WO2001091948A1 - Procede et dispositif pour proteger un metal fondu non ferreux - Google Patents

Procede et dispositif pour proteger un metal fondu non ferreux Download PDF

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WO2001091948A1
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Michel Pescheux
Julien Mouron
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Brochot Sa
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    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D5/00—Machines or plants for pig or like casting
    • B22D5/04—Machines or plants for pig or like casting with endless casting conveyors

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for protecting a non-ferrous molten metal, in particular liquid magnesium, from oxidation and inflammation, in installations using these metals and their alloys.
  • the devices ensuring the diffusion of the shielding gas generally consist of a network of pipes arranged above the surface of the metal to be protected which are provided with orifices and or spray nozzles.
  • These devices are generally fitted with cover elements or installed inside a hood in order to limit the loss of gas by the effects of convection due to the high temperature of the metal surface and the movements of the surrounding atmosphere. .
  • these devices use the chemical properties of shielding gases which, by reaction with the molten metal, form a layer of metallic compounds on the surface of said metal.
  • these mixtures of shielding gases generally comprise gaseous constituents such as SF6, SO2, or BF3, the chemical reactions of which with magnesium are sufficient to compensate for the rapid dispersion of the gaseous mixture towards the atmosphere.
  • these constituents have many disadvantages because they are generally corrosive, expensive and harmful to the environment.
  • the main objective of the present invention is to implement the second factor, thus making it possible to use gaseous mixtures with lower chemical reactivity effectively.
  • This object is achieved according to the invention by means of a process for protecting a non-ferrous molten metal cast in a mold possibly mobile in translation from oxidation and inflammation, characterized in that
  • the ambient air is expelled from the interior of the mold by injecting therein, before introduction of the metal, a gaseous mixture forming a protective atmosphere, the metal is poured into the mold under a confined protective atmosphere, and
  • the confinement of the protective atmosphere is maintained by distributing the gas mixture in the mold continuously so that the gas flow perpendicular to the surface of the molten metal is greater than the rate of rise of natural convection and that the rate of leakage of the gas mixture is greater than the speed of penetration of ambient air inside the mold.
  • the gas mixture is distributed in the form of jets perpendicular to the surface of the molten metal, taking care to limit the depth of penetration of said jets into the metal to 0.1 mm.
  • said jets are produced by at least one ramp provided with regularly spaced exhaust ports.
  • the ratio of the distances between two adjacent exhaust ports, on the one hand, and between each port and the free surface of the molten metal, on the other hand is between 0.25 and 0.60 so as to ensure satisfactory homogenization and distribution of the gas mixture in the mold.
  • the ratio of the distance between two adjacent exhaust ports to the diameter of said ports is between 4 and 7.
  • the ambient air is expelled inside the mold with an injection rate of the gas mixture such that the speed of the gas at the bottom of the mold is greater than or equal to 0.3 m / s.
  • the ratio of the respective kinetic energies of the distributed gas flow and the gas flow displaced by the mold is greater than or equal to 100.
  • Another object of the invention is a device for implementing the method defined above.
  • This device is characterized in that it comprises:
  • a cover whose dimensions are adapted to those of the mold and which carries at least one distribution manifold of a gaseous mixture, - a central chute for the casting of the metal, a sealing element to limit the leakage of protective atmosphere, and
  • said sealing element consists of a peripheral bead forming a seal, made of a material resistant to temperatures between 700 ° and 800 ° C, and intended to come to bear on the periphery of the mold.
  • said positioning element consists of a side skirt intended to wrap around the periphery of the mold.
  • the cover carries four parallel ramps connected to a transverse supply manifold.
  • the process of the invention makes it possible to maintain and densify the protective atmosphere in contact with the molten metal in a dynamic fashion, while ensuring a barrier effect with respect to pyrogenic agents.
  • the method of the invention applies to the protection of a molten metal such as magnesium in a fixed or mobile mold.
