EP0570303A1

EP0570303A1 - Procédé de coulee en charge permettant d'eviter la fissuration de la rehausse

Info

Publication number: EP0570303A1
Application number: EP93420158A
Authority: EP
Inventors: Laurent Jouet-Pastre
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 1993-11-18
Also published as: FR2690099A1; FR2690099B1

Abstract

Afin d'éviter la fissuration d'une rehausse (2,3) en matériau réfractaire, surmontant une lingotière (1) dans une coulée de l'aluminium et de ses alliages sous forme de plaques ou de billettes, on applique à ladite rehausse avant la coulée une précontrainte de compression perpendiculaire à l'axe de coulée indépendante des efforts de bridage sur la lingotière et étant obtenue par frettage périphérique contrôlé.

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.-

La présente invention est relative à un procédé de coulée en charge permettant d'éviter la fissuration de la rehausse.
L'homme de l'art de la fonderie de l'aluminium et de ses alliages sait bien, en particulier par l'enseignement du brevet US 3,381,741, que dans le but d'améliorer la qualité des produits coulés, on peut utiliser la coulée en charge qui consiste à placer au dessus de la lingotière une rehausse en matériau réfractaire dans laquelle le métal est maintenu à l'état liquide avant de passer dans la lingotière où il va se solidifier.
Cette technique est désignée dans le langage anglo-saxon sous le nom de coulée "hot top" et a fait depuis sa création l'objet de différents perfectionnements tels que l'injection de gaz dans la lingotière par l'intermédiaire soit de son interface avec la rehausse (brevet US 4,157,728) soit de sa paroi latérale (brevet US 4,598,763).
Cette rehausse est fixée solidement et de façon étanche sur la lingotière afin d'éviter toute fuite de métal liquide ; elle peut être composée de une ou plusieurs pièces et possède une section rectangulaire dans le cas de la coulée de plaques ou circulaire dans le cas de la coulée de billettes.

PROBLEME POSE.-

Un des problèmes qui se pose dans l'exploitation de la technique de coulée en charge, c'est celui de la formation de fissures sur la rehausse.
Ces fissures s'initient de différentes façons :

au début de la coulée, lorsque le métal liquide ayant une température voisine de 700°C arrive au contact de la rehausse à la température ambiante, il se produit un choc thermique.
ensuite, au cours de la coulée, il subsiste un important gradient thermique à l'intérieur de la rehausse, ce qui soumet le matériau réfractaire dont elle est constituée à des contraintes thermiques importantes.

Il en résulte donc des ruptures au sein du matériau qui se traduisent sous forme de fissures.
Ces fissures se développent dans un plan sensiblement vertical ( plan sensiblement radial dans le cas de la coulée de produits cylindriques ) et peuvent s'étendre jusqu'à affecter une section complète de la rehausse et se répéter en différents points du périmètre.
Ces fissures vont être à l'origine de plusieurs phénomènes :

la pénétration et la solidification de métal dans la fissure,
la formation à partir de ce point d'un "accrochage", c'est-à-dire d'un germe solide plus ou moins développé qui reste lié à la rehausse au lieu de descendre dans la lingotière.
Ceci se traduit par l'apparition de défauts sur le produit coulé soit du type sillon soit du type arrachement qui peuvent entraîner le rebut. Cela provoque également des difficultés de nettoyage, voire une détérioration locale de la rehausse lors du nettoyage.
Les fissures s'ouvrant chaque fois davantage, la gravité de ces infiltrations croît rapidement avec le nombre des coulées.
l'apparition de fuites de gaz dans le cas de l'utilisation de techniques particulières telles que celles enseignées dans les deux brevets cités plus haut, d'où des difficultés pour apporter ou maintenir le gaz injecté dans la zone souhaitée.

Il s'avère donc nécessaire de trouver les moyens pour remédier à ce problème de fissuration.

ETAT DE LA TECHNIQUE.-

Certes, face à ce problème des solutions ont été apportées et qui concernent deux approches différentes :

soit on cherche un matériau réfractaire renforcé qui convienne mieux ;
soit on essaye de colmater les fissures.

Suivant la première approche, on utilisait autrefois des fibres d'amiante qui permettaient un renforcement efficace mais, pour des raisons d'hygiène, ce matériau a été abandonné.
Aujourd'hui, on se tourne vers un renforcement par fibres de carbone mais, celles-ci ont une température de combustion voisine de 500°C de sorte qu'il n'est pas possible de réaliser une bonne cuisson du matériau à la fin de la fabrication et que le renfort disparaît au contact du métal liquide.
Suivant la seconde approche, on peut colmater les fissures par poteyage mais, cette opération est longue et délicate.
En outre, on risque de déposer du poteyage en des endroits où il peut s'avérer gênant comme, par exemple à la surface de la lingotière ou encore aux points d'injection du gaz ou du lubrifiant quand c'est le cas.
C'est pourquoi la demanderesse a cherché à trouver une autre solution axée sur le renforcement de la rehausse.

