EP0785836B1 - Une poche de chauffage et de coulee de metaux liquides - Google Patents

Description

La présente invention concerne un four ou une poche chauffante de maintien de métal liquide, notamment de métaux fondant à haute température, tels que fontes, aciers ou super-alliages.

Elle concerne en particulier les poches du type comprenant un élément principal qui comporte une cavité délimitée par un garnissage réfractaire et destinée à être chargée de métal en fusion, cette cavité étant munie d'une ouverture de remplissage et d'un orifice de sortie de métal communiquant avec ladite cavité, et des moyens de chauffage du métal. La cavité est destinée à être chargée de métal en fusion maintenu en température.

Il est connu de maintenir du métal liquide en utilisant un four électrique à canal. (Voir par exemple le document US 3 810 564).

Dans ce type de four le maintien en température est réalisé par la circulation du métal dans le canal chauffé par un inducteur. Cette technique est difficilement exploitable dans le cas des métaux nécessitant des températures de maintien élevées tels que les aciers et les superalliages. Ce type de four présente, en particulier à l'exploitation, des problèmes de tenue du matériau réfractaire constituant le canal.

Avec certains alliages comme par exemple les fontes traitées, on observe l'apparition de dysfonctionnements, notamment des phénomènes d'encrassement.

De plus, dans les fours à canal, les quantités de réfractaire sont importantes ce qui nécessite de laisser un pied de bain ou le four en température de manière continue, donc l'utilisation de four à canal s'avère limitée à un petit nombre d'applications qui ne demandent pas une grande souplesse d'emploi, par exemple il est difficile de changer d'alliages très souvent ou d'arrêter le four tous les jours.

On connaít également par le brevet français FR-A-2 364 719 des poches de traitement ainsi que des fours chauffés par induction, mais ceux-ci sont surtout conçus pour la coulée continue et leur utilisation pour la coulée en moules de très petites séries de pièces pose des problèmes importants, notamment en ce qui concerne l'homogénéité de la température du métal liquide dans le conduit de coulée.

Etant donné cet état de la technique, l'invention se propose de fournir un four ou une poche chauffante de maintien de métal liquide remédiant à l'ensemble des inconvénients cités précédemment. En particulier, l'invention a pour but de fournir une poche chauffante dont la conception facilite l'écoulement du métal liquide, notamment pendant les opérations de prélèvement de métal liquide, ainsi que toutes les opérations de mesure, de nettoyage et d'entretien subséquentes.

A cet effet, l'invention a pour objet une poche, du tue précité, caractérisée en ce que ladite cavité comporte une zone de pied de bain et une zone de réserve, le volume de la zone de pied de bain étant inférieur au volume de la zone de réserve , la zone de pied de bain se situant à la partie inférieure d'un cylindre principal d'axe YY incliné notamment suivant un angle d'environ 30° dans la position de service de la poche, la forme de ladite cavité étant dépourvue d'angle mort de manière à obtenir un écoulement régulier du métal liquide et autorisant l'accès à travers ladite ouverture de remplissage, à chaque point de la cavité, notamment aux fins de décrassage à chaud de la poche de coulée.

Suivant d'autres caractéristiques de la poche de coulée :

• ladite cavité comprend un cylindre de remplissage se terminant par ladite ouverture de remplissage, et la zone de réserve de métal liquide communiquant avec ce cylindre, avec le cylindre d'alimentation et avec l'orifice de sortie ;
• lesdits cylindres sont d'axes parallèles dans un plan vertical, le cylindre de remplissage ayant son axe décalé vers le haut par rapport à l'axe du cylindre principal ;
• le cylindre de remplissage possède un diamètre supérieur au diamètre du cylindre principal, de façon à former la zone de réserve de métal liquide, ladite zone de réserve étant raccordée au cylindre d'alimentation par une zone de raccordement de forme sensiblement tronconique pourvue d'arrondis ;
• les axes des cylindres compris dans un plan vertical sont inclinés vers le haut vers l'orifice de remplissage notamment suivant un angle de l'ordre de 30°, dans la position de service de la poche ; ceci dans le but que la poche puisse contenir une grande quantité de métal liquide tout en minimisant le pied de bain.

L'ouverture de remplissage comprend un dispositif de fermeture pour limiter les pertes thermiques du métal et/ou pour inerter la surface du métal.

• lesdits moyens de chauffage comprennent un inducteur qui entoure une zone de chauffage cylindrique de même axe et de préférence de même diamètre que le cylindre d'alimentation et sont notamment rapportés sur l'élément principal de façon amovible.

Les caractéristiques et avantages de l'invention vont ressortir de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple en regard du dessin annexé, dont la figure unique représente schématiquement vue en coupe verticale, une installation de la poche de maintien en température selon l'invention.

L'installation représentée comporte une poche chauffante 1 composée de trois sous-ensembles : un ensemble de chauffage du métal liquide, représenté sous la forme d'un ensemble inducteur 2, un orifice de sortie 3 de métal 4 et un élément principal 5. La fonction de l'ensemble inducteur 2 est de maintenir le métal à une certaine température.