  • the mold 1 shown empty in FIG. 1A, receives a cover 2 which is equipped with a positioning element such as a side skirt 10 intended to wrap around the periphery of the mold in order to ensure its centering.
  • a sealing element in the form of a seal coming to bear on the periphery 1 of the mold makes it possible to limit the leakage of the protective atmosphere towards the outside.
  • the seal here consists of a peripheral bead 4 made with a refractory material, possibly fibrous or any other material resistant to heat, the temperatures reached by molten light metals generally being in the range of 700 to 800 ° C.
  • the cover 2 is equipped with at least one, and here with four ramps 3 for distributing the protective gas mixture.
  • Ramps 3 are formed of pipes pierced with orifices 5 which are, if necessary, provided with spray nozzles.
  • the orifices 5 are regularly spaced on the ramps 3 at a center distance El and the ramps are spaced apart between them at a center distance E2.
  • the ramps 3 are all connected to a transverse supply manifold 7, the entire device being dimensioned so as to ensure a regular distribution of the supply of gaseous mixture 8 in the different orifices 5.
  • the cover 2 is equipped with an opening allowing the passage of a pouring chute for the molten metal 9. This opening can also be provided with a seal of the same nature as that of the cover 4.
  • the orifices 5 for distributing the gaseous mixture are therefore located at a distance H1 from the bottom of the empty mold 1 and at a distance H2 from the free surface of the molten metal after filling the mold 1.
  • the structure of the cover 2 can be raised or lowered as FIGS. 2 and 3 respectively show it so that the respective distances H1 and H2 make it possible to comply with the following constraints characteristic of the process of the invention:
  • VI must be sufficient for V2 to be greater than or equal to 0.3 meters per second (note that for constant VI and Hl, V2 depends on the diameter of the orifices 5) which allows an efficient flushing of the ambient air before the introduction of molten metal.
  • IL H2 is determined so that the speed VI 'of the gas flow striking perpendicularly the surface of the metal is greater than or equal to the ascending speed of the gas generated by natural convection, which makes it possible to avoid the phenomena of stratification (to be noted that this rate of climb depends on the interval E2 between the ramps 3).
  • the punching height of the surface of the molten metal, due to the impact of the jet, must not exceed a value of 0.1 mm.
  • the E1 / H2 ratio must be between 0.25 and 0.60 in order to ensure good homogenization of the gaseous constituents of the mixture and a sufficient distribution of these over the surface of the molten metal.
  • V The ratio of the spacing El of the orifices to the diameter of these must be between 4 and 7.
  • All the leakage sections towards the outside of the mold constituted by the imperfections of the seals 4 and the other possible construction leaks (passage of the metal filling spout, etc.) must be calculated so that, taking into account the flow rate of supply of shielding gas 8 calculated previously, the leakage rate of the gaseous mixture towards the outside is greater than the speed of penetration of the ambient air towards the inside of the mold and that, consequently, each zone of the mold is kept under slight overpressure.
  • the process is also suitable for casting ingots or pigs continuously or semi-continuously as is commonly practiced in the industry.
  • the device in addition to all of the preceding conditions, the device must satisfy the following additional condition.
  • the ratio of the respective kinetic energies of the distributed gas flow and the gas flow displaced by the mold must be greater than or equal to 100 so as to avoid any disturbance of the injection.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un procédé pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux coulé dans un moule éventuellement mobile en translation, caractérisé en ce qu' - on chasse l'air ambiant de l'intérieur du moule en y injectant avant introduction du métal, un mélange gazeux formant une atmosphère protectrice, - on coule le métal dans le moule sous atmosphère protectrice confinée, et- on maintient le confinement de l'atmosphère protectrice en distribuant le mélange gazeux dans le moule de façon continue de telle sorte que le flux gazeux perpendiculaire à la surface du métal fondu soit supérieur à la vitesse ascensionnelle de convection naturelle et que le débit de fuite du mélange gazeux soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant à l'intérieur du moule.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR PROTEGER UN METAL FONDU NON FERREUX
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux, notamment du magnésium liquide, dans les installations mettant en oeuvre ces métaux et leurs alliages.
