of the molten metal layer and the moving solid surface is directly proportional to their thermal conductivities respective, to the heat transmission from one to the other and the duration of their contact. These coefficients of thermal conductivity are known properties of metals,
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alloys and many other substances.
One can, therefore, mathematically determine and establish the elements of manufacturing machines in such a way that any determined cooling is exactly carried out and in such a way that the quantity of heat transmitted from the metal is absolutely regulated. or the molten film-shaped body.
From the above it can be seen that any given amount of heat can be removed from
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as much molten film, oetallic or otherwise, any kind to cool slightly, either for 1 soras-cool to any desired degree, or again to solidify completely so that the film can be used again. 'continuously when it reaches
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the desired subcooling temperature or condition.
This condition, as indicated, results from the duration of contact and the length (of the film) over which this contact occurs with the moving surface. The completely closed film or layer is continuously separated from the movable cooling surface at a precisely determined point after this layer has been in contact with the surface in question over a determined length. When the layer or film is removed, it is directed continuously towards a mold (or a die) in which it is introduced and which is intended to receive it.
The above-described formation of the stream of metal, or other molten substances, and transformed into a film or thin layer, the sub-cooling of this layer and the impact thereof in molds or dies without any contact with '
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air or with gases, or without them penetrating into the film, present extremely important industrial advantages which have been sought for a long time but which, until now, had never been obtained to the knowledge of the applicant.
The operations can be carried out very quickly and are directly applicable to the treatment of the material leaving the current melting furnaces at the speed at which the molten metal produced can be disposed of, which allows the controlled composition and fluidity to be maintained. of said metal. For example, the normal cost coming from a ladle containing steel as it is currently cast in large-sized ingot molds at speeds ranging from 500 to 1500 kg. per minute can, as indicated above, be formed into a film and be sub-cooled to a constant and determined temperature before this film is directed into the molds.
The equipment required is relatively simple and inexpensive, and consumes insignificant amounts of energy. In many cases, all of the operations result in real savings because the heat from the film of molten metal can be largely recovered.
In accordance with the features of the invention, it is not difficult in industrial applications to make the movable metal surface of such a metal and to give it a thickness and length such as the temperature of the movable metal section. used for cooling does not spend a temperature of about 260 0 or any other sufficiently high temperature liable to cause distortion, deformation or deterioration.
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tion of the surface of the cooling metal used.
In this regard, the control factors or wishes are likely to be determined in a precise manner or to be calculated mathematically in an exact manner.
Further, since it is only a limited and defined length of this cooling metal section which comes into contact with a molten metal film having a chosen constant thickness, this cooling section can be cooled continuously by air, by water, mercury or any other cooling agent after the metal film has been separated from this section; this can thus be brought back to its initial temperature before it receives again molten metal.
In this way, constant temperature conditions are ensured for cooling the molten metal stream and a truly continuous operation.
Most metals and alloys in the molten state contain dissolved or occluded gases which are released when the solid phase precipitates and the metal solidifies in a mold. Some of these gases are locked inside solidified metal products in the form of gas bubbles or pockets which are extremely harmful. In accordance with the invention, all or nearly all of these gases are free to escape as they are released and removed while the metal film which adheres to the moving surface cools rapidly.
When the solid phase begins to precipitate before the sub-cooled film is directed into a mold or die the products formed from this metal or sub-cooled alloys are gas-free.
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Subcooling the stream of molten metal from a ladle or furnace before it is directed into a mold, spontaneous crystallization can be caused throughout the bulk of the molded product. an effective means of physically determining, in the solid product formed, uniform grain sizes. Certain variations can be obtained in the section of the uniform crystals formed if one varies and
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if we adjust / and the temperature cdi svas-retroi. dement.
All of the foregoing applies equally effectively to non-metallic or organic substances in the molten state such as molten glass, molten rock and the like, the invention not being limited to metals and alloys.
The present invention makes it possible to obtain and use industrially the new and special primary crystalline structure which is given to the metal products according to the invention. This new primary structure which has high strength and strength. which has improved physical properties is obtained without mechanical work or heat treatment; it is characterized by small non-oriented crystals (that is to say arranged at random) similar to threads or veins, cut. and of substantially identical size, these crystals being distributed in a homogeneous and uniform manner throughout the mass of the solid product and in each part thereof.
