FR2610855A1 - PROCESS FOR CASTING FERROUS ALLOYS - Google Patents
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Abstract
POUR OPTIMISER LA DUREE DE SOLIDIFICATION DU METAL DANS UNE COQUILLE 10, 12 ET POUR AUTOMATISER LE PROCESSUS, ON PREVOIT UNE SONDE LASER 18, 20 POUR SURVEILLER LE NIVEAU DU METAL DANS LA COQUILLE LORS DU REMPLISSAGE ET DES CAPTEURS DE TEMPERATURE 22, 24 POUR LE JET DE METAL VERSE ET POUR LA COQUILLE. LES SIGNAUX DE LA SONDE ET DES CAPTEURS SONT INTRODUITS AVEC D'AUTRES PARAMETRES DANS UN ORDINATEUR COMMANDANT L'ENSEMBLE DES OPERATIONS DE COULEE. L'INVENTION EST APPLICABLE A LA COULEE EN COQUILLES PAR GRAVITE, LA COULEE CONTINUE ET LA COULEE CENTRIFUGE PAR EXEMPLE.TO OPTIMIZE THE SOLIDIFICATION TIME OF THE METAL IN A SHELL 10, 12 AND TO AUTOMATE THE PROCESS, A LASER PROBE 18, 20 IS PROVIDED TO MONITOR THE LEVEL OF THE METAL IN THE SHELL DURING THE FILLING AND THE TEMPERATURE SENSORS 22, 24 FOR THE JET OF METAL POURED AND FOR THE SHELL. PROBE AND SENSOR SIGNALS ARE ENTERED WITH OTHER PARAMETERS INTO A COMPUTER CONTROLLING ALL CASTING OPERATIONS. THE INVENTION IS APPLICABLE TO GRAVITY SHELL CASTING, CONTINUOUS CASTING AND CENTRIFUGAL CASTING FOR EXAMPLE.
Description
Cette invention concerne la coulée d'alliages fer-This invention relates to the casting of ferroalloys
reux. Il est bien connu que, après le versement de métal fondu dans un moule, il y a une durée optimale de solidification pendant laquelle la pièce moulée ou coulée doit rester dans le moule (ce terme désigne ici de façon générale un dispositif de moulage et notamment une coquille ou une lingotière). Si cette durée est supérieure ou inférieure à la durée optimale, la qualité de la pièce moulée ou coulée est diminuée en conséquence. Les alliages ferreux peuvent être coulés de différentes manières, par exemple dans des machines de coulée continue d'aciérie, des machines de coulée horizontale en barres, des machines de coulée centrifuge generous. It is well known that, after the pouring of molten metal into a mold, there is an optimum duration of solidification during which the molded or cast part must remain in the mold (this term generally refers here to a molding device and in particular a shell or an ingot mold). If this duration is greater or less than the optimal duration, the quality of the molded or cast part is decreased accordingly. Ferrous alloys can be cast in different ways, for example in continuous steelmaking machines, horizontal bar casting machines, centrifugal casting machines
et des coquilles pour la coulée en chute ou par gravité. and shells for falling or gravity casting.
Différentes tentatives ont été faites dans le passé Various attempts have been made in the past
pour mettre à disposition du matériel de coulée permettant de déter- to provide casting equipment for deter-
miner une durée optimale de solidification pour différentes condi- an optimal duration of solidification for different conditions
tions, voir par exemple les brevets des Etats-Unis d'Amérique 4 200 139 et 4 304 288 qui décrivent un poste de lecture de temps pour l'enregistrement de durées de solidification dans un système For example, see U.S. Patents 4,200,139 and 4,304,288 which disclose a time reading station for recording solidification times in a system.
de mémoire.of memory.
Il a été découvert, dans le cadre de l'invention, que la qualité de pièces moulées ou coulées peut être améliorée si la durée de solidification est déterminée d'une manière nouvelle It has been discovered in the context of the invention that the quality of molded or cast parts can be improved if the solidification time is determined in a new way.
et non évidente, en utilisant des paramètres connus ou mesurables. and not obvious, using known or measurable parameters.