Il est connu, dans les machines de coulée mettant en oeuvre des métaux non ferreux, et notamment du magnésium fondu, de protéger la surface du métal fondu contre l'oxydation et l'inflammation en diffusant un gaz ou un mélange gazeux ayant des propriétés protectrices adaptées à la nature du métal.
Les dispositifs assurant la diffusion du gaz de protection sont généralement constitués d'un réseau de tuyaux disposés au-dessus de la surface du métal à protéger qui sont pourvus d'orifices et ou de buses de pulvérisation.
Ces dispositifs sont généralement équipés d'éléments de couverture ou installés à l'intérieur d'une hotte afin de limiter les pertes de gaz par les effets de convection dus à la température élevée de la surface du métal et aux déplacements de l'atmosphère environnante.
Toutefois, ces systèmes restent assez ouverts, ce qui engendre une consommation de gaz importante.
Ce phénomène est encore aggravé dans les machines de coulée de lingots ou de gueuse qui comportent des moules en mouvement et des organes de coulée encombrants et mobiles qui rendent encore plus difficile la couverture de la surface du métal fondu.
Ces dispositifs utilisent les propriétés chimiques des gaz de protection qui forment par réaction avec le métal fondu une couche de composés métalliques à la surface dudit métal. Dans une application protectrice du magnésium, ces mélanges de gaz de protection comportent généralement des constituants gazeux tels que SF6, S02, ou BF3, dont les réactions chimiques avec le magnésium sont suffisamment importantes pour compenser la dispersion rapide du mélange gazeux vers l'atmosphère. Toutefois, ces constituants présentent de nombreux inconvénients car ils sont généralement corrosifs, coûteux et nuisibles à l'environnement.
Il est par ailleurs possible d'utiliser d'autres mélanges gazeux ne comportant pas de tels gaz mais du C02, des gaz oxydants, des gaz inertes tels que l'argon des gaz lourds tels que le xénon ou des mélanges comportant des proportions variables de ces différents gaz.
Mais la réaction chimique de tels mélanges avec le magnésium étant moins importante qu'avec les gaz cités précédemment, la couche protectrice créée en surface du métal fondu est moins efficace, et il faut alors considérablement augmenter les débits mis en oeuvre pour obtenir une protection suffisante.
On voit donc que l'efficacité d'un dispositif de protection peut dépendre de deux facteurs : 1) les réactions chimiques de certains constituants du mélange gazeux de protection avec le métal fondu à protéger ;
2) le remplacement de l'atmosphère ambiante, au voisinage de la surface du métal fondu, par un mélange gazeux de protection moins réactif chimiquement mais isolant la surface des effets des composants de l'air (principalement l'oxygène et l'azote).
Les dispositifs existants utilisent de façon presque exclusive le premier de ces deux facteurs.
La présente invention a pour objectif principal de mettre en oeuvre le deuxième facteur permettant ainsi d'utiliser avec efficacité des mélanges gazeux de moindre réactivité chimique.
Elle n'exclut pas pour autant l'utilisation de mélanges plus réactifs (SF6, S02, etc.) qui augmente l'efficacité et le rendement en terme de consommation.
Ce but est atteint selon l'invention au moyen d'un procédé pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux coulé dans un moule éventuellement mobile en translation, caractérisé en ce qu'
- on chasse l'air ambiant de l'intérieur du moule en y injectant avant introduction du métal, un mélange gazeux formant une atmosphère protectrice, - on coule le métal dans le moule sous atmosphère protectrice confinée, et
- on maintient le confinement de l'atmosphère protectrice en distribuant le mélange gazeux dans le moule de façon continue de telle sorte que le flux gazeux perpendiculaire à la surface du métal fondu soit supérieur à la vitesse ascensionnelle de convection naturelle et que le débit de fuite du mélange gazeux soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant à l'intérieur du moule.
