FR2690099A1

FR2690099A1 - Charge casting method to prevent cracking of the riser.

Info

Publication number: FR2690099A1
Application number: FR9204968A
Authority: FR
Inventors: Jouet-Pastre Laurent
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1993-10-22
Anticipated expiration: 2012-04-16
Also published as: FR2690099B1; EP0570303A1

Abstract

La présente invention est relative à un procédé de coulée en charge permettant d'éviter la fissuration de la rehausse. Ce procédé consiste à appliquer une précontrainte de compression à la rehausse avant la coulée. Elle trouve son application dans la coulée de l'aluminium et de ses alliages que ce soit sous forme de plaques ou de billettes et permet de prolonger la durée de vie des rehausses.The present invention relates to a process for casting under load making it possible to avoid cracking of the extension. This process consists of applying a compressive prestress to the extension before casting. It finds its application in the casting of aluminum and its alloys, whether in the form of plates or billets, and makes it possible to extend the life of the extensions.

Description

PROCEDE DE COULEE EN CHARGE PERMETTANTCHARGE-COUPLED METHOD FOR PERMITTING

D'EVITER LA FISSURATION DE LA REHAUSSE. AVOID CRACKING OF THE BOOSTER.

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION -TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION -

La présente invention est relative à un procédé de coulée en The present invention relates to a casting process in which

charge permettant d'éviter la fissuration de la rehausse. load to prevent cracking of the riser.

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 Those skilled in the art of foundry of aluminum and its alloys know well, in particular by the teaching of the US Pat. No. 3,381,741, that in order to improve the quality of the cast products, the casting can be used. in charge which consists of placing above the ingot mold a riser made of refractory material in which the metal is maintained in the liquid state before passing into the mold

o il va se solidifier.o It will solidify.

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 This technique is designated in the English language under the name of casting "hot top" and has since its creation the subject of various improvements such as the injection of gas into the mold by means of either its interface with the enhancement (US Patent 4,157,728) is its

paroi latérale (brevet US 4,598,763). sidewall (US Patent 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. This riser is firmly and sealingly attached to the mold to prevent leakage of liquid metal; it can be composed of one or more pieces and has a rectangular section in the case of the casting of plates or circular in the case of the casting of billets.

PROBLEME POSE -PROBLEM -

Un des problèmes qui se pose dans l'exploitation de la technique de coulée en charge, c'est celui de la formation One of the problems that arises in the operation of the casting technique is that of training

de fissures sur la rehausse.cracks on the riser.

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 These cracks are initiated in different ways - at the start of casting, when the liquid metal having a temperature of 700 ° C comes into contact with the riser at room temperature, there is a thermal shock. then, during the casting, there remains a significant thermal gradient inside the riser, which subjects the refractory material of which it is made to

des contraintes thermiques importantes. significant thermal stress.

De plus, la rehausse étant fixée solidement à la lingotière, elle ne peut répondre aux sollicitations de dilatation et surtout de retrait auxquelles elle est soumise ( par In addition, the riser being fixed firmly to the mold, it can not respond to the stresses of expansion and especially withdrawal to which it is subject (by

exemple, lors du refroidissement après la coulée). example, during cooling after casting).

Il en résulte donc des ruptures au sein du matériau qui se This results in breaks in the material that is

traduisent sous forme de fissures.translate as cracks.

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 These cracks develop in a substantially vertical plane (substantially radial plane in the case of the casting of cylindrical products) and can extend to affect a complete section of the riser and be repeated

en différents points du périmètre. at different points of the perimeter.

Ces fissures vont être à l'origine de plusieurs phénomènes -la pénétration et la solidification de métal dans la fissure, These cracks will be at the origin of several phenomena - penetration and solidification of metal in the crack,

-la formation à partir de ce point d'un "accrochage", c'est- -the formation from this point of a "hanging", that is

à-dire d'un germe solide plus ou moins développé qui reste to say of a solid seed more or less developed which remains

lié à la rehausse au lieu de descendre dans la lingotière. attached to the riser instead of going down into the mold.

