FR3016817A1 - Procede de prechauffage d'un ensemble de moules carapaces pour fonderie a la cire perdue - Google Patents

Procede de prechauffage d'un ensemble de moules carapaces pour fonderie a la cire perdue Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un procédé de préchauffage d'un ensemble de N moules carapaces (12) pour fonderie à la cire perdue, comprend les étapes successives suivantes : le chargement de façon individuelle des moules carapaces dans n fours électriques unitaires (100) préalablement préchauffés chacun à une température d'enfournement initiale, le lancement d'un cycle de préchauffage prédéfini pour chacun des moules carapaces chargés dans les fours électriques unitaires, un cycle de préchauffage comprenant une montée en température du four suivant une rampe prédéfinie jusqu'à une température de consigne prédéterminée et le maintien du four à la température de consigne pendant une durée prédéterminée, et, à la fin de chaque cycle de préchauffage, le déchargement du moule carapace concerné et la réitération des deux étapes précédentes pour un autre moule carapace non préchauffé.

Description

1 6 8 1 7 1 Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général de la réalisation de pièces métalliques par un procédé de fonderie à la cire 5 perdue. Elle vise plus particulièrement le préchauffage des moules carapaces utilisés dans un tel procédé de fonderie. Le principe de la fonderie à la cire perdue consiste à réaliser en cire la réplique exacte de la pièce à fabriquer. Ce modèle est recouvert par des opérations alternatives et répétées de trempé de plusieurs couches de 10 céramique pour former un moule carapace. Après élimination de la cire, le moule carapace est formé d'une cavité dans laquelle les moindres détails de la pièce à fabriquer sont reproduits. Le moule carapace « déciré » est alors cuit dans un four, ce qui lui confère les propriétés mécaniques nécessaires avant la coulée du métal en fusion. 15 Par ailleurs, afin d'éviter le choc thermique entre le métal en fusion coulé à très haute température (plus de 1000°C) et le moule carapace qui le reçoit, ce dernier subit une opération de préchauffage également à haute température (typiquement entre 950°C et 1200°C). Une fois que le moule carapace a été préchauffé, il est placé dans un four 20 de coulée où il reçoit le métal en fusion. Après refroidissement du moule carapace, celui-ci est détruit et la copie exacte du modèle en cire est ainsi obtenue en métal. Il est connu de réaliser l'opération de préchauffage des moules carapaces dans des fours à gaz dimensionnés pour accueillir un grand 25 nombre de moules carapaces. Généralement, ces fours se présentent sous la forme de tunnels dans lesquels les moules carapaces sont enfournés pour une durée de séjour typiquement de l'ordre de 6 heures. Les moules carapaces sont plus précisément positionnés sur des soles montées sur des chariots qui sont déplacés au cours d'un cycle de préchauffage dans le 30 four à gaz entre ses deux extrémités. A l'issue d'un cycle de préchauffage, plusieurs moules carapaces sont ainsi déchargés des fours à gaz et peuvent être placés successivement dans le four de coulée pour y recevoir le métal en fusion. Une telle opération de préchauffage des moules carapaces au 35 moyen de fours tunnels à gaz présente cependant de nombreux inconvénients. En particulier, le recours à ce type d'organisation n'autorise aucune souplesse dans la gestion de production ; l'enfournement se fait pour une grande quantité de moules de carapaces et ne permet pas le changement de profils thermiques pour une même fournée (par exemple passage d'une température de préchauffage de 1100°C à 950°C d'un moule carapace à un autre). Il a également été constaté en sortie des fours à gaz une hétérogénéité de température des moules carapaces au sein d'une même fournée, avec des variations de températures de plus ou moins 15°C par rapport à la température de consigne. Une telle hétérogénéité peut avoir pour conséquence d'induire des défauts métallurgiques (de type criques) sur les pièces à fabriquer. Par ailleurs, le recours à des chariots mobiles dans les fours tunnels à gaz présente plusieurs désavantages, comme une main d'oeuvre importante pour l'installation et la désinstallation des moules carapaces et un risque non négligeable de casse d'un ou plusieurs moules carapaces dans les fours. Enfin, les fours tunnels à gaz ont un coût de maintenance élevé dû notamment à une durée d'intervention immobilisant entièrement le moyen de production.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer un procédé de préchauffage de moules carapaces qui ne présente pas les inconvénients précités.
Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé de préchauffage d'un ensemble de N moules carapaces pour fonderie à la cire perdue, comprenant les étapes successives suivantes : le chargement de façon individuelle des moules carapaces dans n fours électriques unitaires préalablement préchauffés chacun à une 30 température d'enfournement initiale ; le lancement d'un cycle de préchauffage prédéfini pour chacun des moules carapaces chargés dans les fours électriques unitaires, un cycle de préchauffage comprenant une montée en température du four suivant une rampe prédéfinie jusqu'à une température de consigne 35 prédéterminée et le maintien du four à la température de consigne pendant une durée prédéterminée ; et 301 6 8 1 7 3 à la fin de chaque cycle de préchauffage, le déchargement du moule carapace concerné et la réitération des deux étapes précédentes pour un autre moule carapace non préchauffé. Le procédé selon l'invention présente de nombreux avantages. 5 En particulier, le recours à plusieurs fours électriques unitaires autorise une grande souplesse dans la gestion du préchauffage de l'ensemble des N moules carapaces. En effet, le temps d'attente pour des changements de températures de consigne étant réduit, il est possible de produire sans perte de productivité et de façon simultanée des moules carapaces 10 préchauffés à des profils thermiques différents (en adaptant le profil thermique à chaque moule carapace). Par ailleurs, le recours à des fours électriques unitaires pour le préchauffage des moules carapaces permet de réduire considérablement l'écart de température du moule carapace préchauffé par rapport à la 15 température de consigne (avec une variation maximale de plus ou moins 5°C par rapport à la température de consigne). Les risques d'induire des défauts métallurgiques sur les pièces fabriquées en sont réduits. Les fours électriques unitaires ont une inertie relativement faible (par rapport aux fours tunnels à gaz de l'art antérieur), ce qui permet 20 d'améliorer la maîtrise thermique du procédé par une régulation précise et répétable. De plus, la durée d'un cycle de préchauffage est réduite par rapport à un cycle de préchauffage d'un four tunnel à gaz de l'art antérieur. Même en cas de panne de l'un des fours électriques unitaires, la 25 production des moules carapaces préchauffés n'est pas interrompue (les autres fours électriques unitaires sont toujours opérationnels), ce qui réduit considérablement l'impact d'une panne sur la chaîne de production. Notamment, une panne n'entraîne pas l'arrêt total de la production. Enfin, comparé à un four tunnel à gaz, les fours électriques unitaires représentent un faible coût de maintenance, ne rejettent pas de polluants de type dioxyde de carbone et ont un coût énergétique bien moindre (jusqu'à 80% inférieur). Ils peuvent être aisément déplacés au sein de l'installation si besoin. On notera également que les moules carapaces sont positionnés dans ces fours électriques unitaires sur des soles fixes, ce qui limite les risques de casse. 3 0 1 6 8 1 7 4 Le nombre n de fours électriques unitaires peut être inférieur au nombre N de moules carapaces à préchauffer. En effet, le procédé selon l'invention permet d'avoir une production de moules carapaces préchauffés à une cadence industrielle. 5 Le procédé peut comprendre en outre, à l'issue du déchargement d'un moule carapace, la mise en température du four électrique unitaire concerné à la température d'enfournement initiale. Alternativement, lorsqu'à l'issue du déchargement d'un moule carapace, la température du four électrique unitaire concerné est voisine de la 10 température d'enfournement initiale pour le prochain moule carapace à charger, celui-ci est chargé dans le four électrique unitaire sans mise en température préalable. De préférence, la température d'enfournement initiale est limitée par un seuil supérieur de température qui est défini pour éviter 15 tout endommagement du moule carapace par choc thermique lors de son chargement dans le four électrique unitaire, et la température de consigne d'un cycle de préchauffage est adaptée aux conditions de coulée du moule carapace. De même, la montée en température d'un cycle de préchauffage 20 peut s'étaler sur une durée comprise entre 15 et 60 minutes et le maintien du four à la température de consigne peut durer entre 1,5 et 3 heures. De telles valeurs correspondent par exemple au préchauffage de moules carapaces pour la réalisation d'aubes de turbine en superalliage à base de nickel. 25 L'invention a également pour objet une installation de préchauffage pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini précédemment, l'installation comprenant n fours électriques unitaires et peut comprendre en outre au moins un four de coulée. Chaque four électrique unitaire peut comprendre une base sur 30 laquelle est installée une sole fixe pour la pose d'un moule carapace, et une cloche mobile verticalement pour l'ouverture et la fermeture du four, ladite cloche étant munie sur des parois internes de résistances électriques chauffantes. Chaque four électrique unitaire peut également être associé à une console de commande individuelle. 