Selon un mode de réalisation spécifique, on distribue le mélange gazeux sous forme de jets perpendiculaires à la surface du métal fondu en prenant soin de limiter la profondeur de pénétration desdits jets dans le métal à 0,1 mm.
Selon une variante, lesdits jets sont produits par au moins une rampe pourvue d'orifices d'échappement régulièrement espacés. De préférence, le rapport des distances entre deux orifices d'échappement adjacents, d'une part, et entre chaque orifice et la surface libre du métal fondu, d'autre part, est compris entre 0,25 et 0,60 de façon à assurer une homogénéisation et une répartition satisfaisantes du mélange gazeux dans le moule. De même, le rapport de la distance entre deux orifices d'échappement adjacents au diamètre desdits orifices est compris entre 4 et 7.
Selon une caractéristique avantageuse, on chasse l'air ambiant à l'intérieur du moule avec un débit d'injection du mélange gazeux tel que la vitesse du gaz au fond du moule soit supérieure ou égale à 0,3 m/s.
Selon une autre caractéristique, le rapport des énergies cinétiques respectives du flux gazeux distribué et du flux gazeux déplacé par le moule est supérieur ou égal à 100.
Un autre objet de l'invention est un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend :
- un capot dont les dimensions sont adaptées à celles du moule et qui porte au moins une rampe de distribution d'un mélange gazeux, - une goulotte centrale pour la coulée du métal, - un élément d'étanchéité pour limiter les fuites d'atmosphère protectrice, et
- un élément pour le positionnement dudit capot sur le moule. Selon une variante, ledit élément d'étanchéité est constitué d'un cordon périphérique formant joint, réalisé en un matériau résistant à des températures comprises entre 700° et 800° C, et destiné à venir en appui sur le pourtour du moule.
Selon une autre variante, ledit élément de positionnement est constitué d'une jupe latérale destinée à envelopper le pourtour du moule.
Selon encore une autre variante, le capot porte quatre rampes parallèles raccordées à un collecteur d'alimentation transversal.
Le procédé de l'invention permet de maintenir et densifier l'atmosphère protectrice au contact du métal fondu selon un mode dynamique, en assurant un effet de barrière vis-à-vis des agents pyrogènes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre accompagnée des dessins sur lesquels :
- les figures 1A et 1B représentent respectivement des vues en coupe et de dessus d'un mode de réalisation du dispositif de l'invention ;
- les figures 2 et 3 représentent des vues de détail en coupe de deux variantes de réalisation de l'invention.
Le procédé de l'invention s'applique à la protection d'un métal fondu tel que du magnésium dans un moule fixe ou mobile. Le moule 1, représenté vide sur la figure 1A, reçoit un capot 2 qui est équipé d'un élément de positionnement tel qu'une jupe latérale 10 destinée à envelopper le pourtour du moule en vue d'assurer son centrage. Un élément d'étanchéité sous forme d'un joint venant en appui sur le pourtour 1 du moule permet de limiter les fuites de l'atmosphère protectrice vers l'extérieur. Le joint est ici constitué d'un cordon périphérique 4 réalisé avec un matériau réfractaire, éventuellement fibreux ou tout autre matériau résistant à la chaleur, les températures atteintes par les métaux légers fondus se situant généralement dans la gamme de 700 à 800°C. Le capot 2 est équipé d'au moins une, et ici de quatre rampes 3 de distribution du mélange gazeux de protection. Les rampes 3 sont formées de tubulures percées d'orifices 5 qui sont, le cas échéant, munis de buses de pulvérisation. Les orifices 5 sont espacés régulièrement sur les rampes 3 selon un entraxe El et les rampes sont espacées entre elles selon un entraxe E2. Les rampes 3 sont toutes raccordées à un collecteur d'alimentation transversal 7, l'ensemble du dispositif étant dimensionné de manière à assurer une répartition régulière de l'alimentation en mélange gazeux 8 dans les différents orifices 5.
