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Moulage centrifuge
La présente invention est relative au moulage par centrifugation dans des moules rotatifs de pièces creuses telles que tubes ou tuyaux.
Les tubes longs et minces utilisés jusqu'à présent sont généralement obtenus en déformant des lingots pleins, à froid ou plus souvent à chaud. De très nombreux procédés sont connus pour effectuer ces déformations. Tous ces procédés présentent de graves inconvénients : ils sont compliqués, exige@ des installations puissantes, comportent des opérations successi
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ves qui occupent une main d'oeuvre importante et entraînent une consommation d'énergie très élevée. En outre,, ils nécessitent parfois plusieurs réchauffages successifs du métal, et les produits ainsi obtenus n'échappent pas à toutes les difficultés de fabrication et à toutes les imperfections d'exécution propres au laminage.
En particulier, la présence de la soudure peut limiter.les conditions d'emploi de certains tubes soudés.
Enfin, tous ces tubes ne peuvent être obtenus que dans des nùances de métal bien définies. Par exemple, dans le cas de l'acies, certaines nuances d'acier peuvent se trouver écartées, quels que soient Ies avantages qu'elles puissent comporter, soit parce qu'elles sont industriellement impropres au laminage, soit parce qu'elles ne sont pas soudables, soit parce qu'elles présentent un retrait important et qu'elles soni sujettes à des retassures, soit pour tout autre raison analogie
On sait d'autre part que le moulage de pièces sembla blés,- de grande longueur et d'une section réduite ou d'une épaisseur faible, s'est heurté à des difficultés très grandes pour de nombreuses matières et certains métaux.
En particulier le moulage par centrifugation de pièces tubulaires langues et minces n'a éyé jusqu'à présent résolu que pour certains métaux ou,alliages relativement faciles à fondre et possédant une'- grande fluidité.
C'est ainsi que les procédés de moulage par centrifu gation consistant à déverser successivement le métal fondu en chaque point du moule rotatif au moyen- d'un canal de coulée se déplaçant longitudinalement à l'intérieur de ce moule, n'ont pas pu être utilisés industriellement pour les métaux ou allia ges difficiles à fondre : en effet, le refroidissement impor- tant et inévitable de ces métaux le long du canal de coulée nécessiterait, pour qu'ils arrivent dans le moule à une température suffisante, une surchauffe trop importante qui entraînerait des difficultés de fusion, de transport, d'oxyda- tion ou autres des dits métaux.
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D'autre part, les procédés consistant à déverser massivement ces mêmes métaux à l'intérieur d'un moule rotatif sont également inapplicables : en effet, la solidification rapide de ces métaux ne leur laisserait pas le temps de se répar= tir, le long du moule, sous forme d'une couche uniforme, surtout lorsqu'il s'agit de fabriquer des pièces minces et longues.
La présente invention a pour objet un procédé nouveau de moulage par centrifugation permettant d'obtenir des tuyaux ou autres pièces tubulaires minces et longs et s'appliquant à tous les métaux, alliages ou autres matières fusibles, même à ceux qu'il est difficile de porter à une température très supérieure leur température de fusion et qui, du fait de leur faible réserva de fluidité, ne se prêtent pas, industriellement, au moulage par les procédés connus.
Un autre obget de l'invention est de prévoir des dispc sitifs rotatifs pour réaliser le procédé conforme à l'invention et permettant de fabriquer des objets moulés de forme sensible- ment tubulaire en des métaux très variés et en particulier en acier.
Les autres objets de l'invention apparaîtront dans la description qui suit.
Le procédé conforme à la présente invention consiste à déverser progressivement le métal fondu à une extrémété du moule en rotation,, en l'introduisant dans ce moule par un de ses fonds, à choisir et à contrôler le débit d'introduction et la vitesse d@ rotation du moule en fonction de la empérature et des caractéri, tiques physiques du métal, de celles du moule, ainsi que des dimensions de la pièce à fabriquer, de manière à provoquer une solidification rapide des fractions successives de ce métal au contact des parois du moule, la durée totale de la coulée se trouvant ainsi très supérieure au temps nécessaire à la solidifi- cation de chacune des fractions du dit métal.
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Dans le mode de coulée suivant l'invention, le refroi- dissement,. la solidification et la localisation consécutives du métal commencent donc à partir de l'origine du moule ( côt6 où se fait la moulée ) et progressent ensuite vers l'extrémité opposée, le métal liquide introduit à chaque instant cheminant, sans se refroidir notablement, à la surface intérieure du métal précédem- ment introduit, déjà solidifie mais encore très chaud, jusqu' au , moment où il arrive dans la partie libre du moule au contact duquel il se refroidit et se solidifie à son tour.
