CH621953A5

CH621953A5 - Method for manufacturing metal castings

Info

Publication number: CH621953A5
Application number: CH349678A
Authority: CH
Inventors: Frank Stuart Death
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1981-03-13
Also published as: SE443373B; ATA226478A; AR216787A1; NL7803393A; GB1603135A; AU3464678A; DE2813717A1; ES468347A1; NO781100L; BR7801963A; ZA781814B; AU518013B2; CA1106621A; SE7803592L; NL179300C; AT376454B; TR20268A; MX5384E; NO157606C; NO157606B

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication de pièces en métal coulé. The present invention relates to a method for manufacturing cast metal parts.

Le traitement pneumatique de l'acier inoxydable en fusion par injection simultanée d'argon et d'oxygène, généralement appelé procédé AOD, est couramment employé dans les aciéries qui produisent du métal travaillé, c'est-à-dire laminé, étiré, filé ou forgé. Les principes de base du procédé d'affinage AOD sont décrits dans le brevet des EUA N° 3752790. Le brevet des EUA N° 3046107 suggère des améliorations concernant la programmation de l'injection des gaz. L'association de l'azote à l'argon et à l'oxygène est décrite dans le brevet des EUA N° 3754894. Une modification du procédé AOD est également décrite dans le brevet des EUA N° 3867135 qui utilise de la vapeur d'eau ou de l'ammoniac associé à l'oxygène pour affiner le métal fondu. The pneumatic treatment of molten stainless steel by simultaneous injection of argon and oxygen, generally called the AOD process, is commonly used in steel mills which produce worked metal, i.e. rolled, drawn, drawn. or forged. The basic principles of the AOD refining process are described in US Patent No. 3,752,790. US Patent No. 3,046,107 suggests improvements regarding the timing of gas injection. The association of nitrogen with argon and oxygen is described in US Patent No. 3754894. A modification of the AOD process is also described in US Patent No. 3867135 which uses steam water or ammonia combined with oxygen to refine the molten metal.

Le point essentiel à retenir de cette description de l'art antérieur est que les techniques précitées d'affinage pneumatique n'ont jamais été appliquées à l'affinage du métal de fonderie destiné à la production directe de pièces coulées. The essential point to remember from this description of the prior art is that the aforementioned pneumatic refining techniques have never been applied to the refining of foundry metal intended for the direct production of castings.

La présente invention a pour objet un procédé permettant d'améliorer la qualité superficielle, la structure interne et les propriétés physiques des pièces coulées. The subject of the present invention is a method for improving the surface quality, the internal structure and the physical properties of the castings.

Ce but est atteint par le procédé de l'invention, tel que décrit dans la revendication 1. This object is achieved by the method of the invention, as described in claim 1.

Le flux de gaz contenant de l'oxygène ou gaz oxygéné est de préférence entouré d'un flux annulaire de fluide de protection. The flow of oxygen-containing gas or oxygenated gas is preferably surrounded by an annular flow of protective fluid.

Le terme affinage, tel qu'il est utilisé, couvre très généralement une ou plusieurs des opérations suivantes: décarburation, déphos-phoration, désulfuration, dégazage, désoxydation, apports gazeux dans l'alliage, oxydation des impuretés, vaporisation des impuretés, réduction et flottation du laitier, et homogénéisation des impuretés non métalliques. Le présent procédé est applicable à n'importe quel alliage à base de fer, de cobalt ou de nickel. The term refining, as it is used, very generally covers one or more of the following operations: decarburization, dephos-phoration, desulfurization, degassing, deoxidation, gas contributions in the alloy, oxidation of impurities, vaporization of impurities, reduction and slag flotation, and homogenization of non-metallic impurities. The present process is applicable to any alloy based on iron, cobalt or nickel.

Le gaz de dilution est un gaz ou un mélange de gaz ajouté au flux d'oxygène pour réduire la pression partielle d'oxyde de carbone dans les bulles de gaz qui se dégagent au cours de la décarburation du métal et/ou pour modifier le débit d'oxygène injecté dans le mélange sans faire varier sensiblement le débit total du gaz injecté. Le gaz de dilution peut être l'argon, l'hélium, l'hydrogène, l'azote, l'oxyde de carbone, le gaz carbonique, la vapeur d'eau et certains hydrocarbures gazeux tels que le méthane, l'éthane, le propane et le gaz naturel. En pratique, c'est l'argon qui donne les meilleurs résultats. The dilution gas is a gas or a mixture of gases added to the oxygen flow to reduce the partial pressure of carbon monoxide in the gas bubbles which are released during the decarburization of the metal and / or to modify the flow of oxygen injected into the mixture without substantially varying the total flow rate of the gas injected. The dilution gas can be argon, helium, hydrogen, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor and certain gaseous hydrocarbons such as methane, ethane, propane and natural gas. In practice, argon gives the best results.

Le terme fluide de protection désigne un fluide ou un mélange de fluides qui est admis autour du gaz oxygéné pour éviter une usure excessive des tuyères et du garnissage réfractaire environnant. On peut utiliser l'argon, l'hélium, l'azote, l'hydrogène, l'oxyde de carbone, le gaz carbonique, certains hydrocarbures fluides (gazeux ou liquides) et la vapeur d'eau. Parmi les hydrocarbures gazeux, on peut citer le méthane, l'éthane, le propane et le gaz naturel. Le carburant Diesel N° 2 est un hydrocarbure liquide utilisable. L'argon donne cependant les meilleurs résultats comme fluide de protection. The term protective fluid designates a fluid or a mixture of fluids which is admitted around the oxygenated gas to avoid excessive wear of the nozzles and the surrounding refractory lining. Argon, helium, nitrogen, hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, certain fluid hydrocarbons (gaseous or liquid) and water vapor can be used. Among the gaseous hydrocarbons, mention may be made of methane, ethane, propane and natural gas. No. 2 Diesel fuel is a usable liquid hydrocarbon. Argon, however, gives the best results as a protective fluid.