Le capot 2 est équipé d'une ouverture permettant le passage d'une goulotte de coulée du métal fondu 9. Cette ouverture peut également être munie d'un joint de même nature que celui du capot 4.
Les orifices 5 de distribution du mélange gazeux sont donc situés à une distance Hl du fond du moule 1 vide et à une distance H2 de la surface libre du métal fondu après remplissage du moule 1. La structure du capot 2 peut être surélevée ou surbaissée comme le montrent respectivement les figures 2 et 3 de façon à ce que les distances respectives Hl et H2 permettent de respecter les contraintes suivantes caractéristiques du procédé de l'invention :
I. Soit VI la vitesse d'injection du gaz dans le moule à chaque orifice (5) et V2 la vitesse résultante à la distance Hl :
VI doit être suffisante pour que V2 soit supérieure ou égale à 0,3 mètre par seconde (à noter que pour VI et Hl constants, V2 dépend du diamètre des orifices 5 ) ce qui permet une chasse efficace de l'air ambiant avant l'introduction du métal fondu.
IL H2 est déterminée de telle sorte que la vitesse VI' du flux gazeux frappant perpendiculairement la surface du métal soit supérieure ou égale à la vitesse ascensionnelle du gaz engendrée par la convection naturelle, ce qui permet d'éviter les phénomènes de stratification (à noter que cette vitesse ascensionnelle dépend de l'intervalle E2 entre les rampes 3).
III. Pour VI' calculée précédemment, la hauteur de poinçonnement de la surface du métal fondu, dû à l'impact du jet, ne doit pas dépasser une valeur de 0,1 mm. IV. Le rapport E1/H2 doit être entre 0,25 et 0,60 afin d'assurer une bonne homogénéisation des constituants gazeux du mélange et une répartition suffisante de ceux-ci à la surface du métal fondu.
V. Le rapport de l'écartement El des orifices au diamètre de ceux-ci doit être compris entre 4 et 7.
Le respect des conditions ci-dessus conduit à la détermination des valeurs de E1,E2,H1,H2,V1, ainsi qu'à celle du diamètre des orifices 5.
On en déduira la valeur du débit de mélange gazeux à injecter.
L'ensemble des sections de fuite vers l'extérieur du moule, constituées par les imperfections des joints 4 et les autres fuites possibles de construction (passage de la goulotte de remplissage en métal, etc.) doit être calculé pour que, compte tenu du débit d'alimentation en gaz de protection 8 calculé précédemment, le débit de fuite du mélange gazeux vers l'extérieur soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant vers l'intérieur du moule et que, par conséquent, chaque zone du moule soit maintenue en légère surpression.
Le procédé s'adapte également à la coulée de lingots ou de gueuses en continu ou semi-continu telle qu'elle est couramment pratiquée dans l'industrie. Dans ce cas, en plus de toutes les conditions précédentes, le dispositif doit satisfaire à la condition supplémentaire suivante.
VI. Le rapport des énergies cinétiques respectives du flux gazeux distribué et du flux gazeux déplacé par le moule doit être supérieur ou égal à 100 de façon à éviter toute perturbation de l'injection.
Il a été mené une série d'expériences dans lesquelles des lingots ont été coulés avec un dispositif selon l'invention réalisé conformément aux contraintes exprimées plus haut. Ces expériences ont été menées en coulant du magnésium pur fondu ainsi que des alliages de magnésium de type AZ91D. Les résultats ont été très satisfaisants y compris en utilisant des mélanges gazeux chimiquement peu réactifs constitués, par exemple de :
- 78% de C02
- 21% d'argon
- 0,9% d'oxygène - 0,1 de Xénon
ou encore de :
- 79% de C02 - 20% d'argon
- 1% de kr)φton.