La surface de séparation du m6tal liquide et du métal solidifié se déplace ainsi vers l'extrémité- du moule, sans se déformer, et en revêtant à chaque instant une forme évasée qui favorise la progression du métal liquide, ainsi que cela sera exposé ci-après.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention et pour faciliter le cheminement du=. métal liquide à l'intérieur du moule,. on lui applique après son introduction dans le moule, un ensemble de forces ayant une composante longitudinale dirigée vers l'extrémité du moule, au également on lui imprime, au moment de son introduction, une impulsion initiale dirigée dans le même sens, ou encore on lui applique à la fois l'ensemble de forces et l'impulsion susdits.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, on utilise un moule fermé à son extrémité et comportant à son origi- ne un orifice de dimension réduite, permettant uniquement l'intrc duction du métal. et l'évacuation des gaz contenus dans le moule ou dissous dans le métal et on empêche ainsi la rentrée d'air extérieur, le refroidissement intérieur de la pièce et la forma- tion, au sein de cette dernière, d'un front de solidification progressant de l'intérieur vers l'extérieur.
Un tel moule rotatif, métallique ou non, comporte des moyens pour appliquer au métal liquide à mouler après son intro-
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duction dans le moule un ensemble de forces dont la résultante longitudinale est dirigée vers l'extrémité du moule opposée à la coulée, ou pour lui imprimer, au moment de son introduction, une impulsion dirigée tiens le même sens.
Les dits moyens peuvent être constitués par exemple par un poule ayant un profil divergent ou par un moule ayant un axe incliné sur l'horizontale, ou encore par un distributeur compor- tant un réservoir de métal liquide et un ajutage calibré en chai= s'ouvrant au droit de l'orifice du moule ou également par un distributeur divergent rotatif placé à l'avant du moule, ou enfin par la combinaison- de plusieurs des moyens sustiss.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention résulteront de la description qui va suivre.
Aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exempl- la f ig. 1 est une coupe longitudinale d'un dispositif de moulage centrifuge suivant l'invention, représenta au début de la coulée; la fig. 2 est une vue en coupe transversale de ce dispositif suivant le plan 2-2 de la fig. 1; la f ig. 3 est une vue schématique à plus grande échelle en coupe longitudinale du même dispositif montrant la forme évasée de la surface de séparation du métal liquide et du métal solidi- fié, ainsi que l'action propulsive que cette surface exerce, par sa rotation, sur le métal liquide; la fig. est une vue en coupe longitudinale, à la fin de la coulée, du dispositif représenté aux figs. 1 et 2;
la fig. 5 est une vue en coupe longitudinale d'une variante comportant l'emploi d'un moule cylindrique incliné; la fig. 6 est une vue en coupe longitudinale d'une autre réalisation de l'invention comportant l'emploi d'un moule tronco- nique exerçant sur le métal liquide une action propulsive accrue;
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la fig. 7 est une vue schématique partielle, en coupe longitudinale d'une variante du dispositif de moulage compor- tant l'emploi d'un distributeur injectepr divergent destine à augmenter la vitesse initiale du métal ou autre matière fondue au.moment de son introduction dans le moule, cette installa- tion étant représentée au début de la coulée; la fig. 8 est une vue en coupe transversale d'une réalisation différente du distributeur;
la fig. 9 est une coupe longitudinale d'une autre variante du dispositif de moulage dans laquelle la pièce à mouler constitue elle-même un distributeur divergent; la fig. 10 est une coupe longitudinale d'un tuyau cylindrique ; les figs. 11 et 12 représentent, à titre d'exemple, un objet tubulaire pouvant être fabriqua conformément à l'inven- tion.
Suivant les exemples représentas aux figs. 1 à 4, l'installation du moulage centrifuge suivant l'invention comporte un moule rotatif 1 ( fig. 1 ) mobile autour de l'axe horizontal XX. Le moule est supporte et entraîné en rotation par des galets et 3 tournant autour des axes YY, et suscep- tibles d'être entraînés eux-mêmes en rotation par un disposi- tif moteur non représenté. Le moule I est immobilisé longitu dinalement par les boudins extérieurs 4 qui prennent appui latéralement sur les galets 5.
Le corps du moule est constituée par un châssis métal lique 5 muni d'une garniture réfractaire 6 en sable de moulage serré et étuvé; des trous 7 son@ ménagés au travers du châssis 5 pour permettre l'évacuation des gaz produits dans le sein de la garniture réfractaire au moment de la coulée.
¯ Le châssis est terminé à ses extrémités par des
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portées tronconiques 8 et 9 sur lesquelles sont fixés, au moyen de clavettes 10, les fonds du moule ; cesfonds sont constitués eux-mêmes par une cuvette métallique II qui supporte une garnit-,-, re réfractaire 12; un des fonds porte un orifice central 13 pour l'introduction du métal liquide.
Cet orifice d'introduction s'ouvre au droit d'un ajuta ge 14 disposé au.fond d'un pot de coulée 15, cet ajutage et son pot de coulée étant constitués par un pisé ou toute autre matiez réfractaire.
La coulée, suivant le procédé de l'invention, s'effec- tue de la façon suivante : on met en rotation le moule 1 et on verse rapidement le métal liquide 16 dans le pot de coulée; le métal s'échappe par l'ajutage 14 sous forme d'un jet 17 avec une vitesse qui est fonction de la hauteur de métal au-dessus de cet ajutage; en même temps, on continue à alimenter la. pot de coulée 15 de manière à maintenir constant le niveau du métal et par suite le débit de l'ajutage.