The invention also makes it possible to ensure the uniformity of the chemical composition.
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the entire mass of the product and to obtain improved physical properties without having to observe any orientation effect; these qualities are due to the fact that the invention makes it possible to avoid the defects generally inherent in a primary ingot or in a molded part, defects such as separation or segregation, non-uniform chemical composition, concentration.
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dax iwpurities .soil ia limits to our cristanz impurities $ t $ yes .xre the limit of columnar crystals, the formation of cavities or blisters, gas occlusions and the like, as well as flow lines which are formed as a result of mechanical work and the crushing of large crystals.
This new special primary structure retains most of the characteristics indicated above after mechanical work such as rolling, forging and extrusion and (or) after heat treatment, this new structure lending itself more easily than the structure of previous products to these operations because of its uniformity which gives the products so worked or treated a distinctive structure different from that of similar products from ingot or other molten metal cast in the usual way.
In addition, the cooling and solidifying effect due to the walls of the mold (effect which occurs when molten metal is poured into the mold), the formation of the subsequent cooled and solidified layer and the distinct zones of crystallization are suppressed in products made with a sub-cooled metal or alloy.
The invention also makes it possible to obtain a new crystal structure in alloys and
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more particularly in alloys with a high content of alloy components such as, for example, high-speed tool steel and stainless steel. In these alloys as they are now cast, alloys from molten materials poured into a sand casting mold or ingot mold, selective solidification of the metals in the alloy composition occurs. inevitably inside the columnar and equidistant axis crystals that formed.
When this occurs, this selective solidification gives the crystals a more heterogeneous chemical composition with segregation or separation of certain components and the α impurities. the limit of crystals, which considerably reduces the particular inherent properties of these alloys, properties due to which their use has developed and such as resistance to corrosion, acids, abrasion, the ability to harden and cut as well as other physical properties.
Due to the sub-cooling of the molten alloy to the point where it crystallizes spontaneously throughout the mass of the solid product formed, which is one of the essential features of the present invention, sub-cooling. The initial homogeneous composition of the alloy in the molten state is fully maintained in each of the small dark crystals and this composition is still maintained after mechanical working and heat treatment. This entirely new crystalline structure, different from that of other products, considerably increases the known intrinsic properties of these alloys and widens the field of their application.
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The main object of the invention is an apparatus for the production of continuous solid and tubular products having the above-mentioned crystalline structure, although the apparatus can be used also for the production of powdery products,
In order for the invention to be fully understood, it will now be described with reference to the appended drawing in which:
Fig. 1 is a vertical sectional view of an apparatus established in accordance with the invention; this figure shows, in cross section, a water-cooled mold for the manufacture of continuous products;
Fig. 2 is a cross-sectional view of the apparatus shown in FIG. 1;
Fig. 3 is a top view of the apparatus shown in FIG. 1;
Fig. 4 is a vertical sectional view of a double-belt apparatus for the manufacture of continuous bimetallic products;
Fig. 5 is an elevational view, partly in section, of a variation of the apparatus for forming a continuous bar-like product;
Fig. 5a is a sectional view taken along the line of FIG. 5;
Fig. 6 is an end view partially in section of the arrangement of vertically aligned spaced shafts, looking from left to right in FIG. 5;
There fig. 7 is a partial plan view of the upper pair of horizontally aligned shafts
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of fig. 5 and certain associated bodies;
Fig. Finally, 8 is a vertical sectional view, partly in elevation and partly in schematic form, of an apparatus for making a continuous tubular product such as a seamless tube.
As can be seen in the drawing, figs.
1 to 3 schematically show an apparatus established in accordance with the invention for cooling a strip or ribbon and for producing shock effects. The strip or tape 242 is made of steel tape or other metal; it is analogous to a bandsaw band and can be made of any other non-combustible material but preferably having in section the shape shown in FIG. 2. This belt 242 moves on grooved pulleys 243 and 244 at a high speed; it is driven by means of a control groove pulley 245 which is connected to an engine or to a transmission belt via a shaft 255.