EXPOSE DE L'INVENTION.-

L'invention consiste en un procédé de coulée de l'aluminium et de ses alliages sous forme de plaques ou de billettes dans une lingotière surmontée d'une rehausse en matériau réfractaire caractérisé en ce que, dans le but d'éviter la fissuration de la dite rehausse , on lui applique, avant la coulée, une précontrainte de compression perpendiculaire à l'axe de coulée, indépendante des efforts de bridage sur la lingotière, ladite précontrainte étant obtenue par frettage périphérique contrôlé.
Cela a pour but de recaler la plage des contraintes de service du matériau par rapport à la plage des contraintes limites.
En effet, les contraintes de service sont du même ordre de grandeur tant en compression qu'en traction, tandis que les contraintes admissibles par le matériau sont plus élevées en compression qu'en traction.
En conséquence, l'effet de la précontrainte devra avoir pour effet de rajouter une force de compression aux contraintes de service et obtenir au total des valeurs élevées en compression et faibles en traction.
Compte-tenu du mode de fissuration, le champ de précontrainte approprié s'obtient en exerçant une contrainte périphérique autour de la rehausse.
Pour réaliser cette contrainte périphérique, on a essayé d'abord d'utiliser la pièce qui sert à brider la rehausse sur la lingotière, en modifiant sa forme pour permettre un emboîtement conique de la rehausse dans cette pièce.
Ainsi, lors de l'opération de bridage, une composante de l'effort exercé par la pièce sur la rehausse réalisait effectivement une précontrainte périphérique de cet élément. Mais, cette solution présentait de graves inconvénients :

il n'était pas possible de connaître ni de maîtriser la contrainte périphérique exercée ( en particulier, la contrainte fluctuait avec le coefficient de frottement bride-rehausse.)
on ne pouvait l'appliquer qu'à la coulée de billettes et pas à la coulée des plaques : sur les grands côtés d'une rehausse de plaques, la bride conique repoussait horizontalement la rehausse vers l'intérieur de la lingotière. On n'obtenait pas la précontrainte et au contraire cette déformation favorisait la fissuration.
il était nécessaire, pour obtenir une précontrainte suffisante, d'exercer un effort de bridage conséquent, inadmissible dans de nombreux cas :

Dans une autre version du procédé de coulée en charge, on cherche à faire passer du gaz dans une fente, ménagée entre la lingotière et la rehausse. Cette fente est nécessairement très fine pour empêcher le métal liquide de s'infiltrer. Son épaisseur est comprise entre 0,05 et 0,7 mm et varie de façon inverse à la hauteur de charge métallostatique.
La fente est soit continue, avec la bague réfractaire en porte-à-faux au dessus, soit intermittente, coupée de loin en loin par les points d'appui de la bague réfractaire. Le fait d'exercer un effort de bridage suffisant pour obtenir la précontrainte, conduisait à réduire de manière catastrophique l'épaisseur de la fente, en particulier dans le cas de charge métallostatique élevée ( 150-250 mm ), où la fente ne fait que quelques 1/100 mm : en effet, il y avait un fléchissement de la bague réfractaire au niveau du porte-à-faux ou entre ses points d'appui, et de plus une incrustation progressive des points d'appui dans le réfractaire.
De cette expérience avec l'emboîtement conique, il résulte que la contrainte périphérique doit être exercée indépendamment de l'effort de bridage.
Le moyen finalement retenu est donc un frettage périphérique de la rehausse sur une face perpendiculaire au plan d'appui de la rehausse sur la lingotière de manière à n'exercer que des efforts perpendiculaires à l'axe de coulée.
Les efforts exercés sont contrôlés, et ceci est indispensable pour, grâce aux précontraintes, bien positionner la plage des contraintes de service dans la rehausse par rapport aux contraintes admissibles par le matériau.
Les fissures continuent à survenir si la précontrainte n'est pas suffisante. Des fissures d'un autre type ( fissure à 45° avec chevauchement des deux extrémités ) interviennent si la précontrainte est excessive ( l'excès de compression engendre une rupture selon un plan de cisaillement.)
Le frettage est effectué au moins sur la partie de la rehausse la plus proche de la lingotière mais, il peut l'être également sur des parties plus éloignées.
Deux techniques de frettage sont utilisées suivant la forme du produit coulé.
Dans le cas de billettes, la section du produit coulé est circulaire et le frettage est réalisé au moyen d'une bague métallique rigide, placée à chaud au contact de la surface extérieure de la rehausse, et dont le diamètre diminue par refroidissement.
Cette frette est généralement en acier et son diamètre intérieur D1 est plus faible que le diamètre extérieur D2 de la rehausse. L'écart relatif entre ces deux diamètres (D2-D1)/D1 est compris entre 0,5/1000 et 5/1000. C'est par le biais de cet écart que l'on contrôle l'effort exercé.
Dans le cas de plaques, la section est généralement rectangulaire et de dimensions beaucoup plus importantes que dans le cas des billettes, et de ce fait le respect des cotes est beaucoup plus difficile et la déformation accidentelle des frettes beaucoup plus grande.
C'est pourquoi, on recourt à l'utilisation de frettes souples telles que des feuillards. Mais, dans ce cas, il n'est pas possible de fretter à chaud en raison de la trop faible inertie thermique du feuillard d'où l'obtention de la précontrainte à l'aide d'un dispositif du type machine à cercler qui est équipée d'un moyen de mesure de la mise sous tension, ce qui permet d'exercer sur le feuillard et de manière contrôlée une tension comprise entre 50 et 500 daN.
Naturellement, cette technique de frettage est aussi applicable aux billettes, mais n'est pas préférée parce que plus longue et plus délicate de mise en oeuvre que celle exposée plus haut.