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 This results in the appearance of defects on the cast product either of the groove type or of the tearing type which can lead to rejection. This also causes difficulties in cleaning or even local deterioration of the product.

la rehausse lors du nettoyage.the enhancement during cleaning.

Les fissures s'ouvrant chaque fois davantage, la gravité de ces infiltrations croit 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'o des difficultés pour apporter ou maintenir le gaz injecté dans la zone souhaitée. Il s'avère donc nécessaire de trouver les moyens pour As the fissures open each time more, the gravity of these infiltrations increases rapidly with the number of flows. the appearance of gas leaks in the case of the use of particular techniques such as those taught in the two patents cited above, o difficulties to bring or maintain the gas injected into the desired area. It is therefore necessary to find ways to

remédier à ce problème de fissuration. remedy this problem of cracking.

ETAT DE LA TECHNIQUE -STATE OF THE ART -

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; Admittedly, faced with this problem solutions have been made and which concern two different approaches: -it is looking for a reinforced refractory material that is better suited;

-soit on essaye de colmater les fissures. -If we try to seal the cracks.

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 According to the first approach, asbestos fibers were used in the past which allowed effective reinforcement but, for reasons of hygiene, this material was abandoned. Today, we turn to a carbon fiber reinforcement but, they have a combustion temperature close to 500 ° C so that it is not possible to achieve a good firing of the material at the end of the manufacture and that the reinforcement disappears in contact with the liquid metal. Following the second approach, we can seal the cracks

par poteyage mais, cette opération est longue et délicate. by poteyage but, this operation is long and delicate.

En outre, on risque de déposer du poteyage en des endroits o 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 In addition, it is likely to deposit poteyage in places where it can be annoying as, for example, on the surface of the mold or at the injection points of the gas or lubricant when it is the case. That is why the plaintiff sought to find another

solution axée sur le renforcement de la rehausse. solution focused on enhancing enhancement.

EXPOSE DE L'INVENTION -SUMMARY OF THE INVENTION -

Elle est caractérisée par l'application d'une précontrainte It is characterized by the application of a prestressing

de compression sur la rehausse.compression on the riser.

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 This is intended to recalibrate the range of service constraints of the material with respect to the range of the limiting stresses. Indeed, the service constraints are of the same order of magnitude in both compression and traction, while the stresses allowed by the material are higher in

compression qu'en traction.compression in 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 Consequently, the effect of the prestressing should have the effect of adding a compressive force to the service constraints and in total obtaining high values in terms of

compression et faibles en traction.compression and weak in traction.

Compte-tenu du mode de fissuration, le champ de précontrainte approprié s'obtient en exerçant une contrainte Given the cracking mode, the appropriate prestressing field is obtained by exerting a constraint

périphérique autour de la rehausse. peripheral around the enhancement.

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 To achieve this peripheral stress, it was first tried to use the piece used to clamp the riser on the mold, changing its shape to allow a

emboîtement conique de la rehausse dans cette pièce. conical nesting of the riser in this piece.

Ainsi, lors de l'opération de bridage, une composante de l'effort exercé par la pièce sur la rehausse réalisait Thus, during the clamping operation, a component of the force exerted by the part on the riser realized

effectivement une précontrainte périphérique de cet élément. actually a peripheral prestressing of this element.

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 However, this solution had serious drawbacks: it was not possible to know or control the peripheral stress exerted (in particular, the stress fluctuated with the coefficient of friction flange-raises) - it could only apply it to the casting of billets and not to the casting of the plates: on the long sides of a raising of plates, the conical flange pushed horizontally the raised part towards the interior of the ingot mold One did not obtain the prestressing and at the

contraire cette déformation favorisait la fissuration. contrary this deformation favored the cracking.