Le métal pénètre dans le moule 1 et entre en contact avec la paroi intérieure 18 de ce dernier au voisinage même de l'origine du moule. Il se trouve entraîné dans le mouvement de rotation du moule et il est appliqué par la force centrifuge contre la surface intérieure 18.
La nappe de métal 19 ( fig. 3 ) } étant un instant la plus avancée dans le moule 1 et ne trouvant aucun obstacle à son écoulement vers l'avant, tend continuellement, sous l'action de la force centrifuge, à s'étaler pour revêtir sur une certaine longueur AB la forme d'un anneau dont le rayon intérieur DE va '-' augmentant de l'arriève A vers l'avant B, constituant ainsi un élément tubulaire dont la surface libre intérieure 20 est évasée vers l'avant. Comme cette nappe liquide avancée d'épaisseur décroissante vient se localiser au contact même du moule froid relativement froid,
elle se solidifie et s'immobilise rapidement
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dans cette position fournissant ainsi à la nappe liquide suivant 21 une enveloppe tronconique solide.
Chaque particule P de la nappe 21 se trouve ainsi soumise à une force centrifuge PC perpendiculaire à l'axe XX.
Si l'on désigne par m la masse de la particule P, par r sa dis- tance PH à l'axe XX et par W la vitesse angulaire de rotation du moule, la valeur de la force centrifuge est donnée par la formule connue :
P C = m W 2 r
Cette force peut être décomposée en ses deux composan- tes :PN perpendiculaire à la-surface de solidification de l'an- neau et qui applique le métal liquide contre cette surface, et PL parallèle à la méridienne de la dite surface. Cetta dernière a pour effet de promouvoir le métal en direction de la partie libre du moule où il se solidifie à son tour dans les mêmes conditions et sous la même forme que le métal de la nappe précé= dente, destiné qu'il est lui-même à jouer le même râle transitoi re utile au profit de la nappe subséquente.
Le phénomène trouve ainsi très avantageusement en lui- même les moyens d'entretenir sa propre évolution suivant un régi me stable et durable, car les nappes liquides qui se propagent ainsi vers l'avant font place constamment derrière elles au méta liquide qui pénètre continuellement dans le moule au cours de l'opération de coulée.
Ce métal chemine ainsi ( fig. 4 sous forme d'un cylindre liquide 22 à l'intérieur du cylindre solide 23 formé par le métal déjà figé. Ce cylindre solide est encore très chaud et,, à son contact, les fractions successivement introdui- tes de métal liquide conservent pratiquement leur température, elles restent fluides, s'écoulent ainsi au travers d'un tube métallique dont la longueur augmente progressivement, et vienne successivement au contact de la paroi intérieure 18 libre et froide du moule, contre laquelle elles se solidifient à leur tour ;
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C'est ainsi que, de proche en proche, la mise en plac. du métal- se poursuit d'une manière pratiquement indéfinie. Ce phénomène ne cesse que par l'arrêt de la coulée, ou bien lorsqu@ le métal à l'avancement rencontre le fond 24 du moule.
L'intrc duction du métal doit avoir cessé à ce moment précis car la coulée est alors normalement terminée. Il ne reste plus alors qu'à extraire la pièce moulée de son moule.
Suivant une caractéristique importante du procédé de l'invention, la couche de métal solidifiée en chaque point atteint rapidement une épaisseur voisine de l'épaisseur finale désirée; la circulation du métal liquide à l'intérieur du cylin dre métallique déjà solidifié empêche ce dernier de se refroidi. et son épaisseur d'augmenter sensiblement pendant tout le temps de la coulée. La solidification s'opère donc dans son ensemble suivant un processus longitudinal.
Dans les procédés connus, au contraire, cette solidi- fication s'effectue surtout après que le métal liquide a été réparti sur la longueur totale ou sur une longueur importante @@ moule; l'épaisseur de métal solidifié augmente simultanément en chaque point et la solidification s'opère ainsi, dans son ensom ble, suivant un processus radial.
L'épaisseur finale des tubes coulés suivant le procédé de la présente invention dépend de très nombreux facteurs et, @@ premier lieu, de l'action refroidissante du moule.
C' est ainsi que, toutes conditions égales d'ailleurs, la couche de métal solidifiée est d'autant plus mince - que le moule présente une conductibilité thermique plus faible, - qu'il est plus chaud, - qu'il est plus mince, - qu'il possède une chaleur spécifique plus faible et - que, par suite, il s'échauffe plus rapidement.
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Par exemple, l'épaisseur de métal solidifié est plus grande dans un moule entièrement métallique que dans un moule garni de réfractaire.
D'autre part, les caractéristiques et l'état physique du métal coulé interviennent également dans le processus de solidification, la couche solidifié étant d'autant plus mince - que le matai possède une chaleur spécifique plus grande, - qu'il est plus chaud et de nature plus fluide.
Enfin, l'épaisseur de métal solidifié dépend dans une certaine mesure de la durée de la coulée, elle-même conditionnée par le débit de l'ajutage; une coulée plus rapide limite la quantité de chaleur cédée qu moule par le métal, et par suite l'épaisseur de la couche solidifiée.