Le terme gaz de purge désigne un gaz ou un mélange de gaz permettant d'éliminer les impuretés du métal, soit par vaporisation, soit par entraînement dans le laitier et fixation par inclusion ou réaction. On peut utiliser l'argon, l'hélium, l'azote et la vapeur d'eau. Là encore, l'argon donne les meilleurs résultats. The term purge gas designates a gas or a mixture of gases making it possible to remove the impurities from the metal, either by vaporization, or by entrainment in the slag and fixing by inclusion or reaction. Argon, helium, nitrogen and water vapor can be used. Again, argon gives the best results.

Le présent procédé permet d'obtenir des pièces coulées dont la qualité superficielle, nettement meilleure que celle des pièces coulées classiques, nécessite moins d'opérations de finition telles que décapage, meulage, burinage, rechargement à la soudure, etc. Cette amélioration de la qualité superficielle se manifeste par un niveau réduit des défauts superficiels qui peuvent être mis en évidence par des examens à la teinture pénétrante. The present process makes it possible to obtain castings whose surface quality, clearly better than that of conventional castings, requires fewer finishing operations such as pickling, grinding, chiselling, reloading with welding, etc. This improvement in surface quality is manifested by a reduced level of surface defects which can be demonstrated by examinations with penetrating dye.

Le présent procédé permet en outre d'améliorer sensiblement la structure interne des pièces coulées qui présentent certaines ou toutes les caractéristiques suivantes : inclusions moins nombreuses, grain plus fin du métal coulé, porosité interne réduite, faible tendance à l'écaillement par l'hydrogène au moment de l'usinage, réduction des défauts internes à l'examen radiogra-phique et meilleures propriétés physiques, notamment dureté. The present process also makes it possible to appreciably improve the internal structure of the castings which have some or all of the following characteristics: fewer inclusions, finer grain of the cast metal, reduced internal porosity, low tendency to flaking by hydrogen. at the time of machining, reduction of internal defects during radiographic examination and better physical properties, in particular hardness.

En appliquant les techniques d'affinage pneumatique aux aciers de fonderie, on pensait obtenir des améliorations chimiques du même ordre que celles que ces méthodes offrent dans la production d'acier de forge ou de laminage. On pouvait s'attendre en particulier que la structure interne du métal bénéficierait d'une meilleure désoxydation, d'une élimination plus efficace des résidus de désoxydation et d'une réduction des niveaux de soufre et d'hydrogène. Cependant, la mise en pratique de cette idée a montré que l'affinage pneumatique par le procédé de l'invention permettait d'améliorer au-delà de toute espérance l'état de surface des pièces coulées et leurs propriétés de résistance, de ductilité et de ténacité. En particulier, ce procédé permet de couler des pièces de haute qualité à partir d'aciers faiblement alliés ou d'aciers doux. By applying pneumatic refining techniques to foundry steels, it was thought to obtain chemical improvements of the same order as those which these methods offer in the production of forging or rolling steel. In particular, it could be expected that the internal structure of the metal would benefit from better deoxidation, more efficient removal of deoxidation residues and a reduction in sulfur and hydrogen levels. However, putting this idea into practice has shown that pneumatic refining by the process of the invention makes it possible to improve beyond all expectation the surface condition of the castings and their strength, ductility and tenacity. In particular, this process enables high quality parts to be cast from low alloyed steels or mild steels.

Grâce au présent procédé, les fonderies pourront maintenant produire des pièces de meilleure qualité et avec une proportion de rebuts nettement réduite. L'amélioration de la qualité superficielle des pièces coulées se'manifeste par une diminution des fissures et Thanks to this process, foundries will now be able to produce better quality parts with a significantly reduced proportion of scrap. The improvement in the surface quality of the castings is manifested by a reduction in cracks and

5 5

10 10

15 15

20 20

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30 30

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3 3

621 953 621,953

des criques de chaleur. L'état de surface est en outre meilleur, heat coves. The surface finish is also better,

sans doute à cause de l'interaction réduite entre le sable de moulage et le métal en fusion. On constate également que les propriétés physiques des pièces sont sensiblement meilleures. Ces améliorations sont attribuées à un plus faible niveau d'inclusions, à un moindre écaillement par l'hydrogène et à une porosité réduite. L'acier affiné par le présent procédé possède une meilleure fluidité à température égale que le métal non traité, ce qui se traduit par des pièces de meilleure qualité car le métal peut remplir les interstices les plus ténus et les plus tortueux. En corollaire, on peut obtenir la même aptitude au moulage que le métal non traité, probably due to the reduced interaction between the molding sand and the molten metal. It is also found that the physical properties of the parts are significantly better. These improvements are attributed to a lower level of inclusions, less flaking by hydrogen and reduced porosity. The steel refined by the present process has a better fluidity at equal temperature than the untreated metal, which results in better quality parts because the metal can fill the smallest and most tortuous interstices. As a corollary, we can obtain the same moldability as untreated metal,

mais à une température plus basse, ce qui contribue à l'amélioration de la qualité superficielle des pièces. but at a lower temperature, which contributes to improving the surface quality of the parts.

