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pour : "Appare il pour le moulage continu des métaux"
La présente invention est relative à un appareil pour le moulgge continu des métaux.
Il y a longtemps qu'on a proposé d'introduire continuellement du métal fondu dans une des extrémités d'un moule, de solidifier ce métal dans
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ce moule et de retirer continuellement le métal solidifié de l'autre extrémité du moule. Cette opération est généralement appelée "moulage continu", et l'invention a pour objet un appareil perfectionné pour sa réalisation.
On décrira particulièrement l'invention en se référant au moulagecontinu du cuivre et des alliages de cuivre, mais il est bien entendu que les principes de cette invention peuvent être appliqués au moulage de métaux et alliages, tant ferreux que non ferreux.
Pour mieux faire comprendre l'invention et faciliter sa mise en pratique, on la décrira ci-après en se référant au dessin annexé sur lequel :
La figure 1 est une coupe longitudinale de l'ensemble d'un four de moulage et de ses accessoires, cet ensemble comportant l'application de certains des principes de l'invention;
La figure 2 est une coupe par la ligne 2-2 de la figure 1;
La figure 3 est une coupe verticale à grande échelle du moule ou matrice de la figure 1 et montre des détails de son montage dans le four, ainsi que des détails de ses moyens de refroidissement;
La figure 4 est une vue analogue à la figure 3, mais montrant la chemise de refroidissement du moule dans une position inférieure;
La figure 5 est une coupe horizontale par la ligne 5-5 de la figure 3;
La figure 6 est une coupe verticale d'un moule analogue à celui représenté sur la figure 3, maia représente la conicité du moule à froid;
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La figure 7 .est une vue en plan d'une forme de four de moulage qui diffère de celle des figures 1 et 2 mais comporte l'application de certaine principes communs et analogues;
La figure 8 est une coupe verticale par la ligne 8-µ de la figure 7 ;
La figure 9 est une coupe verticale par- tielle par la ligne 9-9 de la figure 8, montrant des détails d'un trou de coulée du four;
La figure 10 est e vue en élévation verticale latérale à grande échelle, avec coupe partielle, d'une portion du four de la figure 8, montrant des détails de la construction du moule et des chemises de circula- tion d'eau;
La figure 11 est une coupe horizontale par la ligne 11-11 de la figure 10;
La figure 12 est une coupe verticale d'une forme différente d'ensemble de four de moulage et de ses accessoires, comportant l'application de certains principes communs ou analogues de l'invention;
La figure 13 est une coupe par la ligne 13-13 de la figure 12 ;
La figure 14 est une coupe verticale à grande échelle montrant des détails de construction au moule de la figure 12.
Les mêmes nombres de référence dési- gnent des organes semblables sur les diverses figures du dessin.
Les figures 1 et 2 représentent une forme de four de fusion, de coulée et de moulage et des dispositifs accessoires s'y rapportant, le four comprenant des parois latérales 10, des parois extrêmes
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12 et 14, une paroi inférieure ou sole 16, un toit ou voûte 18 et un mur d'autel 20 s'étendant en travers du four près de son extrémité de chargement.
Une ouverture de chargement 22 est prévue dans la voûte 18 et les parois extrêmes 12 et 14 présentent respectivement une ouverture à brûleur 24 et un carneau d'échappement 26. La sole 16 est recouverte d'un revêtement en matière carbonée 28 qui s'élève de ladite sole le long des parois latérales 10 et des parois extrêmes 12 et 14 jusqu'en un point situé un peu au-dessus du niveau 30 du métal du four. Audessus de l'ouverture 2 se trouve une goulotte ou poche de chargement 32 et, à l'autre extrémité du four, se trouve une goulotte ou buse de coulée 34 à l'aide de laquelle on peut vider le four de son contenu par un trou de coulée normalement fermé (non représenté). Des couches de charbon 35 et 35a recouvrent le métal 31 que contient le four.
La sole 16 et le revêtement 28 sont interrompus à l'extrémité du four opposée à l'extrémité de chargement et sur l'autre c8té du mur ou chicane 20 pour recevoir un support en forme de cuvette renversée 36 qui est convenablement fixé en place par des briquettes 38 et du ciment réfractaire, ce support constituant le dispositif de,montage du moule 4u dans lequel le métal est solidifié. Le moule 40 est entouré par une chemise de refroidissement 42 dont on peut modifier la position par rapport au moule d'une manière facile à comprendre par des tiges filetées 44 portées par une console 4b et commandées par un volant 48. Au-dessous du moule 40 se trouve une rallonge ou chemise de refroidisseme nt auxiliaire 50.
On a représenté des poulies d'entraînement à gorge
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réglables 52 permettant de retirer la pièce moulée 54 ainsi qu'une filière 56 servant à étirer la pièce et un dispositif d'enroulement 58 servant à la mettre en bobine.
Le moule 40, qui est de préférence fait de graphite dense ou d'une autre matière remplissant les conditions spécifiées dans le brevet belge N 418.162 , est noyé dans le support 36 et fixé dans ce support par un écrou de blocage 60, comme il ressort des figures 3 et 4.
L'extrémité inférieure du moule 4U va en se rétrécissant extérieurement vers son orifice d'échappement et est complètement entourée par une chemise de refroidissement 62 faite d'un métal de conductibilité thermique élevée, tel que le cuivre forgé* Cette chemise est munie de tuyaux d'arrivée 64 et de départ 66 permettant d'y faire circuler un fluide réfrigérant et présente intérieurement une forme conique inverse et complémentaire du cône extérieur du moule de façon à permettre le mouvement longitudinal de la chemise et du moule l'un par rapport à l'autre.
Comme il ressort des figures 3 et 5, la rallonge de moule ou chemise auxiliaire 50 est composée de deux moitiés 68,70 et est placée audessous du moule 40 et de sa chemine de refroidissement 62, où elle est supportée par tous moyens appropriés (non représentés, Les moitiés de rallonge sont assemblées élastiquement par un système de boulons et de ressorts d'un type courant, et chacune d'elles est munie de tuyaux d'arrivée 71 et de départ 72 du fluide réfrigérant. Les deux moitiés sont pourvues de garnitures 74, qui sont en graphite ordinaire ou
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matière analogue et en contact avec la tige ou barre moulée 54.
Les figures 5 et 4 représentent le moule 40 rempli de métal fondu en cours de solidification pour constituer la barre moulée 54. La zone intermédiaire, c'est-à-dire comprise entre le métal entièrement fondu et le métal entièrement solidifié, est désignée par 76. On voit que, dans ces figures, le moule 40 présente un alésage cylindrique.
La figure 6 montre un moule qui est analogue à celui des figures 3 et 4 (les pièces identiques ayant été désignées par les mêmes nombres affectés de la lettre a) mais représentant le moule à la température ambiante, à laquelle son conduit intérieur va en se rétrécissant vers son orifice d'entrée indiqué en 78. On a obtenu de bons résultats aveo une conicité de 21 mm par mètre pour le moulage de barres de cuivre de 25 mm environ de diamètre, l'alésage du moule étant apparemment à peu près cylindrique aux températures de moulage, comme représenté sur les figures 3 et 4. En outre, sur la figure 6, la surface supérieure du moule 40a fait légèrement saillie audessus du support 36a , comme indiqué en 80, et les surfacesde contact de la chemise d'eau 62a et du moule ne sont pas coniques, la chemise étant emmanchée à chaud autour du moule.