En tout cas, une caractéristique importante de l'in- vention réside dans l'utilisation conjuguée d'un moule ayant des caractéristiques thermiques déterminées et par exemple uniformes sur toute sa longueur et d'un ajutage calibré, ou autre disposi- tif distributeur de métal liquide à débit constant, en vue de maintenir constantes, sur toute la longueur du moule, les condi- tions thermiques de la solidification et d'obtenir ainsi des pièces d'épaisseur uniforme.
Quand le moule est très long, la température du métal liquide peut diminuer légèrement de l'origine à l'extrémité du moule et les conditions de solidification s'en trouver légèremen modifiées. Fiais,, dans ce cas, il reste possible de maintenir l'épaisseur des pièces uniformes sur toute leur longueur en fai- sant varier le débit au cours de la coulée ou en faisant varier les caractéristiques thermiques du moule, par exemple son épais- seur, aux- différentes distances de son origine.
Plus généralement, l'invention permet d'obtenir en chaque point l'épaisseur de métal désirée en contrôlant simulta- nément le débit de métal à chaque instant de la coulée et les caractéristiques thermiques en chaque point du moule.
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Grâce à la façon nouvelle dont le métal. liquide est distribué dans le moule sans que sa température et sa fluidité diminuent sensiblement et à la possibilité d'agir sur les diffé- rents facteurs ci-dessus, l'invention permet de faire parvenir ce métal à une distance très importante de l'orifice de coulée e d'obtenir ainsi des pièces tabulaires minces et longues même ave des métaux qu'il est difficile et onéreux de porter à une tempé- rature beaucoup plus élevée que la température de fusion, qui ne possèdent donc qu'une faible marge de température et dont la fluidité diminue très rapidement dès que leur température s'abai se au voisinage de la température de fusion.
Suivant l'exemple particulier de la figure 10, le tube en acier, moulé par centrifugation selon l'invention, est un tut long et mince de canalisation. Sa surface extérieure et sa surf ce intérieure peuvent être cylindriques et concentriques ou bien coniques et comporter des bossages, flutes, cane]-ures,, etc., ainsi que des organes d'assemblage et d'emboîtement.
La longueur 1 de ces tubes peut atteindre par exemple 6 ou 8 mètres ou même davantage. Leur diamètre intérieur ± peut varier par exemple de quelques centimètres, 2 cm. par exemple, à plusieurs décimètres, et même au besoin dépasser un màtre.
L'épaisseur e des parois de ces tubes, qui varie natu- rellement en fonction de son diamètre, de la pression du fluide qu'il est destiné à transporter et de différents autres facteurs, peut descendre par exemple à 4 ou 5 et même à 2 millimètres ou atteindre, par exemple, 15 à 20 millimètres pour des tubes de moyen ou de gros diamètre soumis à une pression intérieure ou à des efforts extérieurs importants. Pour les tubes en acier dont la longueur dépasse 1 mètre, on peut obtenir, grâce aux moyens de l'invention, une épaisseur des parois inférieure à 1 % et même à 0,5 % de la longueur, ce qui est impassible à réaliser avec les procédés connus de moulage.
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La figure 5 représente le même tube en cours de fabri cation par moulage centrifuge dans un moule rotatif mobile au- tour d'un axe XX incliné sur l'horizontale. Le moule est cons titué par un châssis métallique 5 muni intérieurement d'une garniture réfractaire 6 en sable de moulage serré et étuvé, de- trous 7 étant ménagés au travers du châssis 5 pour permettre l'évacuation des gaz produits dans le sein de la garniture réfractaire au moment de la coulée.
Le châssis 5 est terminé ses extrémités par des portées tronconiques 8 et 9 sur lesquel les on fixe, au moyen des clavettes 10, deux fonds constitués par une cuvette métallique 11 qui supporte une garniture féfra aire 12; le fond le plus haut porte un orifice central 13 po@@ l'introduction du métal liquide. Cet orifice d'introduction s'ouvre au droit d'un ajutage 14 disposé au fond d'un pot de coulée 15,, cet ajutage et son pot de coulée sont constitués pa un pisé ou tout autre matière réfractaire.
Le moule est supporté et entraîné en rotation par de galets 16a et 17a tournant autour des axes YY, et entraînés eu mêmes en rotation par un dispositif moteur non représenté. Le moule 1 est immobilisé longitudinalement par les boudins extéf rieurs 18a qui prennent appui latéralement sur les galets 17a.
Dans cette variante d'exécution l'axe XX du moule es incliné sur l'horizontale d'un angle Ó. Il en résulte que l'action PG de la pesanteur, qui s'exerce sur chaque particule P de métal liquide contenue dans le moule 1 et appliquée par ¯ force centrifuge sur sa paroi intérienre 19, peut se décompose- en deux composantes l'une,
PN PG . Cos Ó perpendiculaire à l'axe XX' et l'autre,
PL = PG.Sin Ó parallèle à cet axe et dirigée vers la partie basse 22 du moul
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Chaque particule de métal liquide se trouve ainsi entraînée vers la partie basse du moule jusqu'au moment où, venant en contact de la paroi libre 19 du moule, elle se refroidit, se solidifie et s'immobilise à son tour.