Conformément à l'invention, dans la production de pièces coulées en fonte essentiellement exempte de carbure, dans des coquilles, on permet au métal fondu de se solidifier dans la coquille pendant une durée Et déterminée selon la formule suivante: K x Am x (t2 - t1) x J x Mc Et = facteur Q 1r les éléments étant indiqués en o K = T.C. + 1/2 Si pourcentages en poids; Cu + Mn T.C. = teneur totale en carbone, étant entendu que tous les autres éléments sont maintenus dans des proportions According to the invention, in the production of castings made of substantially carbide-free cast iron in shells, the molten metal is allowed to solidify in the shell for a period of time and determined according to the following formula: K x Am x (t 2 - t1) x J x Mc Et = factor Q 1r the elements being indicated in o K = TC + 1/2 If percentages by weight; Cu + Mn T.C. = total carbon content, it being understood that all other elements are maintained in proportions
permettant de produire des pièces coulées essentiel- to produce castings which are essential
lement exemptes de carbure et de défauts dus au retrait; Et = durée de solidification jusqu'à l'éjection des pièces coulées (en secondes); Am = épaisseur maximale de la paroi de la coquille; t2 = température du liquide dans le récipient de coulée au début du versement (en F; C = ( F-32)/1,8); t1 = la température de la coquille au début du versement (en F; C = ( F-32)/1,8); J = capacité thermique mass3que de la fonte liquide (en Btu/lb = 2,324 x 10 J/kg) (fonte grise et fonte ductile: 0,13 fonte malléable: 0,11); Mc = conductibilité de la coquille (pour une coquille en fonte grise à structure ferritique, utiliser 0,12 x l'épaisseur de la coquille mesurée à partir du c6té intérieur de la cavité jusqu'au côté extérieur de la paroi arrière; utiliser un côté seulement); et free from carbide and defects due to shrinkage; And = time of solidification until the ejection of the castings (in seconds); Am = maximum thickness of the shell wall; t2 = temperature of the liquid in the pouring vessel at the beginning of pouring (in F; C = (F-32) / 1,8); t1 = the temperature of the shell at the beginning of the pour (in F; C = (F-32) / 1,8); J = mass heat capacity of the liquid iron (in Btu / lb = 2.324 x 10 J / kg) (gray iron and ductile iron: 0.13 malleable iron: 0.11); Mc = shell conductivity (for a ferritic cast iron shell, use 0.12 x shell thickness measured from the inside of the cavity to the outer side of the back wall, use one side only); and
Facteur Q = facteur choisi sur une courbe en fonction de la struc- Q factor = factor chosen on a curve according to the structure
ture métallurgique et de la dureté requise. metallurgical strength and the required hardness.
La formule selon l'invention pour la coulée en coquilles peut être modifiée en vue de l'application à d'autres types de coulées, comme ceux mentionnés au début. Par exemple, pour les machines de coulée continue, la formule deviendrait: cadence des mouvements alternatifs K x Am x (t2 - t1) x J x M course des mouvements alternatifs facteur Q o la course est exprimée en millimètres et la cadence des mouvements The formula according to the invention for casting in shells can be modified for application to other types of casting, such as those mentioned at the beginning. For example, for continuous casting machines, the formula would become: cadence of alternating movements K x Am x (t2 - t1) x J x M stroke of alternating movements factor Q o the stroke is expressed in millimeters and the rate of movement
en secondes.in seconds.
Cette forme de la formule s'applique également à des machines de coulée horizontale en barres et la forme de la formule This form of the formula also applies to horizontal bar casting machines and the form of the formula
indiquée en premier est applicable aussi à la coulée centrifuge. indicated first is also applicable to centrifugal casting.