35 301 6 8 1 7 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout 5 caractère limitatif. Sur les figures : - la figure 1 est une vue schématique d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de préchauffage selon l'invention ; - les figures 2A et 2B représentent en coupe un four électrique unitaire de l'installation de la figure 1 ; et 10 - la figure 3 montre un exemple de gestion de la production de moules carapaces préchauffés au moyen du procédé selon l'invention. Description détaillée de l'invention L'invention s'applique à la réalisation de pièces métalliques par 15 fonderie à la cire perdue, par exemple des aubes métalliques de turbine basse-pression ou des secteurs d'anneau d'une turbomachine aéronautique. La figure 1 illustre de façon schématique un exemple d'une installation de préchauffage 10 pour la mise en oeuvre du procédé de 20 préchauffage d'un ensemble N moules carapaces 12 selon l'invention, ces moules carapaces 12 étant utilisés pour la réalisation de telles pièces métalliques par fonderie à la cire perdue. De façon connue en soi, les moules carapaces sont fabriqués autour des modèles en cire des pièces métalliques à réaliser par 25 l'intermédiaire d'opérations alternatives et répétées de trempé dans une barbotine céramique et de stucage des produits céramiques. Les moules carapaces sont ensuite cuits dans un four pour leur permettre d'acquérir la résistance mécanique nécessaire pour supporter la coulée du métal en fusion. Afin d'éviter le choc thermique entre le métal en fusion coulé à très 30 haute température (typiquement plus de 1000°C) et les moules carapaces qui les reçoivent, ces derniers subissent une opération de préchauffage également à haute température à l'aide de l'installation de la figure 1. Selon l'invention, l'installation de préchauffage 10 comprend n fours électriques unitaires 100 (ici au nombre de sept) aptes à recevoir 35 chacun un unique moule carapace 12, et au moins un four de coulée 200 301 6 8 1 7 6 destiné à recevoir un moule carapace préchauffé pour y réaliser la coulée du métal en fusion. Un exemple de réalisation des fours électriques unitaires 100 est représenté sur les figures 2A et 2B. 5 Chaque four électrique unitaire 100 comprend une base 102 sur laquelle est installée une sole fixe 104 pour la pose d'un moule carapace 12, ainsi qu'une cloche 106 qui est mobile verticalement entre une position haute d'ouverture du four (figure 2A) et une position basse de fermeture du four (figure 2B). 10 Plus précisément, la base 102 de chaque four électrique unitaire présente un portique vertical 108 le long duquel peut coulisser la cloche 106 du four (par exemple au moyen de vérins non représentés sur les figures). Cette base 102 est adaptée pour permettre un transport aisé du four, par exemple au moyen d'un transpalette. 15 Par ailleurs, la cloche 106 est munie sur ses parois internes de résistances électriques chauffantes 110. Ces résistances électriques 110 sont dimensionnées en fonction de la taille du moule carapace 12 de sorte notamment à permettre un recouvrement complet du moule carapace lorsque la cloche est en position de fermeture. 20 Enfin, chaque four électrique unitaire 100 est piloté par une console de commande 112 qui lui est propre (figure 1) de sorte que le fonctionnement de chaque four est totalement autonome de celui des autres fours. A partir d'une telle installation de chauffage, le procédé selon 25 l'invention consiste, dans un premier temps, à préchauffer les n fours électriques unitaires chacun à une température d'enfournement initiale Ti (à chaque four électrique unitaire est associée une température d'enfournement initiale particulière). La température d'enfournement initiale Ti est limitée par un 30 seuil supérieur de température qui est défini de façon à éviter tout endommagement du moule carapace lors de son chargement dans le four électrique unitaire correspondant. En effet, lors de son enfournement dans le four, le moule carapace subit un choc thermique et un changement de phase de sa microstructure qui induisent de fortes contraintes pouvant 35 occasionner des fissures. Typiquement, cette température d'enfournement sera comprise entre 800°C et 1000°C. 301 6 8 1 7 7 Par exemple, la température d'enfournement TI sera d'environ 850°C pour des aubes de turbine basse-pression en superalliage à base de nickel et de 950°C pour des secteurs d'anneau. Le volume des fours électriques unitaires étant relativement faible, de telles températures 5 d'enfournement Ti sont rapidement atteintes. A l'issue de ce préchauffage des n fours électriques unitaires, un opérateur procède au chargement de chaque four par un moule