Suivant une variante représentée aux figures 11 et 12 la pièce tubulaire 23 en acier moulé par centrifugation est destinée à servir de support de ligne électrique. Sa surface intérieure 24 a la forme d'un tronc de cône. Sa surface exté- rieure comporte trois parties :une partie tronconique 25 situ du coté du plus gros diamètre et destinée à être enfoncée dans le sol, une partie centrale 26 de forme générale également tronconique et destinée à être placée à hauteur d'homme, et une partie extrême 27, toujours tronconique, plus longue que les précédentes et constituant la partie haute du poteau.
La partie centrale 26 peut porter des cannelures exté rieures 28 dont la section va en diminuant vers le petit diamè- tre du poteau.
La figure 6 représente le même tube en cours de fabrî- cation par moulage centrifuge dans un moule rotatif 29. Ce moule est analogue à celui décrit ci-dessus :il est composé essentiellement d'un châssis métallique 50, d'une garniture réfractaire intérieure SI et de deux fonds 32 et 33 fixés par des clavettes 10. Le fond 53 placé du coté du petit diamètre du moule est percé par un orifice central 34 pour l'introduction de l'acier liquide. Le châssis 30 repose, par des chemins de roulement 35 et 36, sur des galets 37 et 38 par l'intermédiaire desquels il peut être entraîné en rotation autour de l'axe hori- zontal XX, au moyen d'un dispositif moteur non représenté.
La garniture réfractaire 31 a une surface intérieure 39 complémen- taire de la surface extérieure du poteau tubulaire 23 : elle peu comporter des cannelures 40 destinées à former les cannelures 28 du poteau tubulaire 23.
L'orifice d'introduction 34 s'ouvre au droit de l'aju-
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tage 41 dispose à la base du pot de coulée 42.
Grâce à ce mode de construction des moules, chaque particule P de métal liquide contenue dans un moule et entraî @ en rotation est soumise à une force centrifuge PC qui comporte une composante longitudinale PL dirigée vers le fond du moule.
Cette composante s'exerce sur le métal liquide sur toute la longueur du moule :elle compense les frottements qui auraient pour effet de freiner progressivement l'écoulement du métal et permet à ce dernier de conserver sur une distance accrue sa vitesse de cheminement. On peut ainsi, grâce à cette dispasi- tion, obtenir des pièces beaucoup plus longues.
Le calcul montre et l'expérience confirme qu'une conicité très faible suffit à exercer sur le métal. une action très énergique.
On peut par exemple calculer cette action dans le cas d'un moule rotatif ayant un rayon moyen de 0,15 mètre, une vitesse de rotation de 1.500 tours par minute et une conicité très faible telle que chacune de ses génératrices fasse un Fine! de 1/1000 avec l'axe de rotation.
Dans ce cas, on obtient une composante longitudinale
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d,acr-élération : PC = 3,7 m/sec/sec, qui est très importante et qui donne au métal liquide une très grande facilité pour cheminer à l'intérieur du moula : ce cheminement s'effectue d@@ les mêmes conditions que si le métal s'écoulait librement;: sous l'action de la pesanteur, sur un plan incliné fixe ayant une pente de :
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S, 7 : 9,81 = 0,377 correspondant à un angle d'inclinaison de 22 degrés.
Il convient d'ajouter que cette conicité très faible est obtenue facilement : par exemple, dans le cas des moules en sable, en donnant la forme légèrement conique correspondant au modèle métallique utilisé lors du serrage du moule. Cette .-dépouille permet d'ailleurs un dégagement facile de ce modèle
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après la préparation des dits moules en sable, elle a en outre l'avantage de faciliter le retrait longitudinal des pièces coulées et elle rend leur extraction particulièrement aisée après solidification.
Grâce à l'emploi d'un moule incline ou tronconique comme décrit ci-dessus, il est possible, par exemple, de porte la longueur des pièces obtenues à 6 ou 1Q mètres et même davar- tage, dans le cas de tubes ayant un diamètre intérieur de plusieurs centimètres ou de quelques décimètres et une épais- seur de 2 à 15 millimètres.
II peut être utile, pour des tubes de cette longueur, d'augmenter la vitesse initiale du métal à son entrée dans la partie utile du moule.
Ce résultat est obtenu par exemple, suivant l'inven- tion, en fixant à l'extrémité du moule 5 ( fig. 7 ) un distri- buteur rotatif 48, ayant une surface intérieure 49 de forme tronconique s'élargissant depuis l'orifice 50 d'arrivée de métal jusqu'à sa jonction 51 avec le moule 5. Ce distributeur est rendu solidaire du moule par des vis 52 et il tourne égale ment autour de l'axe XX.
Le fonctionnement de ce distributeur est le suivant ¯ le métal liquide 53 introduit dans le distributeur par l'orifi ce 50 entre en contact avec la surface intérieure 49 du distri buteur par laquelle il est entraîne en rotation. Chaque parti cule P du métal se trouve ainsi soumise à une force centrifuge PC perpendiculaire à l'axe XX.