Il a également été mené une série d'expériences sur un convoyeur de coulée de lingots en grandeur réelle, équipé d'un dispositif conforme aux critères de la présente invention.
Là encore les résultats obtenus ont été très satisfaisants avec des mélanges gazeux de même type que ceux décrits ci-dessus.
Dans ces expériences, les paramètres utilisés avec succès ont été les suivants : El ≈ 33 mm
E2 = 135 mm VI ≈ 1 m/s Hl = 90 mm
H2 = 20 mm dans la zone coulée puis 57 mm dans la zone de refroidissement
- diamètre des orifices de distribution = 5 mm
- nombre d'orifices par rampe = 20
- débit de gaz d'une rampe pour la coulée d'un lingot de 8Kg = 24 dm3 /mn - profondeur de pénétration des jets de gaz dans le métal liquide = 0,05 mm - rapport E1/H2 = 0,58
- rapport - distance des orifices sur diamètre = 6,6
- V2 = 0,37 m/s
- rapport des énergies cinétiques flux distribué sur flux déplacé = 131

Claims

R E V E ND I CA TI O N S
1. Procédé pour protéger de l'oxydation et de l'inflammation un métal fondu non ferreux coulé dans un moule éventuellement mobile en translation, caractérisé en ce qu'
- on chasse l'air ambiant de l'intérieur du moule en y injectant avant introduction du métal, un mélange gazeux formant une atmosphère protectrice,
- on coule le métal dans le moule sous atmosphère protectrice confinée, et
- on maintient le confinement de l'atmosphère protectrice en distribuant le mélange gazeux dans le moule de façon continue de telle sorte que le flux gazeux perpendiculaire à la surface du métal fondu soit supérieur à la vitesse ascensionnelle de convection naturelle et que le débit de fuite du mélange gazeux soit supérieur à la vitesse de pénétration de l'air ambiant à l'intérieur du moule.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on distribue le mélange gazeux sous forme de jets perpendiculaires à la surface du métal fondu en prenant soin de limiter la profondeur de pénétration desdits jets dans le métal à 0,1 mm.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits jets sont produits par au moins une rampe pourvue d'orifices d'échappement régulièrement espacés.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport des distances entre deux orifices d'échappement adjacents, d'une part, et entre chaque orifice et la surface libre du métal fondu, d'autre part, est compris entre 0,25 et 0,60 de façon à assurer une homogénéisation et une répartition satisfaisantes du mélange gazeux dans le moule.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le rapport de la distance entre deux orifices d'échappement adjacents au diamètre desdits orifices est compris entre 4 et 7.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on chasse l'air ambiant à l'intérieur du moule avec un débit d'injection du mélange gazeux tel que la vitesse du gaz au fond du moule soit supérieure ou égale à 0,3 m/s.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes,
, caractérisé en ce que le rapport des énergies cinétiques respectives du flux gazeux distribué et du flux gazeux déplacé par le moule est supérieur ou égal à 100.
8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un capot (2) dont les dimensions sont adaptées à celles du moule (1) et qui porte au moins une rampe de distribution (3) d'un mélange gazeux, - une goulotte centrale (9) pour la coulée du métal,
- un élément d'étanchéité pour limiter les fuites d'atmosphère protectrice, et
- un élément pour le positionnement du capot (2) sur ledit moule (1).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit élément d'étanchéité est constitué d'un cordon périphérique (4) formant joint, réalisé en un matériau résistant à des températures comprises entre 700° et 800°C, et destiné à venir en appui sur le pourtour du moule (1).
10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que ledit élément de positionnement est constitué d'une jupe latérale destinée à envelopper le pourtour du moule.
11. Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le capot (2) porte quatre rampes parallèles raccordées à un collecteur d'alimentation transversal (7).
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