Dans une application particulière, quelle qu'elle In a particular application, whatever
soit, c'est-à-dire avec un équipement donné et avec un alliage fer- that is to say with a given equipment and with a ferroalloy
reux de composition donnée, tous les variables sont connus et constants, sauf t2 et t1, c'est-à-dire la température du métal fondu Given all the variables, all the variables are known and constant except t2 and t1, ie the temperature of the molten metal.
et la température de la coquille (du dispositif de moulage en géné- and the temperature of the shell (of the molding device in general)
ral) au début du versement. Ces deux températures peuvent être détec- ral) at the beginning of the payment. These two temperatures can be detected
tées à l'aide de capteurs appropriés. using appropriate sensors.
Par conséquent, tous Les variables peuvent être introduits dans un ordinateur programmé avec la formule selon Therefore, all variables can be entered into a computer programmed with the formula according to
l'invention pour permettre la détermination de la durée de soli- the invention to allow the determination of the duration of
dification pour chaque opération de coulée. La présente invention permet par conséquent d'automatiser la coulée, l'ordinateur étant programmé également pour commander l'ensemble de l'opération de coulée, y compris le positionnement de la busette d'un récipient de coulée au-dessus d'un panier intermédiaire, le réglage du débit du métal versé (y compris l'étranglement du débit à la fin du remplissage de la coquille ou du moule), le réglage du poids exact du métal versé, de même que l'éjection de la pièce (dans le cas de la coulée en coquille par exemple) à la fin de la durée de solidification déterminée. L'ordinateur peut fournir également des informations relatives à la production et des informations specification for each casting operation. The present invention therefore makes it possible to automate the casting, the computer being also programmed to control the entire casting operation, including the positioning of the nozzle of a pouring vessel over a basket intermediate, the flow control of the poured metal (including the throttling of the flow at the end of the filling of the shell or mold), the adjustment of the exact weight of the metal poured, as well as the ejection of the workpiece (in the case of casting in shell for example) at the end of the determined solidification time. The computer can also provide production information and information
pour des changements automatiques du processus. for automatic process changes.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- Other features and advantages of the invention
tion ressortiront plus clairement de la description qui va suivre will become more clearly apparent from the following description
d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique, an example of a non-limiting implementation, as well as the appended drawings, in which: FIG. 1 is a schematic representation,
en perspective, d'une coquille et de l'équipement utilisé en com- in perspective, a shell and the equipment used in
binaison avec elle, comprenant notamment divers capteurs; et pairing with it, including various sensors; and
- la figure 2 est un graphique illustrant la déter- FIG. 2 is a graph illustrating the deter-
mination du facteur Q. La coquille représentée sur la figure I possède deux parties 10, 12 qui sont déplaçables l'une par rapport à l'autre, un orifice de remplissage 14 et un autre orifice 16 pour la mesure du niveau. Plus précisément, une sonde laser 18 et un récepteur 20 à cellule photoélectrique sont convenablement alignés sur l'orifice 16 pour permettre la détection du niveau de métal liquide dans la coquille 10, 12. La sonde 18 émet un faisceau d'une largeur d'environ 3 mm, elle comporte un système de purge à l'air The shell shown in FIG. I has two portions 10, 12 which are movable relative to each other, a fill port 14 and another port 16 for level measurement. More precisely, a laser probe 18 and a photoelectric cell receiver 20 are suitably aligned with the orifice 16 to enable detection of the level of liquid metal in the shell 10, 12. The probe 18 emits a beam of a width of about 3 mm, it has an air purge system
pour nettoyer le système optique, de même qu'une chemise de refroi- to clean the optical system, as well as a cooling jacket.
dissement à l'eau, comme le récepteur 20. La sonde 18 et le récep- water, such as the receiver 20. The probe 18 and the receiver
teur 20 servent à surveiller le versement et délivrent des signaux correspondants à l'ordinateur, notamment en vue de l'obtention d'un 20 are used to monitor the payment and deliver corresponding signals to the computer, especially to obtain a
niveau de consigne, auquel est arrêté le versement de métal. Setpoint level, at which the pouring of metal is stopped.