On se référera maintenant à la construction modifiée de four et d'ensemble de moule représentée sur les figures 7 à 11. On voit que le four est muni d'un toit ou couvercle détachable 218 et d'un joint hermétique 219 constitué par des rebords coopérants fixée aux pourtours respectifs du couvercle
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et des parois latérales et extrêmes du four, comme représenté clairement sur les figures 7,8 et 9. Le four est pourvu intérieurement d'un revêtement ou garniture 228 d'une matière carbonée qui est de préférence un graphite de la pureté du commerce de faible teneur en cendres (2,5 %'ou moins). Un mur d'autel ou chicane 220, également en graphite, divise le four en deux compartiments, un compartiment 221 recevant le métal et un compartiment à moule 223, un passage 225 étant prévu entre ces deux compartiments.
Un tube en graphite 232 servant à introduire le métal est prévu pour le compartiment 221, et il est aussi prévu un trou de coulée 229 constitué par un tube en graphite 233 taraudé pour recevoir un bouchon fileté 235, la partie saillante extérieure du trou de coulée étant normalement fermée par un couvercle 237 (figure 9).
Des résistances en graphite 239 sont prévues pour chauffer le four électriquement. Le niveau 231 du métal 230 est indiqué sur la figure 8, et il en est de même de la zone intermédiaire 276 du moule 240.
Sur la figure 10, on a représenté' non seulement les détails du moule 240 et de sa chemise de refroidissement 262 qui sont indiqués sur la figure 8, mais aussi les détails de la rallonge ou dispositif de refroidissement auxiliaire 250 qui n'étaient pas représentés sur la figure 8. On voit sur la figure 10 que le moule 240 est monté dans un support 236 qui interrompt lui-même la sole du four et est fixé dans cette sole par un pas de vis 300.
Un assemblage à pas de vis 302 coopère avec un collet annulaire 304 du moule pour assurer un montage étanche au métal du moule dans le support. Le moule 240 est
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fait de graphite dense satisfaisant aux spécifications précédemment mentionnées au sujet du moule 40 et est proportionné de façon à faire saillie dans le compartiment 223 d'une courte distance au-dessus de la face supérieure du support 236 et de la garniture de la sole du four. On voit que la portion du moule 240 qui s'étend au-dessous du support 236 et est entourée par le chemise 262 est conique extérieurement, de sorte que la paroi du moule s'@mincit progressivement du collet 304 à l'orifice de sortie du moule.
Une caractéristique du moule 240, qui est destiné à la production de pièces moulées de diamètre relativement grand, réside dans son contour intérieur, celui-ci étant établi en vue d'assurer un contact uniforme et précis du métal avec la surface de l'alésage ou conduit du moule en tous les points de son passage dans ce conduit, sans provoquer toutefois aucune action de coincement ou de pincementBien entendu, ce contour intérieur est susceptible d'être modifié pour des métaux différents, des pièces de différents diamètres, etc.., de sorte que les données indiquées ciaprès, qui ont été satisfaisantes pour la fabrication industrielle de billettes de cuivre de 75 mm, ne doivent être considérées qu'à titre d'exemples.
Dans ce cas, le moule en graphite dense 240 avait une longueur totale de 204,8 mm et un diamètre de 80 mm à son orifice d'entrée, indiqué en A sur la figure 10. De A à B, sur une distance de 96,8 mm, le diamètre a augmenté uniformément jusqu'à 80,7 mm et, à partir de ce point B, le diamètre a augmenté jusqu'à 80,9 mm, au point C, sur une distance de 12,7 mm Sur les 25,4 mm suivants (du point C au point D), le
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diamètre était constant et, sur les 69,8 mm suivants de sa longueur (du point D au point E), le diamètre a diminué uniformément jusqu'à 80,2 mm.
L'épaisseur de la paroi du moule était sensiblement comme suit : 10,15 mm environ de son orifice d'entrée au filetage 302, 12,3 mm environ sur toute la longueur de ce file- tage jusqu'au point 0 (à l'exception du collet 304); elle a alors diminué uniformément, sur les' 101,5 mm restant de la longueur de 12 mm environ, à 4,3 mm, cette portion assurant un joint de oonicité constante avec la chemise 262.
La chemise de refroidissement 262, qui est faite de cuivre forgé et possède intérieurement une forme conique pour s'ajuster à la conicité exté- rieure du moule 240, est munie d'une cloison 306 divisant l'intérieur de la chemise en deux chambres 308 et 311, la chambre 308 ayant une largeur sensible- ment constante, excepté à sa partie inférieure où la cloison 306 s'élargit pour constituer un évasement 313. l'orifice par lequel le fluide pénètre dans la chemise est désigné par 315 et lorifice de sortie par 317' Une cloison annulaire 319 règne presque entièrement autour de la pièce 306 edivise ainsi la chambre 311 en une portion supérieure 321 et une portion inférieure 323. Des orifices 325 sont prévus à la partie supérieure de la cloison 3Ub et des orifices 327 sont prévus dans l'évasement 313.
On voit ainsi que l'eau intro- duite sous pression par l'orifice d'entrée 315 passe par les orifices 327, monte dans la chambre 308, pénè- tre par les orifices 325, dans la chambre 321, passe alors par l'interruption de la cloison 319 dans la chambre 323 et s'échappe par l'orifice 317, en refroidissant ainsi le moule 240 par une mince nappe
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ou pellicule d'eau qui circule à une vitesse élevée, conformément au fait bien connu et établi que le refroidissement est un phénomène de surface plutôt que de volume.
En se référant à la figure lU en même temps qu'à la figure 11, on voit que la rallonge de moule ou Bhemise de refroidissement auxiliaire 250 comprend une série d'unités, 329a, 329b 331a, 331b et 333. Les deux premières unités, 329a et 329b, sont identiques, chacune d'elles comprenant une série de segments en métal coulé coopérants 335a, 335b et 335c, chaque segment étant composé d'une moitié ou section supérieure 337a et d'une moitié ou section inférieure 337b. Les sections sont assemblées avec une plaque 339 pour constituer des chambres 34U et 342 et sont assemblées fermement par des boulons 361, les divers segments étant d'autre part accouplés élastiquement par des boulons à ressort 341 qui traversent des pattes complémentaires 343 et 345 des sections adjacentes.
Chacun des segments est pourvu d'un orifice d'entree de fluide réfrigérant 347 débouchant dans la chambre 542, d'elle fluide monte par des conduits 349 dans la chambre 34U et quitte celle-ci par un orifice 351. Les sections des divers segments sont de préférence faites d'aluminium fondu en raison de la légèreté de ce métal, de sa conductibilité thermique élevée et de la facilite de son moulage; et chacune d'elles est munie d'une garniture en graphite à électrode ordinaire 353 qui entre en contact avec la barre moulée 254 (figure 8).
Les unités 331a et 331b sont analogues aux unités 329a et 329b à l'exception de l'interca- lation d'une section intermédiaire 355 dans chaque
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segment et des légères modifications inhérentes à cette interoalation, comme il ressortira des dessins, L'unité 333 diffère des autres unités en ce que les segments ne sont pas sectionnés, sa construction étant analogue à celle de la rallonge 50 de la figure 3.
Une pièce 39 supporte les diverses unités de la rallonge 250 à l'alignement du moule 240, cette pièce étant supportée indépendamment du moule 240 et de sa chemise 262, de toute manière appropriée, non repré- sentée .
On se référera maintenant à la construction d'appareil modifiée des figures 12 et 13.
Le four représenté dans ces figures comprend un corps réfractaire 410 enveloppé par une @ine en acier 412 et pourvu d'un couvercle détachable 418. Ce couvercle comprend un corps réfractaire 414 enveloppé par une gaine en acier 416 et comporte un double joint 419 qui s'étend autour de l'extrémité supérieure entière du four et est composé d'ailes ou rebords coopérants 411 et 413 soudés respectivement aux gaines 412 et 4160 On réalise l'obturation hermétique en remplissant les compartiments constitués par les rebords 411 l'un de sable ou d'une matière granuleuse équivalente, l'autre d'un liquide non volatil, tel qu'un distillat de pétrole à point d'ébullition élevé.