The molten metal is poured into a vessel 239, the nozzle of which is in contact, at 241, with the groove 257 of the strip 242. The vessel 239 is supported above the frame 254 of the. machine. A steady stream of molten metal flows from the nozzle 256 and is propelled into the groove 257 of the tape 242. The film which forms on the tape is very thin and as the tape moves over the pulleys 244 this animated film d a high speed breaks and thus produces a fine stream of sub-cooled metal particles; it is propelled into the mold 247 thus forming a solid metal product of any desired section or taking a shape corresponding to that of the mold.
This can be cooled using a cooling jacket.
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ment 248 having an inlet pipe 250 and an outlet pipe 249 so as to maintain the mold at a constant temperature. Two rollers 252 and 253 drive the solid bar 251, which has formed, at a speed which depends on the weight of the metal flowing per minute from the nozzle 241 and the section of the metal product formed. The speed can be varied tape determining the spraying of the film so that this speed corresponds to the peripheral speeds of the rotating disk shown in figs. 1 and 2 of the related patent application filed on September 12, 1938 and entitled:
"Improvements in apparatus for the manufacture of products from molten material".
This gives the same sound-cooling and spray condition and the same characteristics as indicated above in the case of continuous length metal products. The strip or tape 242 passes through a cooling liquid 246 contained in a cavity 246 'arranged in the frame 254, this liquid being intended to maintain the tape at a constant temperature so that it can receive a film of molten metal and that the operating conditions of the apparatus are thus kept constant. Using this embodiment of the apparatus, strips or ribbons of sheet metal or pieces of any other size, of any width and thickness, can be formed.
As previously indicated, the container nozzle 239 and the rib may be large enough to provide a suitably shaped metal film.
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depending on the final product you want to have. In or between the rollers 252 and 253 will pull the strip, the sheet or the metal part thus formed at a speed which depends on the quantity of molten metal delivered by the nozzle of the container. The sub-cooled and atomized particles can be thrown against the surface of a strip of metal and thus form the coating, or they can be collected as powdered or granulated metal particles in a long funnel which 'we will replace the mold 247.
Fig. 4 shows an embodiment in which two atomizer tapes 242 'are arranged so as to project a metallic product 251' consisting of two layers and to give it a shape of continuous length. Suitable covers 247 'prevent metal films from coming into contact with air; a vacuum can be created if desired * or certain other gases can be forced into the space in question in order to avoid oxidation or in order to induce the desired chemical reactions with the molten metal used. The various metals are placed in containers 239 'arranged above the bands or ribbons.
In fig. From 5 to 7 there has been shown a two-belt machine for cooling and producing shocks, a machine established in accordance with the invention. In this machine the main frame 1 came from the foundry and provided with two fixed shafts 2 and 3 mounted in said frame. Each of these shafts is sliding and preferably placed on a casting / adjustable part, subjected to a determined tension.
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mined by a spring or hydraulic device not shown in the drawing. Drums or pulleys 4 and 5 are respectively mounted on shafts 2 and 3, turning idle. On either side of the median plane of the frame 1 are mounted molded parts 6 and 7 in the form of stirrups.
The position of these stirrups can be adjusted with respect to the median plane of the frame by means of bolts 8 and 9 which pass through corresponding slots 10 and 11 of these stirrups. Each of these comprises two bearings 12 and 13 in which rest the shafts 14 and 15 which extend behind the main frame 1. Toothed wheels 16 and 17 are mounted on the rear ends of these shafts 14 and 15. , the shaft 14 being further connected directly by a suitable coupling not shown in the drawing to a variable speed drive not shown also, or being provided with a pulley driven by a belt not shown which is controlled by a engine not shown in the drawing.
It is clear that when the shaft 14 rotates at a certain speed the shaft 15 is driven at the same speed and in an opposite direction by means of the gears 16 and 17.
Below the shafts 14 and 15 and in vertical alignment with them and at a certain distance from them are arranged bearings 18 and 19 provided on either side of the brackets 6 and 7. The position of these bearings is adjustable in slides 20 and 21 so that the shafts 22 and 23 supported by said bearings can be moved towards the shafts 14 and 15 or moved away from them so as to vary the vertical deviation. On each of shafts 14 and 15, a row of spaced discs 24 and 25 are attached or keyed. Each disc 24 or 25 has the same diameter and
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the discs in each series are equidistant.
