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Le processus.de solidification de l'acier après coulée est en soi bien connu. Après le remplissage de la lingotière ( en aciérie) ou du moule ( en fonderie), la solidification .évolue progressivement des parois vers l'intérieur, et le retrait résultant de cette solidification se traduit par la présence d'une cavité irrégulière formée vers la surface du métal et constituant un retassement, cette cavité se prolongeant généralement par une-succession de cavités plus petites incluses 'dans le métal et formant des retassures secondaires.
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Ce phénomène de retrait de l'acier à la solidifi- cation exige donc l'emploi d'un réservoir compensateur, en particulier pour les aciers à retassement rapide .et considérable. Dans la pratique, ce réservoir est constitué par.une ou plusieurs masselottes qui, à la coulée, cons- tituent une véritable réserve d'acier liquide compensant le retrait à chaud de l'acier. Une fois la pièce ou le lingot refroidi, les retassures se trouvent alors incluses dans la masselotte, qui est ensuite séparée de cette pièce ou de ce lingot. Cette masselotte peut représenter jusqu'à
100-et 120 % du poids de la pièce coulée en fonderie, et jusqu'à 20 et 30% des lingots coulés en aciérie, et le fait de devoir réserver chaque fois une masselotte lors de la coulée constitue un inconvénient important des procédés actuels.
Le procédé objet de l'invention se rapporte plus particulièrement à'l'obtention des lingots d'acier coulés en aciérie, et l'un des buts de l'invention est de permettre l'obtention de lingots exempts de retassement et de retas- sures secondaires sans devoir utiliser de masselottes.
Le procédé faisant l'objet de l'invention consiste à retarder le phénomène de solidification dans la partie du lingot voisine de la surface libre du métal, afin de ralentir par là même le retrait de l'acier dans cette partie pendant la solidification du reste du lingot, et à assurer une refonte de cette partie voisine de la surface quand elle a atteint un état pâteux ou solide, en vue de refondre les parois du retassement pour combler lesretassures qui ont pu se former et réduire ce retassement au minimum ou même le supprimer.
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Suivant des particularités de mise en oeuvre de l'invention, ce procédé en deux stades peut être appliqué en pratique par l'utilisation successive de deux couches de ,produits exothermiques disposées à la surface du métal après coulée.
La première couche a alors pour but de fournir une chaleur importante en un laps de temps notable, afin de retarder la solidification de l'acier dans la tête du lingot,tandis que la seconde couche fournit un effet calorifique-plus rapide assurant une-refonte de la'masse pour combler le retassement et les retassures secondaires 'qui ont pu apparaître.
Une fois.le remplissage de la lingotière effectué, on recouvre avantageusement l'acier en fusion d'une couche de produit fortement exothermique. La poudre exothermique utilisée est caractérisée de préférence par un rendement calorifique minimum de 1000 à 2500 kilocalories ou plus par kilogramme de poudre, ce dégagement-de chaleur s'étendant sur un laps de temps allant de 0 minute à 6 heures environ. L'épaisseur de la couche de produit est calculée en vue d'obtenir le pouvoir calorifique nécessaire, et elle dépend notamment de la nature du produit exothermique utilisé.
Cette épaisseur -variera d'une façon générale entre 10 et 80 mrn. On peut utiliser pour former cette première couche exothermique un mélange calcium-silicium-carbonealuminium, un mélange ferro-silicium-carbone-aluminium, et d'une façon plus générale la plupart.des mélanges alumino-thermiques connus dans cette technique. De préférence, cette première couche exothermique contient
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du carbone sous forme de farine de charbon de bois, qui entre dans une proportion de 1 à 75 % environ dans la composition de la poudre.
Ce carbone confère à la première couche de produit exothermique une structure poreuse-qui permet ainsi une utilisation optimum de la pression atmosphérique, laquelle s'exerce alors sur la masse en cours de solidification lente de la tête, en supprimant ainsi la formation de retassures secondaires ou de microporosités.