Le laboratoire du four est pourvu d'un creuset en graphite 428 dont une des extrémités 420 divise le four en un compartiment récepteur de métal 421 et en un compartiment de coulée 423. Une lumière 425 de la paroi 420 constitue le seul chemin permettant l'écoulement du métal du compartiment 421 dans le moule 540. Au-dessus du fond du creuset 428 se trouvent des blocs de graphite qui sont convenablement suppor-
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tés par les ctés du creuset et constituent deux faux-fonds 422 et 424 présentant respectivement des lumières 426 et 427. Un conduit en graphite 432 va d'une poche ou réservoir de chargement 481 pourvu d'un couvercle ocelle 483 au sommet du faux-fond 422.
Le four est chauffé électriquement par des résistances en graphite disposées horizontalement entre une paroi intérieure ou fond 482 et une paroi supérieure ou plafond 484, ces deux parois étant faites de blocs ou dalles en graphite et supportées par des fers à U incorporés aux parois latérales du four. Les éléments de chauffage (figure 13) comprennent deux bornes formant résistances en graphite 465 et 466 se terminant à l'intérieur du four par des blocs de connexion 4b7,4b8. Les résistances en graphite 469, 470 traversent des trous de la plaque de support en graphite 471 et relient respectivement les blocs 467, 468 à des plaques de contact en graphite 472,473, elles-mêmes connectées avec la plaque de support 471 par des éléments de résistance en graphite plus courts 474,475.
Dans le compartiment à moule 423 (figures 12 et 14) est disposé le moule 540 qui, de même que les moules 40 et 240 précédemment décrits, est usiné à partir d'une pièce de graphite dense satisfaisant aux conditions spécifiées dans le brevet susmentionné. Le moule 540 et sa chemise de refroidissement 562 sont identiques à la plupart des points de vue aux organes analogues de la figure 10.Le moule est fixé dans un support 536 par un filetage 537 qui se visse dans le support et par une rondelle de graphite 538.
Le support est lui-même monté dans un prolongement 539 du creuset en graphite 428 et
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fixé par un pas de vis 563. Le fluide régrigérant destiné à la chemise 62 arrive par un tuyau 515 et circule de la même façon que celle décrite au sujet de la chemise; 262 (fig. 10), pour s'en échapper d'une manière analogue par un autre tuyau,non représenté.
Un joint est prévu pour empêcher l'accès de l'air à la surface autrement exposée du prolongement 539 du creuset 428, au support 536 et au moule 540 par une pièce 531 présentant une rigole 532 qui est remplie de sable ou d'un autre agent d'obturation 534 et dans la- quelle pénètre une virole d'obturation 535 lorsque l'ensemble du moule est à l'état de fonctionnement,, Un tuyau 541 est prévu pour introduire un gaz non oxydant dans une rainure 542 prévue à l'extrémité inférieure de la chemise 562, ce gaz passant de ladite rainure par des trous 543 pratiqués dans l'extrémité du moule 540 pour empêcher l'oxydation de la nouvelle pièce moulée.
Une autre caractéristique du four des figures 12 à 14 réside dans un dispositif d'échappement de gaz 520 qui est en graphite et placé directement au-dessus de l'orifice d'entrée du moule 540, ce dispositif comprenant une cheminée 521 qui présente un conduit d'échappement 522 et qui est fixée dans une embase en graphite 523 par un assemblage à pas de vis 524. L'Eu- base 523 est elle-même montée dans la paroi 420 et le prolongement 539 du creuset 428 par un assemblage à pas de vis 525.
On remarquera que le conduit d'échappement 522 possède une section transversale beaucoup plus pe- tite que la cavité du moule 540 ; parsuite, lorsque le métal contenu dans ce conduit tend à atteindre le même niveau que celui du métal contenu dans le creuset, la
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pression hydrostatique du métal pénétrant dans le moule pour y subir une solidification n'est pas excessive. On obtient par conséquent l'effet d'une faible hauteur de métal au-dessus du métal que contient le moule. En outre, le dispositif d'échappement de gaz assure l'élimination directe et facile du gaz à mesure que celui-ci est chassé par le métal en cours de solidification sans permettre au gaz mis en liberté d'entrer en contact avec la masse principale de métal que contient le four.
Immédiatement au-dessous du moule est disposée une rallonge ou dispositif de refroidissement auxiliaire 550 composé d'unités sectionnées relativement courtes 551 et d'une unité sectionnée relativement longue 552. L'ensemble du moule est monté élastiquement à l'aide de ressort 571 sur un support 572 qui est porté par un des bras 573 d'un support 574. Le support 574 peut être déplacé verticalement sur une colonne 575 à l'aide d'un arbre fileté 576 recevant sa commande d'une source de force motrice, non représentée, à l'aide de pignons d'angle 577. Des paires 578, 579 de poulies à commande mécaniques placées en regard l'une de l'autre dans chaque paire sont prévues pour retirer la barre moulée 554 du moule 540 à mesure que s'effectue la solidification.
Dans le moulage%interviennent divers facteurs
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/oont1nu qu'il est nécessaire de considérer si l'on veut réaliser l'opération sur une échelle industrielle satisfaisante.
Ces facteurs et les principes sur lesquels ils sont basés ont été discutés en détail dans la demande de brevet français de même date que la présente et ayant pour titre "Procédé de moulage continu de cuivre et des alliages
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de cuivre"; et l'on verra par la suite que l'observation convenable de ces facteurs est grandement facilitée par l'appareil objet de la présente invention.
Après la préparation préliminaire du cuivre (ou autre métal) à mouler, c'est-à-dire le procédé auquel on soumet ce métal pour le rendre commercialement exempt de gaz et le désoxyder, ledit métal est introduit dans un four du genre de ceux représentés sur le dessin en vue du moulage.
Dans le type de four des figures 1 et 2, le cuivre est introduit par l'ouverture 22 dans la couche épaisse de charbon 35 (charbon de bois préalablement enflammé de faible teneur en soufre 1) et déposé sur la sole, d'où il péàètre en passant sous le mur d'autel 20 dans le second compartiment du four, contenant le moule 40. 'Une couche de charbon 35a est prévue dans ce second compartiment de façon que le cuivre na soit pas contaminé par les gaz de combustion qui, arrivant d'un brûleur à gaz ou à huile approprié (non représenté) pénètrent dans le four par l'ouverture 24 et s'en échap- pent par le carneau 26. Par conséquent, le cuivre est maintenu à la fois dans son état de préparation et à la température voulue pour pénétrer dans le moule.
De même, dans le type de four des figures 7 à 9, le cuivre est introduit par le conduit en graphite 232 dans le comparu timent collecteur de métal 221, d'où il coule dans le compartiment à moule 223 par le passage 225 du mur d'autel 220. Toutefois, comme ce four est chauffé électriquement par des résistances 239, la couche de charbon recouvrant; le métal fondu peut être supprimée, et il en est de même du four des figures 12 à 14.
Dans ce dernier
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four. le cuivre préparé qui est introduit par la poche 481 passe par le conduit 432 sur le faux-@o@fond 422 jusqu'à l'autre extrémité du four, puis passe par la lumière 426 sur le second faux-fond 424 sur lequel il se meut en sens inverse jusqu'à la lumière 427, pour passer finalement sur le véritable fond du creuset 428, sur lequel il se meut de nouveau en sens inverse et passe par le conduit 425 de la paroi 420 dans le moule 540.