-il était nécessaire, pour obtenir une précontrainte suffisante, d'exercer un effort de bridage conséquent, inadmissible dans de nombreux cas: Par exemple, dans une version du procédé de coulée en charge, on cherche à limiter au maximum les échanges thermiques entre lingotière et rehausse et, pour cela, on réduit au minimum la portée d'appui entre les deux pièces Exercer un effort de bridage suffisant pour obtenir la précontrainte conduisait à incruster la portée d'appui dans la rehausse ( en réfractaire tendre parce que très isolant ), et à écailler cette zone de la rehausse, particulièrement critique pour la coulée en charge, que l'on appelle le surplomb. 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 it was necessary, in order to obtain sufficient prestressing, to exert a consequent clamping force, which is inadmissible in many cases: For example, in one version of the casting process, it is sought to limit as much as possible the heat exchanges between the ingot mold and raises and, for this, minimizes the bearing surface between the two parts exerting a clamping force sufficient to obtain the prestressing led to incrust the bearing surface in the socket (soft refractory because very insulating) , and chipping this area of the riser, particularly critical for casting under load, which is called the overhang. In another version of the casting process, it is sought to pass gas in a slot, formed between the mold and the riser This slot is necessarily very thin to prevent the liquid metal to infiltrate Its thickness is between 0 , 05 and 0.7 mm and varies from

façon inverse à la hauteur de charge métallostatique. inverse way to the metallostatic charge height.

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), o la fente ne fait que quelques 1/100 mmn 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 The slot is either continuous, with the refractory ring cantilevered above or intermittent, cut far and wide by the support points of the refractory ring The fact of exerting a clamping force sufficient to obtain the prestressing, led to catastrophically reduce the thickness of the slot, especially in the case of high metallostatic charge (150-250 mm), where the slot is only a few 1/100 mmn indeed, there was a sag of the refractory ring at the level of the cantilever or between its points of support, and moreover a progressive incrustation of the points of support in the refractory. From this experiment with conical nesting, it follows that the peripheral stress must be exerted

indépendamment de l'effort de bridage. regardless of the clamping force.

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 The means finally retained is therefore a peripheral hooping of the riser on a face perpendicular to the support plane of the riser on the mold to exert only

des efforts perpendiculaires à l'axe de coulée. forces perpendicular to the casting axis.

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 450 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 The forces exerted are controlled, and this is indispensable for, thanks to the prestressing, to well position the range of the service constraints in the riser with respect to the stresses allowed by the material. Cracks continue to occur if the prestressing is not sufficient Cracks of another type (crack at 450 with overlapping of the two ends) occur if the prestressing is excessive (the excess of compression causes a rupture along a shear plane ) The hooping is made at least on the part of the riser closest to the mold but, it may

l'être également sur des parties plus éloignées. to be also on more distant parts.

Deux techniques de frettage sont utilisées suivant la forme Two frettage techniques are used according to the form

du produit coulé.of the cast product.

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 Dl est plus faible que le diamètre extérieur D 2 de In the case of billets, the section of the cast product is circular and the hooping is achieved by means of a rigid metal ring, placed hot in contact with the outer surface of the riser, and whose diameter decreases by cooling. This hoop is generally made of steel and its internal diameter D1 is smaller than the external diameter D 2 of

la rehausse L'écart relatif entre ces deux diamètres (D 2- the enhancement The relative difference between these two diameters (D 2-

Dl)/Dl est compris entre 0,5/1000 et 5/1000 C'est par le Dl) / Dl is between 0.5 / 1000 and 5/1000 It is by the

biais de cet écart que l'on contrôle l'effort exercé. through this gap that we control the effort exerted.

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 In the case of plates, the section is generally rectangular and of much larger dimensions than in the case of billets, and therefore the respect of the dimensions is much more difficult and the deformation

accidentelle des frettes beaucoup plus grande. accidental frets much larger.

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'o 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 da N. 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 This is why we use the use of soft frets such as strips But, in this case, it is not possible to heat shrink due to the low thermal inertia of the strip o obtaining prestressing using a device of the type to be strapped which is equipped with means for measuring the power up, which allows to exercise on the strip and in a controlled manner a tension of between 50 and 500 da N. Naturally, this hooping technique is also applicable to billets, but is not preferred because it is longer and more difficult to implement than that

exposée plus haut.exposed above.