carapace 12 à préchauffer. Ce chargement s'effectue par une succession d'actions manuelles, à savoir l'ouverture de la cloche 106 du four, la dépose du 10 moule carapace 12 sur la sole fixe 104 du four, et la fermeture de la cloche. Lorsqu'un four est chargé, l'opérateur lance un cycle de préchauffage préalablement défini en fonction des spécificités souhaitées pour le moule carapace enfourné. On notera la grande souplesse de 15 l'installation de préchauffage selon l'invention qui permet d'adapter le profil thermique à chaque moule carapace à préchauffer. Un cycle de préchauffage comprenant une montée en température du four correspondant suivant une rampe prédéfinie (c'est-à-dire un rapport degrés/minutes prédéfini) jusqu'à une température de 20 consigne Tc prédéterminée, et le maintien du four à la température de consigne Tc pendant une durée prédéterminée (on parle de palier de température). A titre d'exemple, la rampe permettra de monter la température du four de sa température d'enfournement Ti à sa température de 25 consigne Tc en l'espace de 15 à 60 minutes environ. La température de consigne Tc est adaptée aux conditions de coulée du moule carapace. Typiquement, celle-ci pourra être comprise entre 950°C et 1200°C selon l'application choisie. Quant au maintien du four à sa température de consigne Tc, il pourra se prolonger sur une durée 30 comprise entre 1,5 et 3 heures. De telles valeurs correspondent par exemple au préchauffage de moules carapaces pour la réalisation d'aubes de turbine en superalliage à base de nickel. A la fin du cycle de préchauffage, l'opérateur procède au défournement du four électrique unitaire concerné. A cet effet, un voyant 35 lumineux s'affiche sur la console de commande 112 du four concerné indiquant à l'opérateur la fin du cycle de préchauffage. L'opérateur 301 6 8 1 7 8 commande l'ouverture de la cloche du four, décharge le moule carapace préchauffé pour le positionner à l'intérieur du four de coulée 200, puis referme la cloche du four. En parallèle, il peut lancer l'étape de coulée du moule carapace préchauffé qui a été placé dans le four de coulée. 5 A l'issue de cette étape de déchargement du four électrique unitaire, l'opérateur peut procéder à la mise en température du four à la température d'enfournement initiale correspondant au prochain moule carapace à préchauffer avant de charger le four avec ce nouveau moule carapace. 10 Alternativement, lorsqu'à l'issue du déchargement du moule carapace préchauffé, la température du four électrique unitaire est voisine de la température d'enfournement initiale pour le prochain moule carapace à préchauffer (c'est-à-dire avec un écart de plus ou moins 5°C par exemple), il n'est pas nécessairement utile préchauffer le four et le 15 moule carapace peut être directement chargé. L'opérateur peut alors lancer un nouveau cycle de préchauffage spécifique aux besoins du moule carapace ainsi chargé. Cet enchaînement d'étape continue ainsi jusqu'à ce que l'ensemble des N moules carapaces aient été préchauffés puis placés dans le four de coulée pour y recevoir le 20 métal en fusion. La figure 3 illustre parfaitement cet enchaînement d'étapes et ces avantages en termes de souplesse de gestion de production avec une installation de préchauffage comprenant trois fours électriques unitaires numérotés « four n°1 », « four n°2 » et « four n°3 » et un seul four de 25 coulée. Le four n°1 est chargé en premier avec un moule carapace et le cycle de préchauffage correspondant (appelé « cycle 1 ») est lancé à « t1 ». Ensuite, le four n°2, puis le four n°3 sont chargés avec des moules carapaces et leurs cycles de préchauffage correspondant (appelés « cycle 30 2 » et « cycle 3 », respectivement) sont lancés à « t2 » et « t3 ». Par exemple, on pourra prévoir un battement de 15mn environ entre chaque lancement de cycle. A l'issue du « cycle 1 » (par exemple à t1+3h), le four n°1 est déchargé et le moule carapace préchauffé est placé dans le four de coulée 35 pour y subir une coulée de métal en fusion (« coulée 1 »). Cette « coulée 1 » dure par exemple 15mn. Pendant cette « coulée 1 », un nouveau 301 6 8 1 7 9 moule carapace à préchauffer est chargé dans le four n°1 et un cycle de préchauffage (« cycle 4 ») est lancé. Le temps td (par exemple de l'ordre de 5mn environ) représenté sur la figure 3 correspond au temps de chargement et de préchauffage du four concerné. 5 A l'issue du « cycle 2 » (par exemple à t2+3h), le four de coulée est à nouveau disponible (la « coulée 1 » étant achevée) et peut donc recevoir le moule carapace préchauffé dans le four n°2 pour la « coulée 2 ». En parallèle, le four n°2 est chargé par un nouveau moule carapace à préchauffer avant le lancement du « cycle 5 » de préchauffage. 