On remarquera que, dans tous les types de four, les surfaces entrant en antact avec le métal sont en carbone, de même que les moules, de sorte que, depuis le moment où le métal fondu pénètre initialement dans le four jusqu'au moment où la pièce moulée est retirée du moule, le métal est continuellement en contact avec lesdites surfaces et est maintenu à l'état convenablement exet de gaz et désoxydé. De plus, dans tous les fours, le métal est introduit à un endroit qui est éloigné du moule et les murs d'autel ou cloisons en graphite 20, 220, et 420, respectivementt descendent au-dessous du niveau normal du métal du four.
Ces caractéristiques, de même que celles consistant à prolonger l'orifice d'entrée du moule d'une courte distance au-dessus du plancher du four (fig. 8 à 10 et fig. 12 et 14), permettent de renouveler la charge du four sans agiter sensiblement le métal en cours de solidification dans le moule, en permettant ainsi le moulage sans interruption. L'importance de cette disposition permettant de renouveler l'alimentation en métal fondu sans dér@nger la continuité du moulage est encore mise en évidence si l'on tient compte du fait
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que la hauteur du métal surmontant le métal en coupa de solidification dans le moule ne doit à aucun moment être trop élevée si l'on veut éviter les imperfections de la pièce moulée.
Il est bien entendu que, avant de charger le four, le moule et sa rallonge sont pourvus d'un bouchon approprié qui empêche le cuivre fondu de s'échapper du moule avant de s'être solidifié dans ce moule. Ce bouchon est ordinairement constitué par la dernière partie de la pièce moulée d'une opération précédente et constitue l'amorce servant à retirer la pièce moulée du moule.
Pour amorcer l'opération de moulage réelle, on fait circuler de l'eau dans la chemise du moule pour solidifier le cuivre que contient le moule et le souder au bouchon ou amorce, qui est alors retirée lentement, la vitesse étant graduellement augmentée (en tenant convenablement compte de la vitesse de refroidissement du moule) jusqu'à ce que la pleine vitesse de moulage industrielle ait été atteinte, celle-ci continuant alors sans que la pièce ait été secouée. A cet effet, on a prévu les poulies de guidage à gorge 52 (fig. 1) ou 578,579 (fig.2) qui peuvent être réglables l'une par rapport à l'autre pour permettre leur adaptation à des barres moulées de différents diamètres, poulies entre lesquelles passe la barre 54 (ou 554).
L'une ou chacune de ces poulies peut être entraînée mécaniquement à l'aide d'un moteur à vitesse variable convenablement accouplé à un réduoteur de vitesse, le moteur fonctionnant en tout temps sous l'influence d'un régulateur à rhéostat approprié. Après avoir quitté les poulies 52,
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la barre peut être tirée à travers une filière (ou série de filières) 56, puis enroulée sous forme d'une bobine 58, comme représenté sur la figure 1, Ce traitement sera ordinairement appliqué dans le cas de barres de diamètres relativement faibles;
dans le cas de barres plus grosses, par exemple pour la fabrication de billettes, à laquelle l'appareil des figures 7 à 14 se prête particulièrement, une cisaille peut être substituée à la filière et au dispositif enrouleur pour sectionner la pièce moulée à des intervalles prédéterminée.
Un facteur dont il est important de tenir compte dans la fabrication continue de pièces moulées saines sur une échelle industrielle est celui qui consiste à observer une relation convenable entre les taux de refroidissement et de moulage de façon à assurer une cristallisation radiale de la pièce, c'est-à-dire une structure dans laquelle les cristaux de cuivre sont sensiblement perpendiculaires à l'axe de la pièce ou tout au plus inclinés de la périphérie de la pièce vers l'axe de cette pièce suivant un angle qui n'est pas inférieur à 45 .
Non seulement cette relation donne un produit supérieur, mais elle garantit que la zone intermédiaire dans laquelle le cuivre fondu se solidifie aura une hauteur ou épaisseur suffisamment faible pour éviter l'accumulation et l'emprisonnement de gaz qui se produiraient autrement et qui provoqueraient la rupture de la pièce ou, au moins, en rendraient certaines parties défectueuses.
Divers moyens peuvent être prévus pour établir la relation voulue entre les taux de refroidissement et de moulage à la mise en train
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du moulage et maintenir cette relation jusqu'à la pleine vitesse industrielle. Ainsi, avec un moule conique et une chemise d'eau réglable tels que ceux représentés sur les figures 3 et 4, on peut utiliser dès le début le débit maximum d'eau de refroidissement en abaissant légèrement la chemise (fig. 4) de façon que le métal que contient le moule ne reçoive qu'une partie du plein effet de refroidissement dont est capable la chemise, On retire alors lentement la barre moulée 54, ce qui amorce l'opération de moulage.
On augmente alors graduellement la vitesse d'entraînement de la barre et, en même temps, on ajuste plus fermement la chemise 62 sur le moule 40 en faisant tourner la vis 44, ce qui augmente la quantité de chaleur empruntée au métal fondu, de sorte que, lorsque la pleine vitesse d'entraînement a été atteinte, la position qu'occupe la chemise sur le moule est celle représentée sur la figure 3.
Au contraire, avec le type d'appareil de la figure 6 dans lequel la chemise 62a est emmanchée à chau sur le moule 40a, le refroidissement du métal que contient le moule peut être réglé pendant la période de mise en train par le réglage du débit de l'eau passant dans la chemise du moule, l'accroissement gráduel et régulier de la vitesse d'entraînement de la pièce étant accompagné d'un accroissement correspondant de la circulation de l'eau à travers la chemise. Bien entendu, avec le type de moule des figures 3 et 4, celui des figures 8 et 10 ou celui des figures 12 et 14, on peut adopter une combinaison des moyens décrits ci-dessus.
Toutefois, dans tous les cas, la vitesse à laquelle le métal du moule est refroidi et la vitesse à laquelle la pièce moulée est entraînée doivent
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être dans un rapport tel qu'elles assurent la cris- tallisation radiale susmentionnée,
En ce qui concerne la relation convenable entre les taux de refroidissement et d'entraînement, il y a lieu de noter que, en l'absence de l'influence d'autres facteurs, c'est l'efficacité du refroidissement qui détermine la vitesse maximum de 1'entraînement. Par conséquent, le présent appareil comporte certaines caractéristiques de construction qui augmentent la quantité de chaleur empruntée au métal et permettent ainsi d'obtenir des vitesses de moulage industrielles élevées.
Ainsi, la partie de la paroi du moule qui est enveloppée par la chemise de refroidissement et à travers laquelle la majeure partie de la chaleur est empruntée pour constituer la barre moulée est faite aussi mince que le permet la résistance mécanique nécessaire. De plus, les surfaces de contact de la chemise de refroidissement et du moule sont exactement usinées pour assurer un ajustement régulier et précis, que ces surfaces soient coniques (fig.3,4,10 et 14) ou qu'elles soient cylindriques dans le cas où la chemise est emmanchée à chaud sur le moule (fig. 6) ou qu'elles présentent les deux dispositions.
De plue, pour assurer le maximum d'effet de refroidis- sement eu égard à la quantité d'eau mise en circulation, ce qui est particulièrement important dans la fabrication de barres moulées de grande section, la chemise d'eau peut avantageusement être du type perfeotionné représenté sur les figures 10 et 14,
Une caractéristique qui exerce un effet marqué sur le taux d'extraction ou de dissipation de
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chaleur de même que sur le succès du procédé en général est la forme intérieure ou le profil lon- gitudinal du moule.