DESCRIPTION DU DESSIN -DESCRIPTION OF THE DRAWING -

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 The invention will be better understood with the aid of the attached FIG. 1, which represents, in a vertical axial section, a casting mold equipped with a fretted riser. In this figure, it is possible to distinguish the ingot mold 1 equipped with a riser formed of an upper part 2 and a lower part 3 pressed tightly against the ingot mold by means of a flange 4 and a series of screw 5 Around the

partie 3, est placée la frette 6.part 3, is placed the band 6.

EXEMPLE D'APPLICATION -EXAMPLE OF 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 dl un feuillard de The invention can be illustrated by means of the following application example: An alloy of the type 7175 was cast according to the standards of the Aluminum Association in the form of plates of dimensions 1300 × 446 mm in an ingot mold whose bottom of the riser was fretted with a strap of

largeur 15 mm et d'épaisseur 0,5 mm en acier du type XC 12 F sous une tension de 270 da N et fermé par une agrafe. width 15 mm and thickness 0.5 mm steel type XC 12 F under a tension of 270 da N and closed by a staple.

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 après l'apparition des fissures jusqu'à un total de 34 coulées; les fissures restant bien fermées grâce à la pression exercée par le The number of castings without the occurrence of cracks was 7 while with an extension of the same material not fretted used for the same kind of casting, it was found the appearance of cracks in the first operation . In addition, the presence of the strip allowed to continue the operations without any difficulty after the appearance of the cracks until a total of 34 castings; the cracks remain well closed thanks to the pressure exerted by the

feuillard.strip.

Avec une rehausse non frettée, un poteyage doit être utilisé dès la deuxième coulée et le remplacement de cette pièce With an unsheathed extension, a poteyage must be used from the second casting and the replacement of this piece

intervient fatalement avant 10 coulées. intervenes fatally before 10 pours.

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 The invention finds application in the casting of aluminum and its alloys whether in the form of plates or billets and whatever the type of material used, that is to say it implements a injection of

gaz et/ou d'huile ou non.gas and / or oil or not.

Elle permet de prolonger notablement la durée de vie des rehausses. It allows to significantly extend the life of the extensions.

Claims

1 -A method of casting aluminum and its alloys in the form of plates or billets in an ingot mold (1) surmounted by a riser (2, 3) of refractory material characterized in that, in order to avoid the cracking of the said riser, it is applied a prestressing of

compression before casting.

2. A process according to claim 1, characterized in that the forces exerted on the riser to obtain the

prestressing are perpendicular to the casting axis.

3. A process according to claim 1, characterized in that the forces exerted on the riser to obtain the prestress are independent of the clamping forces of the

raises on the mold.

4.-Process according to claim 1, characterized in that the prestressing is obtained by controlled peripheral shrinking. 5 - Process according to claim 4, characterized in that in the case of billets hooping is achieved by means of a rigid metal ring, placed hot in contact with the outer surface of the riser, and whose diameter

decreases by cooling.

6. A process according to claim 5, characterized in that, at ambient temperature, the inner diameter of the hoop D1 is smaller than the external diameter of the riser and the relative difference between the two diameters (D 2 -Dl) / Dl is

between 0.5 / 1000 and 5/1000.

7. Process according to claim 4, characterized in that, in the case of plates, the hooping is carried out by means of a flexible metal sheet which is tensioned using

of a strapping machine.

8. A process according to claim 7, characterized in that the strapping machine is equipped with a control device

of tension.

9 -Procédé according to claim 7, characterized in that the voltage is between 50 and 500 da N. 10.-Method according to claim 1, characterized in that it is applied to the part of the raiser directly in

contact with the mold.

11. A method according to claim 1, characterized in that it is applied to the extensions not directly in contact

with the mold.