DESCRIPTION DU DESSIN.-

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la figure 1 jointe qui représente suivant une coupe axiale verticale une lingotière de coulée équipée d'une rehausse frettée.
Sur cette figure, on distingue la lingotière 1 équipée d'une rehausse formée d'une partie supérieure 2 et d'une partie inférieure 3 plaquée de façon étanche contre la lingotière à l'aide d'une bride 4 et d'une série de vis 5. Autour de la partie 3, est placée la frette 6.

EXEMPLE D'APPLICATION.-

L'invention peut être illustrée à l'aide de l'exemple d'application suivant :
On a coulé un alliage du type 7175 suivant les normes de l'Aluminium Association sous forme de plaques de dimensions 1300 x 446 mm dans une lingotière dont la partie inférieure de la rehausse était frettée à l'aide d' un feuillard de largeur 15 mm et d'épaisseur 0,5 mm en acier du type XC12F sous une tension de 270 daN et fermé par une agrafe.
Le nombre de coulées sans que l'on constate l'apparition de fissures a été de 7 tandis qu'avec une rehausse en même matériau non frettée utilisée pour le même genre de coulée, on a constaté l'apparition de fissures dès la première opération.
De plus, la présence du feuillard a permis de poursuivre les opérations sans aucune difficulté aprés l'apparition des fissures jusqu'à un total de 34 coulées ; les fissures restant bien fermées grâce à la pression exercée par le feuillard.
Avec une rehausse non frettée, un poteyage doit être utilisé dès la deuxième coulée et le remplacement de cette pièce intervient fatalement avant 10 coulées.
L'invention trouve son application dans la coulée de l'aluminium et de ses alliages que ce soit sous forme de plaques ou de billettes et quelque soit le type de matériel utilisé, c'est-à-dire qu'il mette en oeuvre une injection de gaz et/ou d'huile ou non.
Elle permet de prolonger notablement la durée de vie des rehausses.

Claims

Procédé de coulée de l'aluminium et de ses alliages sous forme de plaques ou de billettes dans une lingotière (1) surmontée d'une rehausse (2, 3) en matériau réfractaire caractérisé en ce que, dans le but d'éviter la fissuration de la dite rehausse , on lui applique, avant la coulée, une précontrainte de compression perpendiculaire à l'axe de coulée, indépendante des efforts de bridage sur la lingotière, ladite précontrainte étant obtenue par frettage périphérique contrôlé.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas de billettes le frettage est réalisé au moyen d'une bague métallique rigide, placée à chaud au contact de la surface extérieure de la rehausse, et dont le diamètre diminue par refroidissement.
Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à température ambiante, le diamètre intérieur de la frette D1 est inférieur au diamètre extérieur de la rehausse et que l'écart relatif entre les deux diamètres (D2-D1)/D1 est compris entre 0,5/1000 et 5/1000.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas de plaques, le frettage est réalisé au moyen d'une feuille métallique souple mise sous tension à l'aide d'une machine à cercler.
Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la machine à cercler est équipée d'un dispositif de contrôle de la tension.
Procédé selon la revendication 4, caractérisée en ce que la tension est comprise entre 50 et 500 daN.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la partie de la rehausse directement en contact avec la lingotière.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué aux rehausses non directement en contact avec la lingotière.