Bien que ce profil soit évidemment sujet à varier selon les diverses sortes de métal moulé, la section transversale de la pièce moulée, etc., on a trouvé que, d'une façon générale, il importe que l'intérieur du moule présente, pendant l'opération de moulage, une surface sensiblement rectiligne de l'entrée à la zone de solidification et que, de l'extrémité de cette zone à l'orifice de sortie, il existe un contact constamment précis mais sans coincement entre la paroi du moule et la pièce moulée solidifiée.
Ainsi, dans le moulage de barres de cuivre ayant environ 25 mm de diamètre, on a constaté qu'un moule ayant une portion conique s'élargissant vers l'intérieur de 21 mm par mètre de l'extrémité d'admission à la zone de solidification, suivie d'une portion reotiligne de cette zone à l'orifice de sortie du moule présente en réalité un alésage sensiblement reotiligne ou cylindrique en tous ses points au cours du moulage et est entièrement satisfaisant.
D'autre part, dans le cas du moulage de billettes de cuivre de 75 mm de diamètre, par exemple, on a constaté qu'un rétrécissement déterminé du moule de l'extrémité de la zone de so- lidification jusqu'à l'orifice de sortie est extrêmement avantageux, étant donné que la contraction de la pièce moulée est accentuée dans le cas de grosses pièces et que, si elle n'est pas compensée par le contour intérieur du moule, l'ef- ficacité du dispositif effectuant la dissipation de chaleur est notablement diminuée, Un exemple
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particulier d'un moule présentant un tel rétrécissement conique a été précédemment décrit.
Pour illustrer l'influence exercée par certains des facteurs ci-dessus sur le taux d'extraction de chaleur et, par suite, sur le taux de moulage ou d'entraînement de la pièce moulée, on donnera ci-après quelques exemples comparatifs du moulage d'une barre de cuivre de 25,4 mm. Dans le premier cas, on a utilisé un moule ayant une conicité de 21 mm par mètre en s'élargissant de l'entrée vers la sortie, la paroi du moule ayant 19 mm d'épaisseur et la chemise d'eau ayant 76,2 mm de longueur et 63,5 mm de diamètre et étant traversée par de l'eau circulant à raison de 4,75 kg par minute. Dans ces conditions, le maximum du taux de moulage continu qu'on a pu obtenir a été de 101 mm environ par minute. Dans un second exemple, l'alésage du moule était tel qu'il était cylindrique pendant le moulage et la paroi du moule n'avait que 6,35 mm d'épaisseur.
La chemise d'eau avait 76,2 mm de longueur et 38 mm de diamètre et l'eau circulait à raison de 32 kg environ par minute. Dans ces conditions, il a été facile d'obtenir une vitesse de moulage soutenue de 50 cm environ par minute.
Immédiatement au delà de l'orifice de sortie du moule proprement dit est normalement prévue une rallonge de moule, ou chemise de refroidissement auxiliaire, désignée par 50,250 et 550 sur les figures 3, 10 et 12, respectivement, cet organe recevant la pièce moulée chaude à sa sortie du moule. Comme on l'a dit précédemment, la rallonge de moule est sectionnée ou segmentée,
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et ses sections sont assemblées élastiquement de façon qu'elles s'adaptent à la pièce moulée particulière qui les traverse.
Entre autres rôles, la rallonge de moule refroidit la pièce moulée chaude à une température à laquelle elle peut être manutentionnée facilement; et cet organe constitue un dispositif de sécurité en ce sens qu'il assure un refroidissement suffisant pour maintenir un bouchon de métal dans.la filière et empêcher ainsi un échappement de métal fondu dans le cas où., pour une raison quelconque, une rupture se produirait dans la pièce. De plus, la garniture en graphite, désignée respectivement par 74 et 353 sur les figures 3 et 10, et l'action réfrigérante de la chemise ont pour effet d'empêcher l'oxydation de la pièce moulée chaude, laquelle oxydation se produirait si cet organe n'était pas prévu.
Il ressort de la description qui précède que la présente invention offre un appareil perfectionné permettant de réaliser le moulage continu sur une échelle véritablement industrielle.Bien entendu, les détails de construction et de fonc- tionnement qui ont été décrits pour mieux faire comprendre l'invention sont susceptibles d'être modifiés en vue d'adapter ladite invention à des conditions et applications diverses, sans qu'on s'écarte pour cela du cadre et de l'esprit de cette invention.
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for: "Apparatus for continuous metal casting"
The present invention relates to an apparatus for the continuous molding of metals.
It has been proposed for a long time to continuously introduce molten metal into one end of a mold, to solidify this metal in
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this mold and continuously removing the solidified metal from the other end of the mold. This operation is generally called "continuous molding", and the invention relates to an improved apparatus for its production.
The invention will be described particularly with reference to the continuous casting of copper and copper alloys, but it will be understood that the principles of this invention can be applied to the casting of metals and alloys, both ferrous and non-ferrous.
To make the invention easier to understand and to facilitate its implementation, it will be described below with reference to the appended drawing in which:
Figure 1 is a longitudinal section of the assembly of a molding furnace and its accessories, this assembly comprising the application of some of the principles of the invention;
Figure 2 is a section taken on line 2-2 of Figure 1;
Figure 3 is an enlarged vertical section of the mold or die of Figure 1 and shows details of its mounting in the furnace, as well as details of its cooling means;
Figure 4 is a view similar to Figure 3, but showing the mold cooling jacket in a lower position;
Figure 5 is a horizontal section taken on line 5-5 of Figure 3;
Figure 6 is a vertical section of a mold similar to that shown in Figure 3, but shows the taper of the cold mold;
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Figure 7 is a plan view of one form of molding furnace which differs from that of Figures 1 and 2 but involves the application of certain common principles and the like;
Figure 8 is a vertical section through the line 8-µ of Figure 7;
Figure 9 is a partial vertical section taken on line 9-9 of Figure 8, showing details of a taphole of the furnace;
Figure 10 is an enlarged side vertical elevational view, partially in section, of a portion of the furnace of Figure 8, showing details of the construction of the mold and the water jackets;
Figure 11 is a horizontal section taken on line 11-11 of Figure 10;
Fig. 12 is a vertical sectional view of a different form of molding furnace assembly and its accessories, including the application of certain common principles or the like of the invention;
Figure 13 is a section taken on line 13-13 of Figure 12;
Figure 14 is an enlarged vertical section showing construction details to the mold of Figure 12.
Like reference numbers designate like members in the various figures of the drawing.
Figures 1 and 2 show one form of melting, casting and molding furnace and related accessory devices, the furnace comprising side walls 10, end walls
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12 and 14, a bottom wall or floor 16, a roof or vault 18 and an altar wall 20 extending across the furnace near its loading end.
A loading opening 22 is provided in the vault 18 and the end walls 12 and 14 respectively have a burner opening 24 and an exhaust duct 26. The sole 16 is covered with a coating of carbonaceous material 28 which rises. of said hearth along the side walls 10 and the end walls 12 and 14 to a point situated a little above the level 30 of the metal of the furnace. Above the opening 2 is a chute or loading pocket 32 and, at the other end of the furnace, there is a chute or pouring nozzle 34 with the aid of which the furnace can be emptied of its contents by a Normally closed taphole (not shown). Charcoal layers 35 and 35a cover the metal 31 contained in the furnace.
The hearth 16 and the liner 28 are interrupted at the end of the oven opposite the loading end and on the other side of the wall or baffle 20 to receive an inverted bowl-shaped support 36 which is suitably secured in place by briquettes 38 and refractory cement, this support constituting the device for mounting the mold 4u in which the metal is solidified. The mold 40 is surrounded by a cooling jacket 42 whose position relative to the mold can be changed in an easy to understand manner by threaded rods 44 carried by a console 4b and controlled by a handwheel 48. Below the mold 40 is an extension or auxiliary cooling jacket 50.