Cette première couche à grande puissance calorifique, quia également un effet calorifugeant, recouvre complètement la partie supérieure de la lingotière et fait office de masselotte borgne. Par suite de la chaleur fournie par ladite couche et de son pouvoir calorifu- geant, la partie supérieure du lingot est maintenue à l'état liquide jusqu'à une profondeur appréciable, alors que les parties qui ne subissent pas l'effet de la couche exothermique se refroidissent de la façon usuelle, -c'est-à-dire de la paroi de la lingotière vers l'intérieur . Au moment où le lingot a pris une consistance pâteuse' ou semi-solide, la partie supérieure est encore en grande partie liquide ou pâteuse.
'Si l'on examine plus en détail l'action de cette première couche, on note que l'effet exothermique obtenu s'étend sur plusieurs heures, selon le dosage utilisé.-Cet effet exothermique est très.puissant et il est de préférence voisin de 2000 à 2200 kilocalories par kilogramme de poudre pendant les 5 ou 10 minutes qui suivent l'application. Il se produit alors une nouvelle fusion de la légère croûte qui a pu se former sur la tête du lingot, et
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un réchauffement de l'acier contenu dans cette tête de lingot, même au-dessus de la température de sortie du four (1600 C environ) afin de compenser la baisse de température'produite normalement entre la sortie du four et la fin de la coulée, qui est de l'ordre de 50 à 1500 C .
Il se produit ainsi un phénomène de conservation ou de rétention de la chaleur, en limitant la perte à une faible valeur pendant la période transitoire entre la phase liquide et la phase pâteuse ou solide de l'acier en tête du lingot.
En outre, étant donnée la porosité de cette première couche de produit exothermique, il se produit un brassage des gaz s'échappant de l'acier pendant la solidification avec l'oxygène de l'air, et ainsi le charbon de bois présent dans le produit et les autres constituants de celui-ci subissent un phénomène d'"ignitionz' constant, ce qui fournit l'effet calorifique désiré. '
Une fois l'effet de la première couche exothermique terminé, on évacue partiellement ou totalement la calotte formée par cette première couche, cette évacuation pouvant se faire à la pelle, à la louche, à l'aspirateur, ou par un simple jet d'air comprimé, le produit formant cette première couche pouvant également être simplement écarté de la face supérieure du lingot .
Après un certain laps de temps, déterminé comme indiqué plus loin, on dépose sur la partie supérieure du lingot une seconde couche d'un produit exothermique capable de produire une nouvelle fusion de l'acier pâteux ou solide p :..on seul effet calorifique.
Cette seconde couche est en un produit ayant un rendement calorifique compris entre 1300 et 3000 kilocalories ou plus par kilogramme, le dégagement thermique s'étalant sur un laps de temps allant de 10 secondes à 20 minutes environ.
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L'épaisseur de cette couche capable d'assurer une refonte de l'acier peut être comprise par exemple, suivant les besoins et la nature du produit, entre 30 et 120 mm, et on peut'utiliser pour la former la plupart des mélanges alumino- thermiques connus. Là chaleur alors dégagée fournit une température avoisinant 2000 C et assure une refonte des parois du retassement qui a pu se produire dans la partie supérieure du lingot et même de la totalité de la tête de ce lingot, en comblant ainsi les retassu- res secondaires et en réduisant ce retassement au mini- mum ou même en le supprimant complètement et-en assurant . la compacification du métal.
On laisse s'écouler entre les applications suc- ' cessives des deux couches de produit exothermique un laps de temps approprié, qui correspond au temps nécessaire à l'obtention d'un retrait à chaud sensiblement total de l'acier, entraînant la formation de retassures et rendant par suite nécessaire cette refonte partielle destinée à combler lesdites retassures. On peut calculer ce temps d'attente en fonction des températures de retrait à chaud' de l'acier fournies par Briggs et Cezelius, qui indiquent que l'acier subit un retrait de 1,6 % entre 1800 et 14800 C., puis un retrait rapide de 3 % environ entre 1480 et 1460 .
Le retrait à froid qui se produit ensuite et qui' s'élève à 7 % environ n'intéresse que la structure cristalline de l'acier et n'a donc pas besoin d'être pris en considération en ce qui concerne la mise en oeuvre du procédé.
Il est évident que le procédé précité, bien qu'il soit décrit plus spécialement pour l'obtention des lingots en aciérie, pourrait s'appliquer également à l'obtention de
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pièces de fonderie. Par ailleurs, quand il est question d'un état pâteux ou solide du métal, ces termes désignent également tous les-états intermédiaires correspondant à une semi-solidification ou à une condition semi-pâteuse.