Le présent procédé est applicable à tous les types de fers et d'aciers, ainsi qu'aux alliages à base de cobalt et de nickel, que l'on emploie normalement en fonderie. On constate cependant que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque le traitement est appliqué à des aciers ferritiques et austénitiques inoxydables, à des aciers faiblement alliés et à des aciers doux. L'amélioration est spectaculaire dans le cas d'aciers sensibles à l'écaillement par l'hydrogène et aux criques de chaleur, comme le WC6 et le HY80. Pour les pièces de fonderie en acier à haute résistance, tel le HY130, qui nécessitent de nombreuses opérations de finition par burinage, meulage et rechargement, l'élimination des défauts de coulée par l'affinage du présent procédé se traduit par un abaissement substantiel du prix de revient. Jusqu'ici, les aciers inoxydables austénitiques, comme le CN7M, CH20, CK20, 310L, 347L, etc., étaient assez peu utilisés en fonderie à cause des risques de formation de criques et de microfissuration. Avec le procédé, ces inconvénients sont pratiquement éliminés. The present process is applicable to all types of irons and steels, as well as to alloys based on cobalt and nickel, which are normally used in foundries. However, it is found that the best results are obtained when the treatment is applied to ferritic and austenitic stainless steels, to low alloy steels and to mild steels. The improvement is spectacular in the case of steels sensitive to flaking by hydrogen and heat cracks, such as WC6 and HY80. For high-strength steel foundries, such as the HY130, which require numerous finishing operations by chiselling, grinding and reloading, the elimination of casting defects by refining the present process results in a substantial reduction in the cost price. Until now, austenitic stainless steels, such as CN7M, CH20, CK20, 310L, 347L, etc., were used very little in foundries because of the risks of cracks and microcracking. With the method, these drawbacks are practically eliminated.

Le procédé est applicable sans restriction aux pièces petites ou grandes, simples ou complexes, et particulièrement lorsque la qualité est primordiale, par exemple dans les pompes et les turbines utilisées dans la construction navale, l'industrie aérospatiale et les installations nucléaires. The method is applicable without restriction to small or large, simple or complex parts, and particularly when quality is paramount, for example in pumps and turbines used in shipbuilding, the aerospace industry and nuclear installations.

En plus de ces résultats bénéfiques, le procédé permet d'économiser sur le coût des matières premières en diminuant l'oxydation du métal en fusion et en permettant d'employer des matières de départ de moindre qualité. La productivité est en outre améliorée par l'affinage qui permet d'obtenir une composition d'alliage optimale et qui minimise le nombre de pièces défectueuses. In addition to these beneficial results, the process saves on the cost of raw materials by reducing the oxidation of the molten metal and by allowing the use of lower quality starting materials. Productivity is further improved by refining which provides an optimal alloy composition and which minimizes the number of defective parts.

La figure unique du dessin annexé illustre un exemple de convertisseur pour la mise en œuvre du procédé de l'invention. The single figure of the accompanying drawing illustrates an example of a converter for implementing the method of the invention.

Dans la pratique, la charge initiale peut être fondue par différents moyens classiques. Les fours de fusion les plus couramment utilisés en fonderie sont les fours à sole ou à creuset chauffés à l'huile lourde, ainsi que les fours électriques à résistance, à induction ou à arc, ces deux derniers types étant préférés. Lorsque la charge est fondue, le métal liquide est transféré dans le convertisseur pneumatique de la figure unique. In practice, the initial charge can be melted by various conventional means. The most commonly used melting furnaces in foundries are hearth or crucible furnaces heated with heavy oil, as well as electric resistance, induction or arc furnaces, the latter two types being preferred. When the charge is melted, the liquid metal is transferred to the pneumatic converter of the single figure.

La coupe de la figure unique représente un convertisseur d'affinage 1 dont la cuve en acier 2 est fixée de manière amovible à une structure annulaire de suspension 3. La structure 3 et la cuve 2 peuvent basculer autour de tourillons (non représentés) pour faciliter le chargement, le prélèvement d'échantillons, l'évacuation du laitier et le transvasement du métal. La cuve 2 est garnie intérieurement de briques réfractaires basiques 4. Le principe de la cuve amovible permet de travailler en continu avec une cuve en service et une ou plusieurs cuves en cours de réfection. On voit sur la figure unique qu'une tuyère 5 à double écoulement est montée latéralement dans le bas de la cuve pour y injecter les fluides d'affinage. Dans certains cas, des tuyères peuvent être montées dans le fond de la cuve à la place ou en plus des tuyères latérales. Cependant, les meilleurs résultats sont obtenus avec deux ou plusieurs tuyères latérales disposées asymétrique-ment à proximité du fond de la cuve. Il est préférable que les tuyères ne soient pas disposées symétriquement pour éviter que leurs jets se contrariant diminuent l'efficacité du brassage. La tuyère 5 est constituée de deux tubes concentriques 6 et 7. Le tube intérieur 6 est alimenté en oxygène pur ou dilué et le tube extérieur 7 est alimenté en gaz de protection. Ce dernier crée une gaine annulaire autour du flux d'oxygène pour éviter une dégradation trop rapide du garnissage réfractaire. Les pressions d'injection doivent être suffisantes pour que les gaz puissent pénétrer dans le mélange en fusion. Il est préférable que les pressions absolues des fluides aux entrées des passages central et annulaire de la tuyère soient au moins le double des pressions absolues aux sorties. The section of the single figure represents a refining converter 1 whose steel tank 2 is removably attached to an annular suspension structure 3. The structure 3 and the tank 2 can tilt around pins (not shown) to facilitate loading, taking samples, removing slag and transferring metal. The tank 2 is lined internally with basic refractory bricks 4. The principle of the removable tank makes it possible to work continuously with a tank in service and one or more tanks being repaired. It can be seen in the single figure that a double-flow nozzle 5 is mounted laterally at the bottom of the tank for injecting the refining fluids. In some cases, nozzles can be mounted in the bottom of the tank instead of or in addition to the side nozzles. However, the best results are obtained with two or more lateral nozzles arranged asymmetrically near the bottom of the tank. It is preferable that the nozzles are not arranged symmetrically to avoid their opposing jets reducing the efficiency of the stirring. The nozzle 5 consists of two concentric tubes 6 and 7. The inner tube 6 is supplied with pure or diluted oxygen and the outer tube 7 is supplied with protective gas. The latter creates an annular sheath around the oxygen flow to avoid too rapid degradation of the refractory lining. The injection pressures must be sufficient for the gases to enter the molten mixture. It is preferable that the absolute pressures of the fluids at the inlets of the central and annular passages of the nozzle are at least twice the absolute pressures at the outlets.