L'ensemble inducteur 2 entoure une zone de chauffage 6 en forme de cuvette profonde délimitée par un habillage réfractaire 7. Cet habillage réfractaire 7 est entouré d'un bobinage inducteur 8 à moyenne fréquence destiné à chauffer le métal 4 liquide par induction, l'ensemble étant logé dans un élément de carcasse 9. L'ensemble inducteur 2 comporte également des moyens de fixation à l'élément principal 5, qui peuvent être tous moyens appropriés à la disposition de l'homme de métier, et notamment un système de brides et de boulons 10.

L'élément principal 5 de la poche 1 comporte une carcasse 11 dans laquelle est disposé un garnissage 12 en matériau réfractaire. A l'intérieur de ce garnissage 12 est aménagée une cavité 13 composée de plusieurs volumes géométriques, et comportant au moins une ouverture.

La zone de chauffage 6 de l'ensemble inducteur 2 est également cylindrique, de même diamètre qu'un cylindre principal 14 de l'élément principal 5, et incliné comme lui vers le haut d'un certain angle par rapport à l'horizontale, de façon à définir un axe commun Y-Y. Dans le mode de réalisation de l'invention qui est représenté, cet angle est de l'ordre de 30°, et le diamètre de la zone de chauffage 6 et du cylindre principal 14 est de 225 mm.

La cavité 13 interne de l'élément principal 5 comporte encore un troisième volume constitué par une zone de réserve 15 de métal 4 liquide. Cette zone de réserve 15 constitue le prolongement vers le bas d'un cylindre de remplissage 16 d'axe Y'Y' parallèle à un axe YY commun de la zone de chauffage 6 et du cylindre principal 14. L'axe Y'-Y' du cylindre de remplissage 16 est par conséquent parallèle, dans un plan vertical, et décalé vers le haut par rapport à l'axe Y-Y, et le cylindre de remplissage 16 possède un diamètre sensiblement plus important que le diamètre du cylindre principal 14. Le cylindre principal 14 et le cylindre de remplissage 16 sont agencés de façon à avoir leur génératrice inférieure 17 commune. En outre, les deux cylindres 14 et 16 sont reliés à leur partie supérieure par une zone de raccordement 18. Cette zone de raccordement 18 présente une forme sensiblement tronconique pourvue d'arrondis 19, 20 réalisant une jonction progressive entre les deux cylindres 14, 16. Les cylindres 14, 16 peuvent être pourvus d'une légère dépouille orientée vers une ouverture de remplissage 21, de façon à permettre une fabrication aisée de l'élément principal 5 et de sa zone de réserve 15 par moulage de matériau réfractaire autour d'un noyau.

Si l'on choisit un diamètre de l'ordre de 550 mm pour la zone de réserve, un diamètre de 225 mm et une longueur de 100 mm pour l'orifice de sortie 3, la capacité utile de la poche de maintien en température 1 qui correspond au volume de cavité situé entre un repère bas A voisin d'une l'extrémité inférieure 22 de l'orifice de sortie 3 et un repère haut B correspondant au remplissage maximal de la poche, est de l'ordre de 550 kg pour des alliages d'une densité voisine de 7. Bien entendu, pour adapter cette capacité utile à une autre installation de coulée, il suffit de changer les dimensions des éléments de la poche 1.

Pour cette capacité, le bobinage inducteur 8 est parcouru par un courant de fréquence de 500 Hz associé à une puissance de 250 KW de manière à obtenir une température homogène de tout le métal 4 liquide sans créer de brassage excessif qui serait nuisible à la tenue du réfractaire.

L'ouverture de remplissage 21 du cylindre de remplissage 16 est fermée, pendant l'utilisation de la poche 1, par une porte de remplissage 23 fixée sur la carcasse 11 de manière amovible et étanche.

Avec la géométrie définie ci-dessus, l'on peut accéder à travers l'ouverture de remplissage 21 en tout point de la zone de réserve 15 de la cavité 13. En outre, la distance entre la zone de réserve 15 de métal 4 et la zone de chauffage 6 se trouve minimisée, ce qui permet d'assurer un chauffage plus homogène du métal liquide, par effet de proximité.

En utilisation, la poche 1 selon l'invention fonctionne de la manière suivante : partant d'une poche propre et exempte de crasse, l'on ouvre la porte de remplissage 23 et l'on charge la cavité 13 interne de l'élément principal avec du métal 4 liquide jusqu'à ce que celui-ci atteigne le niveau indiqué par le repère B. A travers l'ouverture 21, l'on procède à l'écrémage des impuretés éventuellement présentes à la surface du métal, et on mesure la température du métal. On ferme alors la porte de remplissage 23 de façon étanche.

Ensuite, on prélève du métal en effectuant une rotation de la poche 1 autour de l'axe Y-Y. La rotation progressive de la poche 1 entraíne la sortie du métal 4 liquide au travers de l'orifice de sortie 3.

Après une durée prédéterminée, la poche est ramenée à sa position initiale.

La poche peut également être utilisée en adaptant des moyens de pressurisation au travers de la porte de remplissage 23 ou de la carcasse 11 et du garnissage 12.