Le procédé objet de l'invention permet ainsi d'obtenir des lingots sans retassement en tête et sans retassure secondaire par le fait qu'il compense par ses deux stades opératoires l'influence nuisible du retrait de l'acier, ce résultat étant obtenu sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des masselottes. On peut couler aussi-bien le métal en chute qu'en source dans,la lingotière. La première poudre à-rendement exothermique élevé empêche, en constituant une calotte ferme mais poreuse, la formation d'une croûte à la surface du métal, et elle permet ainsi au métal liquide de parvenir jusque dans les retassures secondaires, qui sont ensuite comblées sous l'action exothermique de refonte de la seconde couche. On obtient donc une tête de lingot plate ou presque plate sans modification de la structure ou de la composition de l'acier.
L'invention concerne également les lingots obtenus par le procédé tel que décrit précédemment.
. 'Les détails de mise en oeuvre peuvent être modifiés, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention.
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The process of solidifying steel after casting is in itself well known. After filling the ingot mold (in a steel mill) or the mold (in a foundry), the solidification progressively evolves from the walls inward, and the shrinkage resulting from this solidification results in the presence of an irregular cavity formed towards the surface of the metal and constituting a setback, this cavity generally being extended by a succession of smaller cavities included 'in the metal and forming secondary setbacks.
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This phenomenon of shrinkage of the steel on solidification therefore requires the use of a compensating reservoir, in particular for steels with rapid and considerable settling. In practice, this reservoir consists of one or more weights which, on casting, constitute a real reserve of liquid steel compensating for the hot shrinkage of the steel. Once the piece or the ingot has cooled, the sinkings are then included in the weight, which is then separated from this piece or this ingot. This weight can represent up to
100 and 120% of the weight of the casting in the foundry, and up to 20 and 30% of the ingots cast in a steelworks, and the fact of having to reserve a weight each time during the casting constitutes a major drawback of current methods.
The process which is the subject of the invention relates more particularly to obtaining steel ingots cast in a steelworks, and one of the objects of the invention is to enable ingots to be obtained free from settling and shrinking. secondary safety without having to use weights.
The method forming the subject of the invention consists in delaying the phenomenon of solidification in the part of the ingot adjacent to the free surface of the metal, in order to thereby slow down the withdrawal of the steel in this part during the solidification of the remainder. ingot, and to ensure a remelting of this part close to the surface when it has reached a pasty or solid state, in order to remelt the walls of the recession to fill any recesses that may have formed and reduce this recession to a minimum or even the remove.
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According to particularities of implementation of the invention, this two-stage process can be applied in practice by the successive use of two layers of exothermic products placed on the surface of the metal after casting.
The first layer then aims to provide a significant heat in a significant period of time, in order to delay the solidification of the steel in the head of the ingot, while the second layer provides a calorific effect-faster ensuring a-remelting of the 'mass to fill the set-back and secondary set-backs' that may have appeared.
Once the filling of the mold has been completed, the molten steel is advantageously covered with a layer of highly exothermic product. The exothermic powder used is preferably characterized by a minimum calorific yield of 1000 to 2500 kilocalories or more per kilogram of powder, this heat release extending over a period of time ranging from 0 minutes to about 6 hours. The thickness of the product layer is calculated with a view to obtaining the necessary calorific value, and it depends in particular on the nature of the exothermic product used.
This thickness will generally vary between 10 and 80 mins. To form this first exothermic layer, it is possible to use a calcium-silicon-carbon-aluminum mixture, a ferro-silicon-carbon-aluminum mixture, and more generally most of the aluminum-thermal mixtures known in this art. Preferably, this first exothermic layer contains
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carbon in the form of charcoal flour, which enters in a proportion of 1 to 75% approximately in the composition of the powder.
This carbon gives the first layer of exothermic product a porous structure - which thus allows optimum use of atmospheric pressure, which is then exerted on the mass in the course of slowly solidifying the head, thus eliminating the formation of secondary shrinkage. or microporosities.