Le brevet des EUA N° 3703279 décrit en détail une cuve de convertisseur équipée de tuyères qui conviennent pour l'application du procédé. Le gaz de purge peut être injecté dans le métal en fusion par la ou les tuyères qui ont servi à l'injection du gaz oxygéné, ou par des tuyères séparées. La première solution est préférable. Plus précisément, après la phase d'injection du gaz oxygéné, le gaz de purge est injecté dans le passage central de la tuyère, et également dans le passage annulaire pour éviter que le métal en fusion ne reflue dans la tuyère et s'y solidifie. US Patent No. 3703279 describes in detail a converter tank equipped with nozzles which are suitable for the application of the process. The purge gas can be injected into the molten metal by the nozzle or nozzles which were used for the injection of the oxygenated gas, or by separate nozzles. The first solution is preferable. More precisely, after the injection phase of the oxygenated gas, the purge gas is injected into the central passage of the nozzle, and also into the annular passage to prevent the molten metal from flowing back into the nozzle and solidifying therein. .

En général, l'affinage du métal en fusion par le procédé consiste à injecter dans le métal en fusion de l'oxygène et un gaz de dilution, ainsi qu'un fluide de protection (les deux pouvant être l'argon) par des tuyères immergées. La décarburation, c'est-à-dire la réaction de l'oxygène injecté avec le carbone du métal, produit une oxydation de certains constituants du bain et dégage de la chaleur qui élève la température du bain. On injecte initialement une forte proportion d'oxygène par rapport aux gaz de dilution et de protection. Selon la composition de l'acier, au fur et à mesure de la diminution de la teneur en carbone, on réduit la proportion d'oxygène, généralement par paliers, de façon à maintenir des conditions thermodynamiques favorables pendant toute l'opération. In general, the refining of the molten metal by the process consists in injecting into the molten metal of oxygen and a dilution gas, as well as a protective fluid (both can be argon) by nozzles submerged. Decarburization, that is to say the reaction of the oxygen injected with the carbon of the metal, produces an oxidation of certain constituents of the bath and gives off heat which raises the temperature of the bath. A high proportion of oxygen is initially injected relative to the dilution and protection gases. Depending on the composition of the steel, as the carbon content decreases, the proportion of oxygen is reduced, generally in stages, so as to maintain favorable thermodynamic conditions throughout the operation.

L'injection à grande vitesse de l'oxygène et des autres gaz dans la masse du métal permet d'obtenir un excellent brassage et un contact intime gaz-métal et métal-laitier. Ces conditions permettent d'accélérer considérablement tous les processus chimiques qui se déroulent à l'intérieur du convertisseur. On peut, par exemple, obtenir une désulfuration très poussée (à moins de 0,005%) en moins de 10 mn de soufflage et sans ajouter de coûteux agents de désulfuration, tels que le calcium, le magnésium ou des terres rares. De même, la désulfuration des alliages à moins de 1% de chrome peut être obtenue en décarburant le bain à moins de 0,1 % de carbone avec un mélange de gaz contenant au moins 75% d'oxygène. Le laitier phosphoreux obtenu doit être décanté avant le soufflage avec un gaz de purge ou l'addition d'agents réducteurs, désoxydants ou désulfurants. The high-speed injection of oxygen and other gases into the mass of the metal allows excellent mixing and intimate gas-metal and metal-slag contact. These conditions make it possible to speed up considerably all the chemical processes which take place inside the converter. One can, for example, obtain a very thorough desulfurization (less than 0.005%) in less than 10 minutes of blowing and without adding expensive desulfurization agents, such as calcium, magnesium or rare earths. Likewise, desulfurization of alloys with less than 1% chromium can be obtained by decarburizing the bath with less than 0.1% carbon with a mixture of gases containing at least 75% oxygen. The phosphorous slag obtained must be decanted before blowing with a purge gas or the addition of reducing, deoxidizing or desulphurizing agents.

Les autres avantages majeurs du procédé sont un contrôle très précis de la teneur finale en carbone et des niveaux résiduels très faibles d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. Le tableau I donne les niveaux résiduels types pour ces trois éléments. The other major advantages of the process are very precise control of the final carbon content and very low residual levels of oxygen, nitrogen and hydrogen. Table I gives the typical residual levels for these three elements.

Tableau I Table I

Acier inoxydable Stainless steel

Acier faiblement Weak steel

allié ally

Oxygène Oxygen

40-70 ppm 40-70 ppm

20-50 ppm 20-50 ppm

Hydrogène Hydrogen

2-4 ppm 2-4 ppm

1-3 ppm 1-3 ppm

Azote Nitrogen

150-200 ppm 150-200 ppm

20-50 ppm 20-50 ppm

Le procédé permet en outre de réduire les quantités de plomb et de zinc à des niveaux négligeables sur le plan de la métallurgie. The process also makes it possible to reduce the quantities of lead and zinc to negligible levels in terms of metallurgy.