10 De même, lorsque le « cycle 3 » est achevé, le four de coulée se trouve disponible (la « coulée 2 » est terminée) pour recevoir le moule carapace préchauffé dans le four n°3 pour la « coulée 3 ». Une fois défourné, le four n°3 est alors à nouveau chargé par un nouveau moule carapace à préchauffer avant le lancement du « cycle 6 » de 15 préchauffage. Ces opérations se succèdent jusqu'à ce que l'ensemble des N moules carapaces à préchauffer l'aient été dans l'un des fours n°1, n°2 ou n°3 et aient subi une coulée dans le four de coulée. On remarquera qu'un tel cadencement est rythmé par le cycle 20 du four de coulée (d'une durée ici de 15mn). On notera également qu'en fonction des différents profils thermiques des moules carapaces à préchauffer, chacun de n fours électriques unitaires pourra être ré-enfourné après un défournement. Par ailleurs, l'exemple illustré sur la figure 3 propose une 25 installation de préchauffage comprenant seulement trois fours électriques unitaires. Bien entendu, le dimensionnement de l'installation (à savoir le nombre n de fours électriques unitaires) dépendra de la quantité N de moules carapaces à préchauffer. En particulier, avec un temps de cycle de préchauffage de 3h et 30 une durée de coulée de 15mn, une installation de préchauffage équipée d'au moins 10 fours électriques unitaires et d'un seul four de coulée peut permettre de préchauffer et couler jusqu'à 96 moules carapaces par jour avec un fonctionnement en continu. Même en cas de panne de l'un des fours électriques unitaires, la 35 production des moules carapaces n'est pas interrompue puisque les autres fours électriques unitaires sont toujours opérationnels.
De plus, une telle installation de préchauffage présente une grande flexibilité puisqu'il est possible d'enchaîner des profils thermiques de préchauffage différents, de même qu'il est possible d'enchaîner des coulées avec des articles différents.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de préchauffage d'un ensemble de N moules carapaces (12) pour fonderie à la cire perdue, caractérisé en ce qu'il 5 comprend les étapes successives suivantes : le chargement de façon individuelle des moules carapaces dans n fours électriques unitaires (100) préalablement préchauffés chacun à une température d'enfournement initiale (Ti) ; le lancement d'un cycle de préchauffage prédéfini pour chacun 10 des moules carapaces chargés dans les fours électriques unitaires, un cycle de préchauffage comprenant une montée en température du four suivant une rampe prédéfinie jusqu'à une température de consigne (Te) prédéterminée et le maintien du four à la température de consigne pendant une durée prédéterminée ; et 15 à la fin de chaque cycle de préchauffage, le déchargement du moule carapace concerné et la réitération des deux étapes précédentes pour un autre moule carapace non préchauffé.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le nombre n de 20 fours électriques unitaires est inférieur au nombre N de moules carapaces à préchauffer.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant en outre, à l'issue du déchargement d'un moule carapace, la mise en 25 température du four électrique unitaire concerné à la température d'enfournement initiale (T1).
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel, lorsqu'à l'issue du déchargement d'un moule carapace, la température du 30 four électrique unitaire concerné est voisine de la température d'enfournement initiale (Ti) pour le prochain moule carapace à charger, celui-ci est chargé dans le four électrique unitaire sans mise en température préalable. 35
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la température d'enfournement initiale (Ti) est limitée par un 301 6 8 1 7 12 seuil supérieur de température qui est défini pour éviter tout endommagement du moule carapace par choc thermique lors de son chargement dans le four électrique unitaire, et la température de consigne (Te) d'un cycle de préchauffage est adaptée aux conditions de coulée du moule carapace.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la montée en température d'un cycle de préchauffage s'étale sur une durée comprise entre 15 et 60 minutes et le maintien du four à la 10 température de consigne (Te) dure entre 1,5 et 3 heures.
  7. 7. Installation de préchauffage (10) pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant n fours électriques unitaires (100). 15
  8. 8. Installation selon la revendication 7, dans laquelle chaque four électrique unitaire (100) comprend une base (102) sur laquelle est installée une sole fixe (104) pour la pose d'un moule carapace, et une cloche (106) mobile verticalement pour l'ouverture et la fermeture du four, 20 ladite cloche étant munie sur des parois internes de résistances électriques chauffantes (110).
  9. 9. Installation selon l'une des revendications 7 et 8, comprenant en outre au moins un four de coulée (200). 25
  10. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle chaque four électrique unitaire est associé à une console de commande individuelle (112).
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