This first layer with high calorific power, which also has a heat-insulating effect, completely covers the upper part of the mold and acts as a blind weight. As a result of the heat supplied by said layer and of its heat-insulating capacity, the upper part of the ingot is kept in the liquid state to an appreciable depth, while the parts which are not under the effect of the layer exothermic cool in the usual way, that is to say from the wall of the mold to the inside. By the time the ingot has assumed a pasty or semi-solid consistency, the upper part is still largely liquid or pasty.
'If we examine in more detail the action of this first layer, we note that the exothermic effect obtained extends over several hours, depending on the dosage used. This exothermic effect is very powerful and it is preferably around 2000 to 2200 kilocalories per kilogram of powder for 5 or 10 minutes after application. A new fusion of the light crust which may have formed on the head of the ingot then occurs, and
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heating of the steel contained in this ingot head, even above the temperature at the exit from the furnace (approximately 1600 C) in order to compensate for the drop in temperature normally produced between the exit from the furnace and the end of casting , which is of the order of 50 to 1500 C.
A phenomenon of conservation or retention of heat thus occurs, limiting the loss to a low value during the transitional period between the liquid phase and the pasty or solid phase of the steel at the top of the ingot.
In addition, given the porosity of this first layer of exothermic product, there is a stirring of the gases escaping from the steel during solidification with the oxygen of the air, and thus the charcoal present in the product and the other constituents thereof undergo a constant "ignition" phenomenon, which provides the desired calorific effect.
Once the effect of the first exothermic layer has ended, the cap formed by this first layer is partially or totally evacuated, this evacuation can be done with a shovel, a ladle, a vacuum cleaner, or by a simple jet of water. compressed air, the product forming this first layer can also be simply moved away from the upper face of the ingot.
After a certain period of time, determined as indicated below, a second layer of an exothermic product capable of producing a new melting of the pasty or solid steel is deposited on the upper part of the ingot capable of producing a new melting of the pasty or solid steel p: ... .
This second layer is made of a product having a calorific output of between 1300 and 3000 kilocalories or more per kilogram, the thermal release being spread over a period of time ranging from 10 seconds to about 20 minutes.
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The thickness of this layer capable of ensuring a remelting of the steel may be for example, depending on the needs and the nature of the product, between 30 and 120 mm, and most alumino mixtures can be used to form it. - known thermals. The heat then released provides a temperature of around 2000 C and remelts the walls of the settling that may have occurred in the upper part of the ingot and even the entire head of this ingot, thus filling in the secondary shrinkages and by reducing this set-back to a minimum or even eliminating it completely and ensuring. the compacting of the metal.
A suitable time is allowed to elapse between the successive applications of the two layers of exothermic product, which corresponds to the time required to obtain substantially complete hot shrinkage of the steel, resulting in the formation of setbacks and consequently making necessary this partial overhaul intended to fill said setbacks. This waiting time can be calculated from the hot shrinkage temperatures of the steel provided by Briggs and Cezelius, which indicate that the steel undergoes 1.6% shrinkage between 1800 and 14800 C., then a rapid shrinkage of around 3% between 1480 and 1460.
The cold shrinkage which then takes place and which amounts to about 7% concerns only the crystalline structure of the steel and therefore does not need to be taken into consideration with regard to processing. of the process.
It is obvious that the aforementioned process, although it is described more specifically for obtaining ingots in a steelworks, could also apply to obtaining
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foundry parts. Moreover, when it comes to a pasty or solid state of the metal, these terms also denote all the intermediate states corresponding to a semi-solidification or to a semi-pasty condition.
The process which is the subject of the invention thus makes it possible to obtain ingots without head shrinkage and without secondary shrinkage by the fact that it compensates by its two operating stages for the harmful influence of steel shrinkage, this result being obtained without that it is necessary to use weights. The falling metal can be poured as well as the source in the mold. The first high exothermic yield powder prevents, by constituting a firm but porous cap, the formation of a crust on the surface of the metal, and it thus allows the liquid metal to reach into the secondary sinkings, which are then filled under. the exothermic action of remelting the second layer. A flat or nearly flat ingot head is thus obtained without modifying the structure or the composition of the steel.
The invention also relates to the ingots obtained by the method as described above.
. The details of implementation can be modified, in the field of technical equivalences, without departing from the invention.
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