Les résultats bénéfiques du procédé, c'est-à-dire la réduction de la teneur en gaz (oxygène, azote et hydrogène), ainsi que le faible niveau de soufre et l'augmentation de la fluidité du métal se The beneficial results of the process, i.e. the reduction of the gas content (oxygen, nitrogen and hydrogen), as well as the low sulfur level and the increase in the fluidity of the metal are

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

621 953 621,953

4 4

combinent pour donner des pièces coulées ayant une qualité superficielle, une structure interne des propriétés mécaniques exceptionnellement favorables. Le tableau II permet de comparer les propriétés chimiques et physiques selon la norme ASTM A296 de deux pièces coulées en acier inoxydable de nuance CA6NM affiné par un procédé classique et par le procédé de la présente invention. combine to give castings having a surface quality, an internal structure with exceptionally favorable mechanical properties. Table II makes it possible to compare the chemical and physical properties according to standard ASTM A296 of two stainless steel castings of grade CA6NM refined by a conventional process and by the process of the present invention.

Tableau II Table II

Composition (%) Composition (%)

ASTM A296 ASTM A296

Ordinaire Ordinary

Invention Invention

C VS

0,06 maxi 0.06 max

0,05 0.05

0,026 0.026

Mn Mn

1,00 maxi 1.00 max

0,60 0.60

0,47 0.47

Si Yes

1,00 maxi 1.00 max

0,55 0.55

0,96 0.96

Cr Cr

11,5-14,0 11.5-14.0

12,70 12.70

12,81 12.81

Ni Or

3,5-4,5 3.5-4.5

3,80 3.80

4,00 4.00

Mo Mo

0,40-1,00 0.40-1.00

0,50 0.50

0,57 0.57

S S

0,03 maxi 0.03 max

0,025 0.025

0,022 0.022

P P

0,04 maxi 0.04 max

0,020 0.020

0,025 0.025

Propriétés physiques Physical properties

Résistance à la traction Tensile strength

(kg/mm2) (kg / mm2)

77,3 mini 77.3 mini

80,8 80.8

86,3 86.3

Limite élastique Elastic limit

(kg/mm2) (kg / mm2)

56,2 mini 56.2 mini

70,3 70.3

76,2 76.2

Allongement (%) Elongation (%)

15 mini 15 mini

20 20

21 21

Striction (%) Striction (%)

35 mini 35 mini

60 60

67 67

Résilience Charpy sur Charpy resilience on

barreau entaillé (kgm) notched bar (kgm)

- -

9,0 9.0

10,6-11,1 10.6-11.1

Ces résultats comparatifs montrent la supériorité, à tous points de vue, du procédé de l'invention, particulièrement pour l'essai de choc sur barreau entaillé. La différence de résilience est encore plus significative si l'on tient compte du fait que le métal coulé avait une teneur en soufre de 0,022%, alors que l'affinage pneumatique permet de descendre en dessous de 0,01%. Dans ce cas, aucun traitement spécial de désulfuration n'a été appliqué. These comparative results show the superiority, from all points of view, of the method of the invention, particularly for the impact test on a notched bar. The difference in impact strength is even more significant if one takes into account the fact that the cast metal had a sulfur content of 0.022%, while the pneumatic refining makes it possible to drop below 0.01%. In this case, no special desulphurization treatment was applied.

Pour des alliages à haute résistance, tels que le HY-130, on obtient une amélioration de 85% de la résilience entre une pièce coulée selon le présent procédé et une pièce du même alliage dégazée sous vide. Cette résistance au choc dépasse largement toutes les valeurs que l'on avait obtenues jusqu'ici avec des pièces coulées en cet alliage. For high strength alloys, such as HY-130, an 85% improvement in the resilience is obtained between a part cast according to the present process and a part of the same alloy degassed under vacuum. This impact resistance greatly exceeds all the values that have been obtained hitherto with castings of this alloy.

Exemple 1 : Example 1:

Un four électrique à arc est chargé de 2856 kg de riblons de HY80, 2665 kg de riblons d'acier doux et 136 kg de chaux. La fusion dure environ 1 h et la charge est portée à environ 1700°C. Sa composition est ensuite ajustée par les techniques habituelles pour obtenir les valeurs indiquées ci-après sur la ligne composition initiale. An electric arc furnace is loaded with 2856 kg of HY80 rods, 2665 kg of mild steel rods and 136 kg of lime. The fusion lasts approximately 1 hour and the charge is brought to approximately 1700 ° C. Its composition is then adjusted by the usual techniques to obtain the values indicated below on the initial composition line.

Le métal en fusion est ensuite versé du four dans une poche de transfert, puis chargé dans le convertisseur. On ajoute à la charge du convertisseur 227 kg de chaux, 45,4 kg de magnésie et 27,2 kg d'aluminium. Au début de l'affinage pneumatique, la température du métal est 1593° C. Le convertisseur est muni de deux tuyères horizontales immergées à tubes concentriques disposées asymé-triquement dans le bas du convertisseur, comme sur la figure unique. The molten metal is then poured from the oven into a transfer bag, then loaded into the converter. 227 kg of lime, 45.4 kg of magnesia and 27.2 kg of aluminum are added to the converter load. At the start of pneumatic refining, the temperature of the metal is 1593 ° C. The converter is provided with two horizontal immersed nozzles with concentric tubes arranged asymmetrically at the bottom of the converter, as in the single figure.

Le gaz de soufflage, constitué d'oxygène dilué d'argon, est introduit par le tube central de chaque tuyère. De l'argon pur est également injecté comme fluide de protection par le passage annulaire de chaque tuyère. Pour les deux écoulements confondus, le rapport du débit d'oxygène au débit d'argon est 3:1. La quantité totale d'oxygène injecté est 60,9 m3. Le débit combiné des gaz injectés est d'environ 170 m3/h. 9 mn environ après le début du soufflage, on ajoute au métal 5 kg de chrome de charge et 8,2 kg de manganèse ordinaire. A la fin du soufflage, la température atteint 1693°C et la teneur en carbone est 0,10%. The blowing gas, consisting of dilute oxygen of argon, is introduced through the central tube of each nozzle. Pure argon is also injected as a protective fluid through the annular passage of each nozzle. For the two flows combined, the ratio of oxygen flow to argon flow is 3: 1. The total amount of oxygen injected is 60.9 m3. The combined flow rate of the injected gases is approximately 170 m3 / h. About 9 minutes after the start of blowing, 5 kg of charge chromium and 8.2 kg of ordinary manganese are added to the metal. At the end of the blowing, the temperature reaches 1693 ° C and the carbon content is 0.10%.