Grooved drive pulleys have been shown
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adjustable 52 for removing the molded part 54 as well as a die 56 for stretching the part and a winding device 58 for reeling it.
The mold 40, which is preferably made of dense graphite or other material fulfilling the conditions specified in Belgian patent N 418.162, is embedded in the support 36 and fixed in this support by a locking nut 60, as shown. Figures 3 and 4.
The lower end of the 4U mold tapers outwardly towards its exhaust port and is completely surrounded by a cooling jacket 62 made of a metal of high thermal conductivity, such as forged copper * This jacket has pipes inlet 64 and outlet 66 allowing a cooling fluid to circulate therein and internally has a conical shape that is opposite and complementary to the outer cone of the mold so as to allow longitudinal movement of the jacket and of the mold with respect to the other.
As can be seen from Figures 3 and 5, the mold extension or auxiliary jacket 50 is made up of two halves 68,70 and is placed below the mold 40 and its cooling path 62, where it is supported by any suitable means (not shown, The extension halves are resiliently assembled by a system of bolts and springs of a common type, and each of them is provided with inlet pipes 71 and outlet pipes 72 for the refrigerant fluid. The two halves are provided with packings 74, which are of ordinary graphite or
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like material and in contact with the molded rod or bar 54.
Figures 5 and 4 show the mold 40 filled with molten metal during solidification to constitute the molded bar 54. The intermediate zone, that is to say between the fully molten metal and the fully solidified metal, is designated by 76. It can be seen that, in these figures, the mold 40 has a cylindrical bore.
Figure 6 shows a mold which is similar to that of Figures 3 and 4 (identical parts having been designated by the same numbers with the letter a) but representing the mold at room temperature, at which its internal duct goes. narrowing towards its inlet port indicated at 78. Good results have been obtained with a taper of 21 mm per meter for the casting of copper bars of about 25 mm in diameter, the mold bore apparently being approximately cylindrical. at molding temperatures, as shown in Figures 3 and 4. Further, in Figure 6, the upper surface of the mold 40a protrudes slightly above the support 36a, as indicated at 80, and the liner contact surfaces of 62a water and the mold are not conical, the jacket being hot-pressed around the mold.
Reference will now be made to the modified oven and mold assembly construction shown in Figures 7-11. It will be seen that the oven is provided with a removable roof or cover 218 and a hermetic seal 219 formed by flanges. cooperating attached to the respective edges of the cover
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and side and end walls of the furnace, as clearly shown in Figures 7,8 and 9. The furnace is internally provided with a coating or lining 228 of a carbonaceous material which is preferably a graphite of the commercial purity of. low ash content (2.5% or less). An altar wall or baffle 220, also of graphite, divides the oven into two compartments, a compartment 221 receiving the metal and a mold compartment 223, a passage 225 being provided between these two compartments.
A graphite tube 232 for introducing the metal is provided for the compartment 221, and there is also provided a taphole 229 consisting of a graphite tube 233 threaded to receive a threaded plug 235, the outer protrusion of the taphole. being normally closed by a cover 237 (Figure 9).
Graphite resistors 239 are provided to heat the furnace electrically. The level 231 of the metal 230 is indicated in FIG. 8, and the same is true of the intermediate zone 276 of the mold 240.
In Figure 10 there is shown not only the details of the mold 240 and its cooling jacket 262 which are shown in Figure 8, but also the details of the extension or auxiliary cooling device 250 which were not shown. in FIG. 8. It can be seen in FIG. 10 that the mold 240 is mounted in a support 236 which itself interrupts the bottom of the oven and is fixed in this bottom by a thread 300.
A threaded assembly 302 cooperates with an annular mold collar 304 to provide metal-tight mounting of the mold in the holder. The mold 240 is
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made of dense graphite meeting the previously mentioned specifications for mold 40 and is proportioned to protrude into compartment 223 a short distance above the top face of support 236 and the furnace bottom lining . It can be seen that the portion of the mold 240 which extends below the support 236 and is surrounded by the sleeve 262 is conical on the outside, so that the wall of the mold gradually thins from the collar 304 to the outlet orifice. of the mold.
A feature of mold 240, which is intended for the production of relatively large diameter castings, is its inner contour, which is established to ensure uniform and precise contact of the metal with the surface of the bore. or duct of the mold at all points of its passage in this duct, without however causing any wedging or pinching action Of course, this internal contour is liable to be modified for different metals, parts of different diameters, etc. , so that the data given below, which has been satisfactory for the industrial manufacture of 75 mm copper billets, should only be considered as examples.
In this case, the dense graphite mold 240 had a total length of 204.8 mm and a diameter of 80 mm at its inlet port, indicated at A in figure 10. From A to B, a distance of 96 , 8 mm, the diameter increased uniformly to 80.7 mm, and from this point B the diameter increased to 80.9 mm, at point C, over a distance of 12.7 mm On the next 25.4 mm (from point C to point D), the
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diameter was constant, and over the next 69.8 mm of its length (from point D to point E) the diameter uniformly decreased to 80.2 mm.
The wall thickness of the mold was approximately as follows: approximately 10.15 mm from its inlet to thread 302, approximately 12.3 mm along the entire length of this thread to point 0 (at l 'except collar 304); it then decreased uniformly, over the remaining 101.5 mm of the length of about 12 mm, to 4.3 mm, this portion ensuring a constant oonicity seal with the liner 262.
The cooling jacket 262, which is made of forged copper and has a conical shape internally to match the outer taper of the mold 240, is provided with a partition 306 dividing the inside of the jacket into two chambers 308 and 311, the chamber 308 having a substantially constant width, except at its lower part where the partition 306 widens to form a flare 313. the orifice through which the fluid enters the jacket is designated by 315 and the orifice of. exit through 317 'An annular partition 319 reigns almost entirely around the room 306 thus divides the chamber 311 into an upper portion 321 and a lower portion 323. Holes 325 are provided in the upper part of the partition 3Ub and orifices 327 are provided in the flare 313.
It can thus be seen that the water introduced under pressure through the inlet orifice 315 passes through the orifices 327, rises in the chamber 308, enters through the orifices 325, into the chamber 321, then passes through the. interruption of the partition 319 in the chamber 323 and escapes through the orifice 317, thereby cooling the mold 240 by a thin web
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or water film which circulates at a high speed, in accordance with the well known and established fact that cooling is a phenomenon of surface rather than of volume.
Referring to Figure 1U together with Figure 11, it is seen that the mold extension or auxiliary cooling jacket 250 comprises a series of units, 329a, 329b, 331a, 331b and 333. The first two units , 329a and 329b, are identical, each comprising a series of cooperating cast metal segments 335a, 335b and 335c, each segment being composed of an upper half or section 337a and a lower half or section 337b. The sections are assembled with a plate 339 to form chambers 34U and 342 and are firmly assembled by bolts 361, the various segments being on the other hand elastically coupled by spring bolts 341 which pass through complementary legs 343 and 345 of the sections. adjacent.
Each of the segments is provided with a refrigerant fluid inlet port 347 opening into the chamber 542, the fluid rises through conduits 349 in the chamber 34U and leaves the latter through an orifice 351. The sections of the various segments are preferably made of molten aluminum because of the lightness of this metal, its high thermal conductivity and the ease of its molding; and each is provided with an ordinary electrode graphite packing 353 which contacts the molded bar 254 (Figure 8).