Ces moyens de pressurisation permettent de prélever le métal liquide au travers de l'orifice de sortie 3 sans avoir à mettre en rotation la poche. Ce type de dispositif peut être utilisé pour la coulée par gravité de pièces de fonderie ; l'utilisation de la pression permettant de contrôler précisément la régularité des prélèvements en métal liquide.

Après un certain nombre de prélèvements, le niveau du métal liquide dans la zone de réserve 15 de l'élément principal 5 est descendu jusqu'au niveau bas A. A ce stade l'on remplit la poche 1 comme indiqué précédemment ou on arrête la campagne de coulée.

Il ressort de ce qui précède que la poche de maintien en température 1 selon l'invention répond aux objectifs fixés, du fait de la forme particulière et de la disposition des éléments de la zone de réserve 15 de l'élément principal 5, en liaison avec la forme et la disposition de l'ouverture de remplissage 21 de l'élément principal 5. Notamment grâce à la coaxialité ou au parallélisme de la zone de chauffage 6, du cylindre principal 14 et du cylindre de remplissage 16, cette forme est spécialement adaptée pour procéder à la coulée du métal, ainsi qu'au décrassage, aux mesures et à l'entretien de la poche 1.

De plus, dans le but de maintenir le métal 4 en température et en le brassant de façon calme et homogène, le bobinage inducteur 8 est parcouru par un courant moyenne ou basse fréquence, notamment de 50 à 1500 Hertz.

En vue d'éviter les chocs thermiques sur le garnissage réfractaire 12 et/ou de figer le métal 4 liquide lors du remplissage de la poche 1, la poche nécessite d'être préchauffée avant remplissage. Ce préchauffage est effectué au moyen d'un brûleur fonctionnant à l'oxygène et au gaz naturel, placé au niveau de l'ouverture de remplissage 21. La présence de l'orifice de sortie 3 permet l'évacuation des produits de combustion, en particulier en l'absence d'évacuation, la vapeur d'eau émise par ce type de brûleur est susceptible de générer des gaz dissous (hydrogène ...) dans le métal. Lesdits gaz dissous offrent un certain nombre d'inconvénients métallurgiques comme des soufflures, porosités, inclusions, voire fragilité des produits réalisés avec le métal. En conséquence, l'évacuation de la vapeur par le dispositif selon l'invention remédie à ces inconvénients.

Claims (8)

1. Poche de maintien en température (1) de métal (4), du type comprenant un élément principal (5) qui comporte une cavité (13) délimitée par un garnissage réfractaire (12) et destinée à être chargée de métal en fusion, cette cavité étant munie d'au moins une ouverture de remplissage (21), d'un orifice de sortie (3) du métal communiquant avec ladite cavité, de moyens (2) de chauffage du métal, ladite cavité (13) comportant une zone de pied de bain et une zone de réserve (15), le volume de la zone de pied de bain étant inférieur au volume de la zone de réserve, ladite cavité (13) étant d'une forme dépourvue d'angles morts, caractérisée en ce que ladite cavité (13) comprend un cylindre de remplissage (16) se terminant par ladite ouverture de remplissage (21), la zone de réserve (15) de métal liquide communiquant avec ledit cylindre (16), avec un cylindre principal (14) et avec l'orifice de sortie(3), lesdits cylindres (14, 16) étant d'axes (YY, Y'Y') parallèles, le cylindre de remplissage (16) ayant son axe (Y'Y') décalé vers le haut par rapport à l'axe (YY) du cylindre principal (14).
2. Poche suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le cylindre de remplissage (16) possède un diamètre supérieur au diamètre du cylindre principal (14), de façon à former la zone de réserve (15) de métal liquide, ladite zone de réserve (15) étant raccordée au cylindre principal (14) par une zone de raccordement (18) de forme sensiblement tronconique pourvue d'arrondis (19, 20).
3. Poche suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les axes (YY, Y'Y') des cylindres (14, 16) compris dans un plan vertical, sont inclinés vers le haut vers l'ouverture de remplissage (21).
4. Poche suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de fermeture (23) pour limiter les pertes thermiques du métal et/ou pour inerter la surface du métal.
5. Poche suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de chauffage (2) comprennent un bobinage inducteur (8) qui entoure une zone de chauffage cylindrique (6) de même axe (YY) et de préférence de même diamètre que le cylindre principal (14) et sont notamment rapportés sur l'élément principal (5) de façon amovible.
6. Poche de coulée suivant la revendication précédente, caractérisée en ce que le bobinage inducteur (8) est parcouru par un courant moyenne ou basse fréquence, notamment de 50 à 1500 Hertz pour maintenir le métal (4) en température en le brassant de façon calme et homogène.
7. Poche de coulée, suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un brûleur placé à l'ouverture de remplissage (21) permet un préchauffage de la poche avec une évacuation des produits de combustion par l'orifice de sortie (3).
8. Poche de coulée suivant la revendication 7 dans laquelle le brûleur de préchauffage fonctionne à l'oxygène et au gaz naturel.

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