On ajoute ensuite 45,4 kg de ferrosilicium à 50%, puis on injecte de l'argon avec un débit d'environ 113 m3/h pendant 4 mn par les deux passages de tuyères pour purger et brasser le mélange. La température descend alors à 1649°C. Le mélange est ensuite désoxydé par la méthode classique et purgé à l'argon pendant 2 mn avant d'être versé dans la poche de coulée. Les compositions initiale à la sortie du four et finale après affinage sont les suivantes : 45.4 kg of 50% ferrosilicon is then added, then argon is injected with a flow rate of approximately 113 m 3 / h for 4 min through the two passages of nozzles to purge and stir the mixture. The temperature then drops to 1649 ° C. The mixture is then deoxidized by the conventional method and purged with argon for 2 min before being poured into the ladle. The initial compositions after removal from the oven and final after refining are as follows:

Composition %C %Mn Composition% C% Mn

%Si %Yes

%Cr % Cr

%Ni %Or

%Mo % Mo

%P % P

%S % S

Initiale Initial

0,32 0,54 0.32 0.54

0,55 0.55

1,29 1.29

2,85 2.85

0,43 0.43

0,014 0.014

0,004 0.004

Après After

affinage ripening

0,10 0,61 0.10 0.61

0,35 0.35

1,49 1.49

2,97 2.97

0,42 0.42

0,017 0.017

0,001 0.001

Exemple 2: Example 2:

A titre de comparaison, une charge de HY80 (acier faiblement allié) est préparée comme suit par le traitement classique. Un four électrique à arc est chargé de 6810 kg de riblons HY80, de 55 kg de chrome de charge, de 6393,2 kg de riblons d'acier doux et de 272 kg de chaux. La fusion de la charge dure environ 75 mn et la température finale est 1532°C. Un ouvrier injecte ensuite environ 113 m3 d'oxygène à l'aide d'une lance consommable. Le laitier qui se forme est écrémé et la température du métal atteint 1566°C. For comparison, a load of HY80 (low alloy steel) is prepared as follows by the conventional treatment. An electric arc furnace is loaded with 6810 kg of HY80 rods, 55 kg of charge chromium, 6,393.2 kg of mild steel rods and 272 kg of lime. The melting of the charge takes approximately 75 min and the final temperature is 1532 ° C. A worker then injects approximately 113 m3 of oxygen using a consumable lance. The slag which forms is skimmed and the temperature of the metal reaches 1566 ° C.

Les produits suivants sont ajoutés à la charge: 90,8 kg de carbone, 227 kg de ferrosilicium à 50%, 227 kg de chaux, 100 kg de chrome de charge, 129,4 kg de nickel et 30 kg d'oxyde de molybdène (M0O3). The following products are added to the charge: 90.8 kg of carbon, 227 kg of 50% ferrosilicon, 227 kg of lime, 100 kg of charge chromium, 129.4 kg of nickel and 30 kg of molybdenum oxide (M0O3).

Le four est remis en marche pendant 45 mn et la température du métal est portée à 1660°C. A ce stade, on prélève un échantillon préliminaire dont la composition est donnée ci-après. La charge est alors complétée par l'adjonction de 227 kg de chaux, de 91 kg de chrome de charge, de 61,3 kg de nickel et 12,7 kg de ferromolybdène. Le métal est à nouveau décarburé par l'injection de 190 m3 d'oxygène à l'aide d'une lance consommable. Après 20 mn de soufflage, la teneur en carbone mesurée est de 0,07%. On ajoute alors 124,9 kg de silicium/manganèse et 59,5 kg de ferrosilicium à 75%. Un échantillon est immédiatement prélevé et l'analyse donne la composition finale suivante: The oven is restarted for 45 minutes and the temperature of the metal is brought to 1660 ° C. At this stage, a preliminary sample is taken, the composition of which is given below. The charge is then completed by the addition of 227 kg of lime, 91 kg of charge chromium, 61.3 kg of nickel and 12.7 kg of ferromolybdenum. The metal is again decarburized by injecting 190 m3 of oxygen using a consumable lance. After 20 minutes of blowing, the carbon content measured is 0.07%. 124.9 kg of silicon / manganese and 59.5 kg of 75% ferrosilicon are then added. A sample is immediately taken and the analysis gives the following final composition:

Composition %C Composition% C

%Mn % Mn

%Si %Yes

%Cr % Cr

%Ni %Or

%Mo % Mo

%P % P

%S % S

Préliminaire 0,63 Preliminary 0.63

0,26 0.26

1,06 1.06

0,93 0.93

2,32 2.32

0,34 0.34

0,016 0.016

0,006 0.006

Finale à la Final at

sortie du four 0,10 out of the oven 0.10

0,63 0.63

0,47 0.47

1,40 1.40

2,79 2.79

0,40 0.40

0,015 0.015

0,007 0.007

Le tableau HI permet de comparer les propriétés physiques de deux pièces coulées avec des alliages préparés selon les exemples 1 et 2. Après la coulée, les deux pièces sont soumises à des traitements thermiques sensiblement identiques. Table HI makes it possible to compare the physical properties of two cast parts with alloys prepared according to examples 1 and 2. After casting, the two parts are subjected to substantially identical heat treatments.