The discs 26 and 27 are similarly attached or keyed to the shafts 22 and 23 but the discs 24 are offset from the discs 26 while the discs 25 are offset from the discs 27 such that when the shafts 14 and 22 well the shafts 15 and 23 are rotated, the offset rows of discs do not come into contact or do not rub against each other.
Over the drum 4 passes an endless metal belt 28 made of steel, copper or a copper alloy; this drum may have suitable edges ensuring the guiding of the belt, which also passes over the discs 24 and 26 which form a discontinuous cylindrical surface of the same diameter.
An endless metal belt 29 runs in the same way over the flanged drum 5 and over the discs 25 and 27 which also form a discontinuous cylindrical surface of the same diameter. A suitable tensioner is provided for each drum and for each belt so that the belts 28 and 29 will always be under an appropriate tension whatever the distance which has been set between the shafts 14 and 22 on the one hand and the shafts 15 and 23 on the other hand.
The machine is designed to include belts of specific width and thickness. The thickness and material chosen for each belt determines the minimum diameter of the drum, or pulley, on which it can be curved without resulting in permanent deformation of the belt because the bending force must be less. at the limit run
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elastic material of selected composition and thickness to ensure long life without disturbance.
Another determining factor in the construction of the machine is the contact length required for a film of molten metal of a specified thickness with a belt or with cooling sections of material and thickness selected from so as to transmit a determined quantity of heat to the belt or to the cooling sections at an available or predetermined speed of movement of the film on the one hand and of the cooling sections on the other hand.
This contact length for any given speed can be calculated mathematically for each metal used. By forming a thin film at high belt speed, it is found that below the contact length required to cool the molten metal to its solidification point is relatively small. In the embodiment shown in the drawing, account has been taken both of the need for a large diameter pulley not to overload the material of the belts and also of the need to ensure a small distance between the centers of the belts. - lees supporting the belts, this distance being the desired contact length of the film with the two mobile belts.
Under these conditions, it becomes possible to satisfy and adjust the soft main adjustment factors mentioned above.
Two endless spacer belts 30 move on grooved pulleys 31 and 32 and these belts are disposed flush with and parallel to the edges of the belt 29 so as to match.
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providing an opening 30a of predetermined or adjustable dimensions, which determines the width and thickness of the formed metal film. The belts 30 are frictionally driven by the belts 28 and 29 when the latter are controlled. A close correlation can be achieved and maintained by appropriate adjustments of calipers 6 and 7.
A container 33 is placed above the discs 24 and 25 and supported so that its lower tapered end rests on the belts 28 and 29 with just sufficient friction to ensure a complete airtight seal of the molten metal. or material 34 flowing through the lower orifice or outlet 35.
A mold 36 is also supported below the disks 26 and 27 so that it bears enough on the belts 28 and 29 to ensure complete airtightness. This mold may have a water cooling jacket 36a through which water is circulated which is supplied through line 36b and discharged through line 36c. The mold 36 can be placed on a pair of rollers or cylinders 37 and 38 placed horizontally and the peripheral speed of which is adjustable so as to correspond to the operating speed of the machine described above.
During operation, molten metal
34 is discharged from the container 33 through the outlet port 35 as a result of the movement of the belts 28 and
29, the speed of the flow depending on the speed of these belts and the dimensions of the orifice 30a; the molten metal thus forms a film 39. In the absence of
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any contact with air, this film transmits heat to the belts 28 and 29, the length of the rectilinear movement of which has been predetermined or adjusted so as to eliminate a determined and previously established quantity of heat contained in said film the thicknesses according to belts, their thermal conductivity and the condition of their surfaces.