Si l'on désigne par m la masse de la particule P, par r sa distance PH à l'axe XX et par W la vitesse angulaire de rotation du distributeur 48, la valeur de la force centri- fuge PC est donnée par la formule connue PC = m. W 2, r
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En désignant par (3 l'angle que forme chaque génératrice du tronc de cône distributeur 48 avec l'axe XX, et en décomposant la force PC' en ses deux composantes : PN perpen diculaire à la paroi du distributeur et PF dirigée suivant une génératrice de cette parole on voit que le distributeur suivan l'invention- a pour effet d'exercer sur chaque partie du métal une force dont l'une des composantes : PN = m.
W 2. r . Cos (3 est normale à la paroi 49 du distributeur et applique le métal contre cette parole et dont la seconde composante : PF = m. W 2. r . Sin ss parallèle à la génératrice du tronc de cône passant par P, a pour- résultat de promouvoir le métal en direction du moule.
Cette dernière force, qui est proportionnelle à la 2 puissance de la vitesse de rotation-, augmente comme le rayon r, c'est-à-dire très progressivement, au fur et à mesure que le métal se déplace depuis l'entrée du distributeur vers le moule et sans provoquer de perturbation dans son écoulement
Grâce à l'intention, on peut ainsi donner au métal, au moment où il pénètre dans le moule, une vitesse longitudi- nale très élevée qui lui permet, avant d'avoir perdu sa tempé- rature et sa fluidité, de parcourir à l'intérieur de ce moule une plus grande distance : il en résulte la possibilité de produire des pièces d'une longueur accrue.
L'entraînement du¯ métal liquide et le fonctionnement du distributeur peuvent être améliorés en donnant à ce dernier une surface intérieure rugueuse. Suivant le mode de réalisa- tion représenté à la figure 8, ce résultat est obtenu en munissant la surface intérieure 54 du distributeur 48 de nervu res longitudinales 55 qui s'impriment dans le métal liquide et accélèrent sa mise en rotation centrifuge.
Le distributeur rotatif divergent peut suivant l'invention, être réalisé de différentes façons. La figure 9
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représente un mode de réalisation dans lequel le moule rotatif est muni extérieurement du côté de l'orifice 15 de coulée d'une série d'ailettes de refroidissement 56. D'autre part, l'épais- seur de la garniture réfractaire 59 est très fortement réduite à l'aplomb des dites ailettes, de telle sorte que, dans cette partie du moule, le refroidissement du moule et par suite celui du métal liquide sont considérablement accrus.
Ce dispositif fonctionne de la façon suivante dès le début de la coulée une quantité importante de métal. 57 se solidifie à l'entrée du moule et la surface intérieure 58 de cette partie solidifiée prend une forme tronconique qui agit comme un distributeur divergent sur le métal liquide introduit postérieurement dans le moule.
Si la présence de cette partie renforcée n'est pas souhaitée sur la pièce moulée,. il suffit de la tronçonner après démoulage, suivant le plan- XX pour obtenir un élément tubulaire ayant la forme intérieure cylindrique désirée.
Il est très important de souligner la simplicité du nouveau procédé de fabrication de ces pièces : il permet, en effet, d'obtenir directement des pièces finies en partant du métal liquide et en évitant toute autre opération métallurgique ou de façonnage: Il en résulte, par rapport aux autres procédés une réduction considérable des dépenses d'installation, de main- d'oeuvre, de combustibles et d'exploitation ainsi qu'une diminu- tion sensible des pertes du métal.
L'invention a, en outre, le très grand avantage de s'appliquer indistinctement à tous les métaux ou autres corps fusibles, et en particulier à ceux qui ne se prêtent pas à d'au- tres procédés de façonnage.
En supprimant l'emploi d'un long canal. de cpulée péné- trant dansle moule, elle se prête, en outre, à l'utilisation de moules très petits et permet ainsi de fabriquer des pièces d'un
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diamètre plus faible que les autres procédés de moulage centri- fuge connus.
Le procède suivant l'invention a enfin le grand avanta ge, par rapport aux autres procédés connus, de produire des pièces sainement constitué'es. C'est ainsi que, dans le moulage des métaux en général on n'évite la formation des retassures dans l'épaisseur des pièces qu'à la condition que la solidifica- tion de leurs parais s'accomplisse et progresse suivant un front unique; des retassures se produisent inévitablement chaque fois que du métal liquide opère sa solidification et prend son retrai dans un espace fermé limité par deux ou plusieurs fronts de solidification qui avancent à la rencontre l'un de l'autre. Dans la fabrication de pièces tubulaires longues et minces et en particulier de tubes minces, un front de solidification se forme obligatoirement à la surface extérieure de la pièce, en raison de l'action refroidissante du moule.
Il est donc essentiel d'empêcher la formation d'un autre front de solidification partant de la surface intérieure des pièces. Ce résultat est obtenu grâce au mode de coulée et grâce à la forme du moule de l'invention.
En effet, le métal déjà immobile dans le moule est protégé de toute action de refroidissement venant de l'intérieur du moule, par la couche de métal liquide plus chaude qui s'écou- le et se renouvelle constamment à l'intérieur de la pièce.