(Tableau en tête de la colonne suivante) (Table at the top of the next column)

On constate que les deux pièces ont sensiblement les mêmes propriétés, sauf pour la résistance au choc qui est nettement améliorée par le procédé de l'invention. A priori, on pourrait s'attendre que les pièces auraient des propriétés identiques, car elles ont à peu près la même composition chimique et on subi les mêmes traitements thermiques. L'excellente résistance au choc de l'alliage obtenu par le procédé de l'invention est attribuée à sa pureté interne. Bien que l'augmentation de la résilience soit un It is found that the two parts have substantially the same properties, except for the impact resistance which is significantly improved by the method of the invention. A priori, one would expect that the parts would have identical properties, because they have approximately the same chemical composition and one underwent the same heat treatments. The excellent impact resistance of the alloy obtained by the process of the invention is attributed to its internal purity. Although increasing resilience is a

5 5

10 10

15 15

20 20

25 25

30 30

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

Tableau 77/(HY80) Table 77 / (HY80)

Exemple 1 Exemple 2 Example 1 Example 2

Résistance à la traction (kg/mm2) 72,23 71,93 5 Tensile strength (kg / mm2) 72.23 71.93 5

Limite élastique (kg/mm2) 61,30 61,8 Elastic limit (kg / mm2) 61.30 61.8

Allongement (%) 22 21 Elongation (%) 22 21

Striction (%) 55 53 Résilience Charpy sur barreau entaillé (kgm) 8,0-13,8-14,9 6,1-6,2-5,1 10 Striction (%) 55 53 Charpy resilience on notched bar (kgm) 8.0-13.8-14.9 6.1-6.2-5.1 10

avantage essentiel pour des pièces coulées, il ne faut pas perdre de vue l'aspect économique des opérations de finition. Avec les pièces de l'exemple 1, les opérations de nettoyage, meulage, 15 essential advantage for castings, we must not lose sight of the economic aspect of finishing operations. With the parts of Example 1, the cleaning, grinding, 15

rechargement et autres réparations sont beaucoup plus réduites qu'avec les pièces de l'exemple 2. Cette amélioration était inattendue et imprévisible d'après l'expérience acquise. Son incidence économique est très appréciable, car la main-d'œuvre nécessaire aux opérations de finition représente une part importante du prix 20 de revient des pièces coulées. reloading and other repairs are much smaller than with the parts in Example 2. This improvement was unexpected and unpredictable from experience. Its economic impact is very significant, because the labor required for finishing operations represents a significant part of the cost price of the cast parts.

En plus de ces diverses améliorations, d'autres avantages ont été constatés dans le cas de pièces coulées en HY80. Par exemple, pour une pièce expérimentale réalisée selon le procédé de l'invention, le nombre de réparations à la soudure n'a été que de 5, alors 2s qu'une pièce réalisée par la méthode classique en a nécessité 95. De plus, les pièces ne présentaient pas d'écaillement dû à l'hydrogène, même sur des sections de 33 cm. In addition to these various improvements, other advantages have been noted in the case of parts cast in HY80. For example, for an experimental part produced according to the method of the invention, the number of repairs to the weld was only 5, whereas 2 s that a part produced by the conventional method required 95. Furthermore, the parts did not show any flaking due to hydrogen, even on 33 cm sections.

Exemple 3: 3Q Example 3: 3Q

Un four électrique à arc est chargé de 4062 kg de riblons d'acier inoxydable 18/8, 18,2 kg de carbone et 227 kg de chaux. An electric arc furnace is loaded with 4062 kg of 18/8 stainless steel rods, 18.2 kg of carbon and 227 kg of lime.

Cette charge est fondue et portée à une température d'environ 1700"C. Sa composition est indiquée ci-après. This charge is melted and brought to a temperature of about 1700 "C. Its composition is indicated below.

Le métal est ensuite transféré à l'aide d'une poche dans le 35 convertisseur d'affinage où on ajoute 227 kg de chaux. Au début de la période d'affinage pneumatique, la température du métal est 1599' C. Le soufflage est assuré par deux tuyères doubles disposées comme sur la figure. Le gaz de soufflage constitué d'oxygène dilué d'argon est injecté par les tubes centraux. De l'argon est en 40 outre injecté comme fluide de protection par les passages annulaires des tuyères. Pour les deux écoulements confondus, le rapport du débit d'oxygène au débit d'argon est environ 3:1. On injecte au total 51 m3 d'oxygène avec un débit combiné (oxygène plus argon) d'environ 200 m3/h. Après 21 mn de soufflage dans 45 ces conditions, la température du métal est 1715° C et la teneur en carbone est 0,15%. On modifie alors la proportion d'oxygène pour obtenir un rapport de 1:1. Le soufflage se poursuit dans ces The metal is then transferred using a ladle into the refining converter where 227 kg of lime are added. At the start of the pneumatic refining period, the temperature of the metal is 1599 ° C. The blowing is provided by two double nozzles arranged as in the figure. The blowing gas consisting of diluted argon oxygen is injected through the central tubes. Argon is further injected as a protective fluid through the annular passages of the nozzles. For the two flows combined, the ratio of the oxygen flow rate to the argon flow rate is approximately 3: 1. A total of 51 m3 of oxygen is injected with a combined flow (oxygen plus argon) of approximately 200 m3 / h. After 21 minutes of blowing under these conditions, the temperature of the metal is 1715 ° C. and the carbon content is 0.15%. The proportion of oxygen is then modified to obtain a ratio of 1: 1. The blowing continues in these

621 953 621,953

conditions pendant environ 15 mn avec l'injection de 28,3 m3 d'oxygène. On modifie à nouveau le rapport oxygène:argon pour obtenir 1:3 et on injecte 2,8 m3 d'oxygène en 4 mn environ. On ajoute ensuite 181,6 kg d'alliage fer/chrome/silicium, 45,4 kg de chaux et 97,6 kg de ferrosilicium à 50%, puis le métal est brassé et purgé pendant 17 mn par une injection d'azote pur par les deux passages des tuyères. La température finale est 1604°C, et le métal est versé dans une poche de coulée classique. conditions for approximately 15 minutes with the injection of 28.3 m3 of oxygen. The oxygen: argon ratio is again modified to obtain 1: 3 and 2.8 m3 of oxygen are injected in approximately 4 minutes. Then added 181.6 kg of iron / chromium / silicon alloy, 45.4 kg of lime and 97.6 kg of 50% ferrosilicon, then the metal is stirred and purged for 17 min by an injection of pure nitrogen by the two passages of the nozzles. The final temperature is 1604 ° C, and the metal is poured into a conventional ladle.