Units 331a and 331b are analogous to units 329a and 329b with the exception of the intercalation of an intermediate section 355 in each
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segment and slight modifications inherent in this interoalation, as will be apparent from the drawings, Unit 333 differs from other units in that the segments are not severed, its construction being similar to that of extension 50 in Figure 3.
A part 39 supports the various units of the extension 250 in alignment with the mold 240, this part being supported independently of the mold 240 and its sleeve 262, in any suitable manner, not shown.
Reference will now be made to the modified apparatus construction of Figures 12 and 13.
The furnace shown in these figures comprises a refractory body 410 enveloped by a steel pipe 412 and provided with a detachable cover 418. This cover comprises a refractory body 414 enveloped by a steel sheath 416 and comprises a double seal 419 which s '' extends around the entire upper end of the furnace and is composed of wings or cooperating edges 411 and 413 welded respectively to the sheaths 412 and 4160 The hermetic sealing is achieved by filling the compartments formed by the edges 411 one with sand or an equivalent granular material, the other of a non-volatile liquid, such as a high boiling petroleum distillate.
The furnace laboratory is provided with a graphite crucible 428, one end 420 of which divides the furnace into a metal receiving compartment 421 and into a pouring compartment 423. A lumen 425 in the wall 420 constitutes the only path allowing the metal flow from compartment 421 into mold 540. Above the bottom of crucible 428 are blocks of graphite which are suitably supported.
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tees by the sides of the crucible and constitute two false bottoms 422 and 424 respectively having openings 426 and 427. A graphite duct 432 goes from a pocket or loading tank 481 provided with an ocelle cover 483 at the top of the false- bottom 422.
The furnace is electrically heated by graphite resistors arranged horizontally between an inner wall or bottom 482 and an upper wall or ceiling 484, these two walls being made of graphite blocks or slabs and supported by U-shaped irons incorporated into the side walls of the oven. The heating elements (Figure 13) include two terminals forming graphite resistors 465 and 466 terminating inside the furnace with connection blocks 4b7,4b8. Graphite resistors 469, 470 pass through holes in the graphite support plate 471 and respectively connect the blocks 467, 468 to graphite contact plates 472,473, themselves connected with the support plate 471 by resistance elements in graphite shorter 474.475.
In the mold compartment 423 (Figures 12 and 14) is arranged the mold 540 which, like the molds 40 and 240 previously described, is machined from a piece of dense graphite satisfying the conditions specified in the aforementioned patent. The mold 540 and its cooling jacket 562 are identical in most points of view to the analogous members of FIG. 10 The mold is fixed in a support 536 by a thread 537 which is screwed into the support and by a graphite washer 538.
The support is itself mounted in an extension 539 of the graphite crucible 428 and
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fixed by a screw thread 563. The refrigerating fluid intended for the jacket 62 arrives via a pipe 515 and circulates in the same way as that described for the subject of the jacket; 262 (fig. 10), to escape in a similar way through another pipe, not shown.
A gasket is provided to prevent access of air to the otherwise exposed surface of the extension 539 of the crucible 428, to the support 536 and to the mold 540 by a part 531 having a trench 532 which is filled with sand or other material. sealing agent 534 and into which a sealing ring 535 penetrates when the whole of the mold is in the operating state, A pipe 541 is provided for introducing a non-oxidizing gas into a groove 542 provided in the lower end of the jacket 562, this gas passing from said groove through holes 543 made in the end of the mold 540 to prevent oxidation of the new molded part.
Another characteristic of the furnace of FIGS. 12 to 14 resides in a gas exhaust device 520 which is made of graphite and placed directly above the inlet of the mold 540, this device comprising a chimney 521 which has a exhaust duct 522 and which is fixed in a graphite base 523 by a threaded connection 524. The EU-base 523 is itself mounted in the wall 420 and the extension 539 of the crucible 428 by an assembly to thread 525.
It will be noted that the exhaust duct 522 has a much smaller cross section than the mold cavity 540; then, when the metal contained in this conduit tends to reach the same level as that of the metal contained in the crucible, the
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hydrostatic pressure of the metal entering the mold to undergo solidification therein is not excessive. Consequently, the effect of a low height of metal above the metal contained in the mold is obtained. In addition, the gas exhaust system ensures direct and easy removal of gas as it is driven out by the solidifying metal without allowing the released gas to come into contact with the main mass. of metal in the oven.
Immediately below the mold is disposed an extension or auxiliary cooling device 550 composed of relatively short sectioned units 551 and a relatively long sectioned unit 552. The entire mold is resiliently mounted by means of spring 571 on the mold. a support 572 which is carried by one of the arms 573 of a support 574. The support 574 can be moved vertically on a column 575 by means of a threaded shaft 576 receiving its command from a source of motive force, not shown, using angle gears 577. Pairs 578, 579 of mechanically operated pulleys placed opposite each other in each pair are provided to remove cast bar 554 from mold 540 as solidification takes place.
Various factors intervene in the molding
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/ oont1nu that it is necessary to consider if the operation is to be carried out on a satisfactory industrial scale.
These factors and the principles on which they are based have been discussed in detail in the French patent application of the same date as the present and entitled "Process for the continuous casting of copper and alloys
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copper "; and it will be seen below that the proper observation of these factors is greatly facilitated by the apparatus object of the present invention.
After the preliminary preparation of the copper (or other metal) to be molded, that is to say the process to which this metal is subjected to make it commercially gas-free and to deoxidize it, said metal is introduced into a furnace of the type of those shown in the drawing for molding.
In the type of furnace of Figures 1 and 2, the copper is introduced through the opening 22 into the thick layer of charcoal 35 (previously ignited charcoal of low sulfur content 1) and deposited on the hearth, from where it pass under the altar wall 20 in the second compartment of the furnace, containing the mold 40. A layer of charcoal 35a is provided in this second compartment so that the copper is not contaminated by the combustion gases which, from a suitable gas or oil burner (not shown) enter the furnace through opening 24 and escape through flue 26. Therefore, the copper is kept both in its original state. preparation and at the desired temperature to enter the mold.
Likewise, in the type of furnace of Figures 7 to 9, the copper is introduced through the graphite duct 232 into the metal collecting chamber 221, from where it flows into the mold compartment 223 through the passage 225 of the wall. altar 220. However, as this furnace is electrically heated by resistors 239, the layer of coal covering; the molten metal can be removed, and so is the furnace of Figures 12 to 14.
In this last
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oven. the prepared copper which is introduced through the ladle 481 passes through the conduit 432 on the false bottom 422 to the other end of the furnace, then passes through the port 426 on the second false bottom 424 on which it moves in the opposite direction up to the lumen 427, to finally pass over the real bottom of the crucible 428, on which it again moves in the opposite direction and passes through the duct 425 of the wall 420 in the mold 540.
It will be noted that, in all types of furnace, the surfaces entering into antact with the metal are made of carbon, as are the molds, so that, from the moment when the molten metal initially enters the furnace until the moment when the molded part is withdrawn from the mold, the metal is continuously in contact with said surfaces and is maintained in a suitably gas free and deoxidized state. In addition, in all furnaces, metal is introduced at a location which is remote from the mold, and the altar walls or graphite partitions 20, 220, and 420, respectively, descend below the normal level of the metal in the furnace.
These characteristics, as well as those consisting in extending the inlet of the mold a short distance above the floor of the oven (fig. 8 to 10 and fig. 12 and 14), allow the load to be renewed. furnace without substantially agitating the solidifying metal in the mold, thus allowing uninterrupted molding. The importance of this arrangement making it possible to renew the supply of molten metal without disturbing the continuity of the molding is further demonstrated if we take into account the fact
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that the height of the metal above the solidifying cut metal in the mold should at no time be too high if one wants to avoid imperfections in the molded part.