D'autre part, on empêche la rentrée d'air froid extérieur dans le moule en fermant ce dernier à ses deux extrémités par deux fonds, l'un seulement des fonds étant percé d'un orifice aussi réduit que possible pour l'introduction du métal liquide.
Suivant les exemples d'exécution représentés aux figures 1, 4, 5,6 et 9, l'orifice 13 ou 54 pour l'introduction du métal liquide s'ouvre en face de l'ajutage 14 ou 41 par lequel jaillit le métal liquide 17 ou 43. Cet orifice peut
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aussi être agrandi pour permettre l'introduction de l'ajutage 14 dans le moule ou dans le distributeur 48 comme représenté à la figure 7; cette dernière disposition ayant l'avantage d'éviter toute projection de métal liquide en dehors du moule. Dans les deux cas, le jeu annulaire existant entre l'orifice 13 d'une part et, d'autre part, le jet de métal liquide 17 ou l'extérieur de l'ajutage 14, doit être réduit au minimum.
Au début de la coulée, l'air contenu dans le moule se dilatant subitement, s'échappe très vite au dehors. On sait par ailleurs que les métaux fondus contiennent une quantité considéra ble de gaz dissous ou à l'état combiné. Ces gaz se dégagent spontanément au refroidissement et la centrifugation accélère sensiblement la dégazéification des dits métaux à l'état liquide ou pâteux.
Les gaz chauds qui,, après l'air, s'échappent d'un moule de centrifugation tel que décrit ci-dessus, sont en grande partie des gaz combustibles; ils s'enflamment et brûlent à la sortie du trou de la cuvette de coulée; on a constaté que la flamme persiste assez longtemps après que la solidification-du métal est achevée, ce qui permet d'affirmer que 1*'atmosphère extérieure ne pénètre en aucune façon à l'intérieur du tube ou autre pièce en cours de solidification.
Il en résulte que la paroi intérieure de ce tube est soustraite à toute action refroidissante de la part du milieu extérieur; elle ne peut se refroidir qu'au contact des couches concentriques extérieures lesquelles se refroidissent elles-mêmes au contact du moule ou de la coquille de centrifugation. Autre- ment dit, les calories du métal s'écoulent radialement dans une direction unique,, celle suivant lequel la force centrifuge agit et le métal se solidifie suivant un front unique perpendiculaire à cette direction. Il en résulte qu'aucune partie de métal liquide n'opère sa solidification dans un espace fermé limité par deux ou plusieurs plans de solidification avançant à la rencontre l'un de l'autre.
Grâce à cette caractéristique très avantageuse
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de l'invention,il a été'vérifie que les tubes coulés par centrifugation conformément au procédé et/ou au moyen des dispositifs ci-dessus décrits, présentent des parois rigoureuse ment exemptes de retassures.
La présente invention permet donc non seulement d'obtenir par simple moulage, c'est-à-dire dans des conditions économiques très avantageuses des pièces tubulaires- minces et longues, mais encore d'éviter les différents défauts qui sont fréquents dans des pièces obtenues par d'autres procédés. C'es ainsi que les inégalités d'épaisseur transversale sont évitées par la coulée centrifuge,. les inégalités longitudinales par le mode de répartition du métal le long du moule.
En outre, les inclusions solides ou gazeuses sont également chassées par l'action extrêmement intense de la force centrifuge, et les retassures supprimées par le mode de refroi- dissement particulier dirigé exclusivement de l'extérieur vers l'intérieur de la pièce. Enfin, les pièces obtenues présentent en chacun de leurs points une isotropie parfaite.
Les tubes et les autres pièces tubulaires minces et longs en métal moulé obtenus conformément à l'invention présen- tent de très nombreux autres avantages par rapport aux pièces similaires obtenues jusqu'à présent par les procédés connus de lingotage, de forgeage, de poinçonnage,. de laminage, d'étirage au autres.
En outre, elles peuvent être constituées par n'import quel acier ou autre métal ou alliage,, sans qu'il soit nécessair que celui-mi satisfasse à des conditions de ductilité, de lamir. ge, de soudabilité, de retrait limité ou autres. Cette caracté ristique étend considérablement les possibilités. de la techniq@ et permet d'utiliser par exemple des variétés nouvelles d'acier ou autres alliages ferreux qui, jusqu'à présent, n'ont pu être
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employas pratiquement, en dépit de leurs avantages particulier - sait parce qu'ils sont industriellement impropres au laminage, soit parce qu'ils sont difficilement soudables, soit parce qu'ils présentent un retrait important, soit pour toute autre raison.
Par exemple, l'invention concerne les tubes de canalisations enterrées en acier à 13 % de chrome. Cet acier étant peu oxydable, on peut donner aux tubes une épaisseur pls faible conditionnée uniquement par les sollicitations mécani- ques auxquelles ces tubes sont soumis du fait de la pression intérieure du fluide transporté ou des surcharges extérieures.