Composition %C %Mn %Si %Cr %Ni %Cu %Mo %P %S Composition% C% Mn% Si% Cr% Ni% Cu% Mo% P% S

Initiale 0,35 0,75 0,34 19,29 8,95 0,34 0,65 0,029 0,00 Après affinage 0,02 0,70 1,47 20,09 9,54 0,33 0,63 0,028 0,00 Initial 0.35 0.75 0.34 19.29 8.95 0.34 0.65 0.029 0.00 After refining 0.02 0.70 1.47 20.09 9.54 0.33 0.63 0.028 0.00

Exemple 4: Example 4:

A titre de comparaison, une charge d'acier inoxydable 18/8 est préparée par la méthode classique. Un four électrique à arc est chargé de 8491 kg de riblons de 18/8, 170 kg de ferronickel, 68 kg de carbone et 1135 kg de chaux. Le four est alimenté pendant environ 118 mn pour fondre la charge et la porter à 1566°C. Un échantillon préliminaire est prélevé et sa composition est indiquée ci-après. Un ouvrier injecte environ 340 m3 d'oxygène à l'aide d'une lance consommable. Le laitier qui se forme est écrémé et on ajoute les produits suivants: 1034 kg d'alliage fer/chrome/silicium, 136 kg de ferrochrome à faible teneur en carbone, 363 kg de chaux et 36,3 kg de nickel. For comparison, a charge of 18/8 stainless steel is prepared by the conventional method. An electric arc furnace is loaded with 8491 kg of 18/8 ribbons, 170 kg of ferronickel, 68 kg of carbon and 1135 kg of lime. The oven is supplied for approximately 118 min to melt the charge and bring it to 1566 ° C. A preliminary sample is taken and its composition is indicated below. A worker injects around 340 m3 of oxygen using a consumable lance. The slag which forms is skimmed off and the following products are added: 1034 kg of iron / chromium / silicon alloy, 136 kg of low carbon ferrochrome, 363 kg of lime and 36.3 kg of nickel.

Le four est remis en marche pour réchauffer la charge à la température de coulée. Les compositions préliminaire et finale à la sortie du four sont les suivantes : The oven is restarted to heat the load to the pouring temperature. The preliminary and final compositions after removal from the oven are as follows:

Composition Composition

%C %Mn % C% Mn

%Si %Yes

%Cr % Cr

%Ni %Or

%Mo % Mo

%P % P

%S % S

Préliminaire Preliminary

0,45 0,58 0.45 0.58

0,42 0.42

17,65 17.65

8,78 8.78

0,83 0.83

0,028 0.028

0,010 0.010

Après After

affinage ripening

0,05 0,63 0.05 0.63

1,21 1.21

19,84 19.84

8,85 8.85

0,78 0.78

0,033 0.033

0,005 0.005

Les propriétés des pièces coulées à partir des alliages des exemples 3 et 4 sont sensiblement les mêmes. Cependant, le temps de finition de six pièces coulées par le procédé de l'invention est réduit d'environ 30% par rapport à la main-d'œuvre nécessaire à la finition de sept pièces coulées avec un alliage affiné par les techniques classiques. The properties of the parts cast from the alloys of Examples 3 and 4 are substantially the same. However, the finishing time of six cast pieces by the process of the invention is reduced by about 30% compared to the labor required to finish seven cast pieces with an alloy refined by conventional techniques.

R R

1 feuille dessins 1 sheet of drawings

Claims

621,953

1. A method of manufacturing cast metal parts, consisting of melting a charge of selected composition in the oven, refining the molten metal, pouring the metal into a mold, letting it cool and solidify in the mold, and for removing the part from the mold, characterized in that the molten metal is transferred from the furnace to a refining converter provided with at least one submerged nozzle, and in that the metal contained in the converter is refined by injecting with at least one nozzle an oxygenated gas mixture containing 10 to 90% of dilution gas, and then injecting a purge gas into the molten metal through the nozzle.

2. Method according to claim 1, characterized in that one injects a jet of oxygenated gas surrounded by an annular jet of protective fluid.

2

3. Method according to claim 1, characterized in that the dilution gas is argon, helium, hydrogen, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor or a gaseous hydrocarbon.

4. Method according to claim 1, characterized in that the dilution gas is argon.

5. Method according to claim 1, characterized in that the purge gas is argon, helium, nitrogen or water vapor.

6. Method according to claim 1, characterized in that the purge gas is argon.

7. Method according to claim 2, characterized in that the protective fluid is argon, helium, hydrogen, nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor or a liquid or gaseous hydrocarbon.

8. Method according to claim 2, characterized in that the protective fluid is argon.

9. Method according to claim 1, characterized in that the absolute pressure of the fluids injected at the inlet of the nozzles is at least twice the absolute pressure of the fluids at the outlet of the nozzles.

10. Converter for implementing the method according to claim 1, characterized in that it is provided with at least two immersed nozzles.

11. Converter according to claim 10, characterized in that the nozzles are mounted laterally and asymmetrically in the wall of the converter so that they open horizontally near its bottom in non-collinear directions.