It is understood that, before loading the oven, the mold and its extension are provided with a suitable stopper which prevents the molten copper from escaping from the mold before having solidified in this mold. This plug is usually formed by the last part of the molded part from a previous operation and constitutes the primer serving to remove the molded part from the mold.
To initiate the actual molding operation, water is circulated through the mold jacket to solidify the copper in the mold and solder it to the plug or primer, which is then withdrawn slowly, the speed being gradually increased (in adequately taking into account the cooling rate of the mold) until full industrial molding speed has been reached, which then continues without the part having been shaken. For this purpose, the grooved guide pulleys 52 (fig. 1) or 578,579 (fig. 2) have been provided which can be adjustable with respect to each other to allow their adaptation to molded bars of different diameters. , pulleys between which the bar 54 (or 554) passes.
Either or each of these pulleys may be driven mechanically by means of a variable speed motor suitably coupled to a speed reducer, the motor operating at all times under the influence of an appropriate rheostat regulator. After leaving pulleys 52,
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the bar can be pulled through a die (or series of dies) 56, then wound up in the form of a spool 58, as shown in FIG. 1. This treatment will ordinarily be applied in the case of bars of relatively small diameters;
in the case of larger bars, for example for the manufacture of billets, to which the apparatus of Figures 7 to 14 is particularly suited, a shear can be substituted for the die and the winding device to cut the molded part at intervals predetermined.
An important factor to consider in the continued manufacture of sound castings on an industrial scale is that of observing a suitable relationship between the cooling and casting rates so as to ensure radial crystallization of the part, i.e. 'is to say a structure in which the copper crystals are substantially perpendicular to the axis of the part or at most inclined from the periphery of the part towards the axis of this part at an angle which is not less than 45.
Not only does this relationship result in a superior product, but it ensures that the intermediate zone in which the molten copper solidifies will have a sufficiently low height or thickness to avoid the build-up and entrapment of gases that would otherwise occur and cause rupture. of the part or, at least, would render certain parts defective.
Various means can be provided to establish the desired relationship between cooling and warmup molding rates.
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of molding and maintain this relationship up to full industrial speed. Thus, with a conical mold and an adjustable water jacket such as those shown in Figures 3 and 4, the maximum cooling water flow rate can be used from the start by slightly lowering the jacket (fig. 4) so that the metal contained in the mold receives only part of the full cooling effect of which the liner is capable. The molded bar 54 is then slowly withdrawn, which initiates the molding operation.
The bar drive speed is then gradually increased and, at the same time, the liner 62 is more firmly fitted to the mold 40 by rotating the screw 44, which increases the amount of heat borrowed from the molten metal, so that, when full drive speed has been reached, the position occupied by the liner on the mold is that shown in Figure 3.
On the contrary, with the type of apparatus of FIG. 6 in which the jacket 62a is hot-fitted on the mold 40a, the cooling of the metal contained in the mold can be regulated during the start-up period by adjusting the flow rate. of the water passing through the jacket of the mold, the gradual and regular increase in the driving speed of the part being accompanied by a corresponding increase in the circulation of water through the jacket. Of course, with the type of mold of Figures 3 and 4, that of Figures 8 and 10 or that of Figures 12 and 14, one can adopt a combination of the means described above.
However, in all cases the rate at which the metal in the mold is cooled and the rate at which the molded part is driven must
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be in a ratio such that they provide the above-mentioned radial crystallization,
Regarding the proper relationship between the cooling and entrainment rates, it should be noted that, in the absence of the influence of other factors, it is the cooling efficiency that determines the speed. maximum of training. Therefore, the present apparatus has certain construction features which increase the amount of heat borrowed from the metal and thereby enable high industrial molding speeds to be obtained.
Thus, the part of the mold wall which is enveloped by the cooling jacket and through which most of the heat is taken to constitute the molded bar is made as thin as the necessary mechanical strength allows. In addition, the contact surfaces of the cooling jacket and the mold are precisely machined to ensure a smooth and precise fit, whether these surfaces are tapered (fig. 3,4,10 and 14) or whether they are cylindrical in the mold. case where the jacket is hot-fitted on the mold (fig. 6) or they have both arrangements.
Furthermore, to ensure the maximum cooling effect with regard to the quantity of water circulated, which is particularly important in the manufacture of molded bars of large cross-section, the water jacket can advantageously be made of. perfeotated type shown in Figures 10 and 14,
A characteristic that has a marked effect on the rate of extraction or dissipation of
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heat as well as the success of the process in general is the internal shape or longitudinal profile of the mold.
Although this profile is obviously subject to vary with the various kinds of metal cast, the cross section of the cast part, etc., it has been found that, in general, it is important that the interior of the mold present, during the molding operation, a substantially rectilinear surface from the inlet to the solidification zone and that, from the end of this zone to the outlet orifice, there is a constantly precise contact but without jamming between the wall of the mold and the molded part solidified.
Thus, in the molding of copper bars having about 25mm in diameter, it has been found that a mold having a conical portion widening inwardly 21mm per meter from the inlet end to the area of solidification, followed by a reotilinear portion of this zone at the outlet of the mold actually has a substantially reotilinear or cylindrical bore at all its points during molding and is entirely satisfactory.
On the other hand, in the case of the molding of copper billets of 75 mm in diameter, for example, it has been found that a determined shrinkage of the mold from the end of the solidification zone to the orifice output is extremely advantageous, since the contraction of the molded part is accentuated in the case of large parts and that, if it is not compensated by the internal contour of the mold, the efficiency of the device carrying out the dissipation of heat is notably reduced, An example
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particular of a mold having such a conical constriction has been previously described.
To illustrate the influence exerted by some of the above factors on the rate of heat extraction and hence on the rate of molding or dragging of the molded part, some comparative examples of molding will be given below. a 25.4 mm copper bar. In the first case, we used a mold having a taper of 21 mm per meter widening from the inlet to the outlet, the wall of the mold having 19 mm thickness and the water jacket having 76.2 mm in length and 63.5 mm in diameter and being traversed by water circulating at a rate of 4.75 kg per minute. Under these conditions, the maximum continuous molding rate that could be obtained was about 101 mm per minute. In a second example, the mold bore was such that it was cylindrical during molding and the mold wall was only 6.35mm thick.
The water jacket was 76.2 mm in length and 38 mm in diameter and the water circulated at a rate of approximately 32 kg per minute. Under these conditions, it was easy to obtain a sustained molding speed of about 50 cm per minute.
Immediately beyond the outlet of the actual mold is normally provided a mold extension, or auxiliary cooling jacket, designated 50, 250 and 550 in Figures 3, 10 and 12, respectively, this member receiving the hot molded part. when it comes out of the mold. As we said previously, the mold extension is cut or segmented,
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and its sections are resiliently assembled so that they conform to the particular molded part passing through them.
Among other roles, the mold extension cools the hot molded part to a temperature at which it can be easily handled; and this member constitutes a safety device in that it provides sufficient cooling to maintain a plug of metal in the die and thus prevent escape of molten metal in the event that, for any reason, a rupture occurs. would produce in the room. In addition, the graphite packing, designated 74 and 353 respectively in Figures 3 and 10, and the cooling action of the jacket have the effect of preventing oxidation of the hot molded part, which oxidation would occur if this organ was not planned.
It will be seen from the foregoing description that the present invention provides an improved apparatus for performing continuous molding on a truly industrial scale. Of course, the details of construction and operation which have been described to better understand the invention may be modified with a view to adapting said invention to various conditions and applications, without departing for this from the scope and spirit of this invention.
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