At the end of the rectilinear movement of the belt, the cooled film 39 separates from the belts 28 and 29 and continues to move in the same direction and at the same speed which were imparted to it by these belts, always remaining without any contact with air. The film then strikes on its own, at its high speed, the upper surface 40 of the casting 41 which has been impacted previously and which has solidified in the mold 36 and has been withdrawn therefrom. operations occurring continuously and simultaneously. The casting 41 thus formed is continuously withdrawn from the water-cooled mold 36 by the rolls 37 and 38 which provide a finished solid product 42 of continuous length as long as the molten metal is supplied to the vessel 33.
As the film 39 of sub-cooled metal will easily shape itself so as to conform to the contour of the mold 36 at its acquired high speed due to the fact that this film is still plastic when hit the mold! as, on the other hand, this film crystallizes spontaneously inside the mold and thereon, continuous products of any suitable shape can be obtained such as rods, bars, plates, rails, beams, angles, profiles of particular shape and similar parts,
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which can then be formed, finished and shaped as to their surface by the cylinders 37 and 38 which continuously draw the products from the mold 36.
These products exhibit and will retain the special solidified structure described above.
In order to remove the heat transmitted to the belts 28 and 29 during the formation and cooling of the film 39, a stream or jet of water is supplied to these two belts, as has been previously described. shown at 43 and 44, this current or jet of water acting on the lower bearing surface of each of these belts before they wind around the drums or pulleys 4 and 5. The construction of the machine makes it possible to give this part of the belt a length such that water or other cooling medium, by cooling the molten metal, completely disperses the acquired heat. Any water left on these belts is removed by scrapers 45 and 46 which make the surfaces of these belts clean and dry before they again come into contact with the stream of molten metal.
The water collected in the housings 47 and 48 is discharged through the pipes 49 and 50.
Fig. 8 shows a stationary, continuous mold 103 of circular section, comprising a cooling jacket 104 and intended to produce seamless tubes or tubular products. The consolidated and sub-cooled metal film can be supplied by a machine as shown in FIG. 5;
This film 105 has predetermined dimensions; it is propelled at the desired sub-cooling temperature, without contact with air, inside the side arty
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At anchor 103 as shown in the drawing.
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This can be easily achieved by the thickness of the hundredth film is only of the order of a millimeter and is less than the thickness of the wall of the tube to be obtained. In the central part of the mold 103 is disposed a mandrel 106 of dimensions required to obtain a tube of the desired internal diameter. This mandrel is maintained at a determined height in the mold; it comprises a hollow shaft 107 rotating in a bearing 108 placed at the upper part or cover 109 of the mold: A pulley 110 is fixed on the shaft 107; it is driven by a belt 111 connected to a suitable motor not shown in the drawing, which drives said pulley.
A stream of water is directed by a pipe 112 through the hollow shaft 107 of the mandrel and into the interior of the mandrel itself; this stream of water strikes against the interior wall of tube 113 during its formation passing through the passage indicated at 114. Under these conditions, the mold and mandrel are maintained at a constant temperature and the tube 113 is cooled as soon as it is formed.
The tube 113 is withdrawn from the continuous mold 103 by the cylinders 115 and 116 at a speed corresponding to the rate of formation of the tube, the latter depending on the feed speed of the film 105.
As this film retains a certain plasticity and mobility, it will shape itself, at the speed acquired by projection in the mold, will follow the shape of the annular space formed between the mold 103 and the mandrel 106 and it will crystallize. to present the structure described above. The water-cooled mandrel 106 is rotated at peripheral speed
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sufficient to overcome the reduced wall contraction of the portion of tube 113 that has formed. Tubular products with satisfactory interior and exterior surfaces and uniform structure possessing the optimum physical properties can be obtained in this way, in continuous length, from metals, molten alloys or other cirps by the use of quantities. negligible energy.
It was previously indicated that the apparatus shown in FIGS. 1 to 3 can be used for the manufacture of any powder material from raw materials. It is understood that this also applies to the apparatuses shown in the other figures, apparatuses in which it is obviously necessary to avoid the impact action by which the particles subcooled to each other. ; these devices in fact allow said particles to travel a distance such that they solidify individually to form the desired powder, / small constituted by solid particles. The molds shown in the drawing may be replaced by suitable containers occupying a position such that they can receive said powder material.
Of course, various modifications can be made in the devices described without departing for this from the spirit of the invention.