La régularité de ces pièces est aussi remarquable qu la qualité du métal qui constitue leurs parois; en effet, les inégalités-d'épaisseur transversale sont évitées par la coulée centrifuge, les inégalités longitudinales par le mode de répartition du métal le long du moule.
Enfin, les pièces suivant l'invention bénéficient en chacun de leurs points d'une isotropie parfaite; elles he présentent pas la structure fibreuse des pièces obtenues par laminage : cette caractéristique est particulièrement avanta- geuse pour les pièces exposées à la corrosion, en particulier pour les tubes de canalisations enterrées, une structure fibreuse favorisant, on le sait, la corrosion du métal.
En dehors des formes de réalisation représentées sur les figs. 10 et 11, les pièces fabriquées peuvent être cylin- driques sur partie de leur longueur et coniques sur une autre partie, ou plus généralement présenter une forme extérieure q" soit en dépouille vers l'extrémité la plus large du moule.
'Elles peuvent même présenter extérieurement des saillies qui ne soient pas en dépouille à condition que la surface intérieu re de la pièce ne s'écarte pas sensiblement du cylindre ou du tronc de cône, et moyennant la destruction du moule pour permettre l'extraction de la pièce après chaque opération de moulage.
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La section transversale des pièces peut être circu- laire ou au contraire avoir une forme extérieure quelconque, polygonale ou autre, ou encore porter des stries ou des canne- lures. La forme de cette section pouvant du reste varier le long du moule.
Les tubes de canalisations en acier centrifugé peuvent aussi comporter une extrémité élargie servant à la confection d'un joint à emboîtement :cette extrémité élargie étant prévue seulement à l'extérieur de la pièce, l'intérieur de cette dernière restant cylindrique de moulage pour subir ensuite un façonnage approprié, ou encore, l'intérieur de. l'emboîtement étant formé également au moulage au moyen d'un noyau d'emboîtement fixé à une extrémité du moule, comme connu en soi.
Enfin, la longueur, l'épaisseur et le diamètre intérieur des tubes et autres pièces tubulaires peuvent varier entre de larges limites; les valeurs indiquées ci-dessus n'ayant été données qu'à titre d'exemple et n'étant pas limi- tatives; Ces pièces peuvent être utilisées telles qu'elles sortent du moule ou au contraire subir toute transformation ultérieure.
Naturellement, l'invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution représentés et décrits qui n'ont été choisis qu'à titre d'exemple.
C'est ainsi- qu'elle s'applique non seulement à l'acier, mais aussi à tout métal , alliage ou autre matière fusible ou susceptible de passer d'un état liquide ou pâteux à l'état solide, que ce changement d'état s'opère au refroidisse ment, comme décrit, ou pour toute autre raison physique, chimique ou autre.
Le moule peut être détruit à chaque opération ou au contraire être permanent, par exemple entièrement métallique.
Il peut avoir toute autre forme, par exemple cylindrique sur
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une partie de sa longueur et tronconique sur une autre partie, ou encore en parabolaide de révolution.
La surface du moule peut présenter des parties en contre-dépouille n'affectant pas la forme générale du moule, et à condition d'admettre la destruction ou le démontage de ces parties du moule après chaque cpulée pour permettre l'extraction des pièces.
La section transversale du moule peut être circulair comme figuré, ou au contraire avoir une forme quelconque canne lée, polygonale ou autre ; laforme de la section pouvant du reste varier le long du moule. Par exemple, dans le moulage ' tuyaux, une extrémité du moule peut être élargie ponr former l'emboîtement de la pièce.
On peut également employer un moule incliné vers l'orifice de coulée,mais suffisamment évasé pour que la composante longitudinale de la force centrifuge soit supérieur à la composante longitudinale, dirigée en sens inverse de la pesanteur. Inversement, on peut aussi employer un moule évasé vers l'orifice de coulée, mais suffisamment incliné en sens inverse pour que la composante longitudinale de la pesanteur l'emporte sur celle de la force centrifuge.
L'orifice d'introduction du m'étal peut être disposé exactement au centre du fond du moule ou encore, en particulie dans le cas du moule de grand diamètre, être excentré et placé par exemple au voisinage de la génératrice inférieure du. moule, dans ce cas un flasque fixe peut être utilisé pour obstruer aussi complètement que possible l'extrémité du moule et empê- cher ainsi conformément à l'invention, la rentrée dans ce moral¯ d'air froid extérieur.
Le distributeur rotatif divergent en métal ou en produit réfractaire peut être fixé et entraîné en rotation indépendamment du moule, à une vitesse égale ou différente de celle de ce dernier. Le profil de ce distributeur peut être
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tronconique comme figure, ou avoir toute autre forme générale divergente telle que celle d'un segment de paraboloïde de révolution. Sa surface peut être lisse, rugueuse, striée ou rainurée.
D'autre part,. on peut, non seulement imprimer au métal une impulsion constante ou lui appliquer des forces constantes pendant toute la coulée, mais encore faire varier cette impulsion et(ou) ces forces en cours d'opération, par exemple en fin de coulée,. soit en modifiant la vitesse de rotation ou l'inclinaison du moule, soit en changeant la hauteur de métal liquide dans le pot de coulée.
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