La large flèche sur la partie 10 de la coquille indique l'ouverture pour l'éjection de la pièce coulée après la The large arrow on the part 10 of the shell indicates the opening for the ejection of the casting after the
durée de solidification.duration of solidification.
Comme montré schématiquement au-dessus de l'orifice de coulée 14, le jet de métal, désigné par la large flèche noircie, est de préférence entouré d'un écran cylindrique de gaz inerte dirigé vers le bas, ainsi que l'indiquent les deux petites flèches à c8té du jet. Le métal est versé dans la coquille 10, 12 à partir d'une poche de coulée ou d'un récipient de maintien à température par exemple. Un capteur 22 est prévu pour mesurer la température du métal fondu pendant sa chute de la poche ou du récipient dans la coquille As schematically shown above the pouring orifice 14, the metal jet, designated by the large blackened arrow, is preferably surrounded by a cylindrical screen of inert gas directed downwards, as indicated by the two small arrows beside the jet. The metal is poured into the shell 10, 12 from a ladle or a temperature holding container, for example. A sensor 22 is provided for measuring the temperature of the molten metal during its fall from the pocket or container into the shell
, 12, à travers l'orifice de remplissage 14. Le capteur 22 parti- , 12, through the filling orifice 14. The sensor 22 parti-
cipe également à la détermination de la durée de solidification, also determines the duration of solidification,
donc aussi à la détermination de l'instant d'éjection de la pièce. therefore also to the determination of the instant of ejection of the piece.
Comme la sonde laser 18, le capteur de température 22 est également équipé d'un système de purge à air et d'une chemise de refroidissement Like the laser probe 18, the temperature sensor 22 is also equipped with an air purge system and a cooling jacket
parcourue par de l'eau.traveled by water.
Les flèches au-dessus du capteur 22 indiquent sché- The arrows above the sensor 22 indicate
matiquement les mouvements de la poche ou du récipient de coulée. the movements of the ladle or casting vessel.
Le positionnement de la busette s'effectue avec une grande précision, The positioning of the nozzle is carried out with great precision,
de l'ordre de plus ou moins 3 mm.of the order of plus or minus 3 mm.
Enfin, un capteur 24 est prévu pour mesurer la température de la coquille 10, 12. Ce capteur participe aussi à la détermination du cycle de coulée et il est également pourvu d'un Finally, a sensor 24 is provided for measuring the temperature of the shell 10, 12. This sensor also participates in the determination of the casting cycle and is also provided with a
système de purge et d'une chemise de refroidissement. purge system and a cooling jacket.
La figure 2 représente un graphique permettant de déterminer le facteur Q en fonction de la dureté désirée ou de la microstructure. Comme déjà mentionné, les différents paramètres sont introduits dans un ordinateur programmé qui commande (notamment) le remplissage de la coquille et aussi la durée de solidification, c'est-à-dire le temps qui s'écoule entre le remplissage de la coquille fermée et l'ouverture de la coquille pour l'éjection de la pièce coulée. Il est à noter que l'emploi du facteur Q est une approche numérique pour maîtriser les vitesses des pertes de chaleur, à La fois au cours de La formation initiale de La pièce, dans une Figure 2 shows a graph for determining the Q-factor as a function of the desired hardness or microstructure. As already mentioned, the various parameters are introduced into a programmed computer that controls (in particular) the filling of the shell and also the duration of solidification, that is to say the time that elapses between the filling of the closed shell and opening the shell for ejection of the casting. It should be noted that the use of the Q factor is a numerical approach to control the rates of heat loss, both during the initial formation of the piece, in a
coquille à dissipation rapide de La chaLeur, et pendant Le refroi- shell with rapid dissipation of the heat, and during the cooling
dissement à L'air de La pièce démoulée. air deformation of the demolded part.
D'autres modes de réalisation de l'invention sont aisément concevabLes par L'homme de L'art. Other embodiments of the invention are readily conceivable by those skilled in the art.
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