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"PROCEDE ET APPAREIL POUR MUNIR LES TUBES METAL-
LIQUES DE PROLONGEMENTS RAPPORTES"'.
Cette invention a pour objet un procédé et un appareil permettant de munir un tube de bossages ou pro- longements rapportés et plus particulièrement d'établir un prolongement métallique propre à. transmettre la chaleur sur un tube de circulation préalablement établi- dans le but de constituer des éléments muraux pour les foyers de chau- dières et applications analogues, et plus spécialement pour les écrans ou murs aquatubulairea en vue de la production ou de la surchauffe de la vapeur d'eau,. ou du maintien à l'.état relativement froid d'un mur de four au foyer ou d'une autre surface exposée, en empêchant ainsi. un échauffe-
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ment exagéré susceptible de résulter d'allures et de tempé- ratures de combustion élevées.
Le présent procédé est pratique, efficace et éco- nomique et permet d'obtenir un prolongement rapporté extrê- mement efficace,, résistant et durable,
Dans les dessins annexés :
Figures 1 et 2 sont des coupes transversales d'éléments de mur constituant des modes de réalisation pré- férés de l'invention.
Figure 3 est une vue perspective représentant la structure longitudinale préférée d'un élément de mur aquatubulaire possédant une section transversale telle que celle représentée dans la figure 1.
Figure 4 est une vue de face d'un mur aquatubulai- xe établi à l'aide d'éléments tels que ceux représentés dans la figure 3.
Figure 5 est une coupe transversale suivant V-V (figure 4) et indique comment le mur peut être obturé et complété à l'aide d'une garniture réfractaire convenable et d'une chemise externe,
Figure 6 est une coupe transversale d'un appareil ou moule permettant de réaliser l'invention.
Figure 7 est un plan d'un appareil analogue à figure 6 et disposé poux produire un élément de mur possé- dant une structure longitudinale telle que celle indiquée dans la figure 3.
Figure 8 est une coupe transversale d'un autre genre d'appareil ou moule permettant de réaliser l'invention, dans lequel le métal en excès passe dans une cavité située sur le coté opposé ou côté arrière du tube dans le but de chauffer ce côté et de compenser l'effet de dilatation qui 'se produit de l'autre côtés .Figure 9 est une vue. partie en coupe et partie en élévation ,. en regardant de la droite, la coupe étant prise
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sensiblement suivant la ligne brisée IX-IX de figure 8 et aucun métal fondu n'étant représenté dans le moule,
Figure 10 est une coupe longitudinale d'un appa- reil permettant de fabriquer l'élément de mur de figure 3 de telle sorte que les sections de prolongement sont appli- quées en même temps ou par la même opération de fonderie.
Figure 11 est une vue perspective du produit résultant de la mise en pratique de l'invention par l'appa reil de figure 8, mais représente le surplus de métal déta ché du côté arrière du tube après que le métal s'est solidi- fié.
L'élément demur tubulaire 10 de figure 1 est com- posé de l'élément de tube 11 présentant le conduit à eau 12,et du prolongement externe, ou élément de parement, 13.
On entend ici par "eau'r soit de l'eau à l'étatde liquide ou de vapeur, soit un autre fluide circulant. Le prolon- gement ou élément de parement 13 représenté-comprend un corps 14 et deux ailes apposées 15 qui donnent à l'élément une largeur notablement plus grande que le diamètre du tube, la face avant ou surface de parement 16 s'étendant sur la largeur entière du carps et des ailes,
Ainsi qu'il sera décrit plus loin, le métal constituant le prolongement 13 fait carps avec le tube de circulation 11,maiscomme l'élément de mur est préférable- ment composé de différents métaux, le dessin indique une division théorique ou ligne d'union centre eux.
L'élément complet 10 est composé du tube préalablement établi 11, qui est préférablement en acier, et d'un prolongement 13 uni au tube de façon qu'il fasse corps avec luipar une sou-= dure autogène, ce prolongement étant préférablement en fonte de fer. Le tube peut être un tube d'acier fargé sans soudure du type normal employé pour les tubes de chau- dière, tandis que le prolongement est préférablement constitué par de la fonte grise coulée directement et soudée
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de'façon autogène sur le tube comme il sera décrit.
Les résultats désirés de la transmission ou de la conduction de chaleur ne pourraient pas être obtenus dans la pratique si l'union de l'élément de tube et du prolongement n*était pas réalisée d'une façon intime, et la ligne ou zone ou union 17 indique par conséquent une ligne ou zone de contact intime ou absolu entre les deux éléments, avec des molécules ou cristaux enclavés ou mutuellement en prise suivant une zone continue s'étendant le long des parties contigües du tube original et du prolongement rapporté.
Le prolongement est préférablement établi sous forme de sections relativement courtes, comme représenté en 1.4* Il dans la figure 3, au lieu d'être établi d'une façon continuelle long du tube. Il subsiste ainsi entre les sec- tions des espaces 23 qui facilitent la fabrication et per- mettent aux sections chaudes de se dilater en service sans déterminer une courbure nuisible de l'élément et une défor- mation,du mur. La disposition permet aussi la croissance ou développement graduel qui résulte d'échauffements répétés des métaux ferreux.
Un acier doux faible en carbone est préférable pour le tube préalablement établi, mais la fonte de fer, par exemple une fonte grise riche en carbone, est supérieure pour le prolongement ; et la transmission rapide de la chaleur protège le fer contre des températures excessi- ves. A titre d'exemple particulier, on peut constituer le tube Il par un tube de chaudière sans soudure d'un diamètre de 76 mm et prévoir des eapaces de 6,3 mm entre les sections, chaque section ayant environ 152 mm de longueur et une lar- geur un peu moindre que l'écartement des tubes de façon'à laisser des intervalles dans toutes les directions.
L'élément de mur aquatubulaire précédemment dé- crit peut être fabriqué sur une échelle induatrielle par le procédé suivante En commençant avec un tube d'acier sans soudure normal 11 de la forme et de la longueur désirées, il
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convient de nettoyer d'abord ce tube parfaitement avant les opérations de coulée. Il est bon de le Plonger dans un bain de décapage à l'acide dans le but de nettoyer au moins une moitié de la circonférence du tube et de soumettre ensuite cette partie à l'action d'un jet de sable jusqu'à, ce que la surface soit devenue brillante et propre,
On peut alors insérer une partie de la longueur du tube dans un moule spécial tel que celui indiqué dans la figure 6.
Ce moule comprend un chêssis inférieur/32 et, au- dessus de cette pièce, un châssis supérieur démontable au "dessus" 33. La cavité de moulage 34 correspond à la forme donnée en section au prolongement 13 dans la figure 1, et cette forme peut être obtenue à l'aide d'un modèle conve- nable placé contre le côté du tube 11 pendant le serrage du sable. 35 indique un jet en nappe au conduit large ser- vant à conduire la fonte en fusion à la partie inférieure de la cavité de moulage 34, et 36 désigne un trou de coulée re- lié au jet 35, Le sable que renferme le dessus 33 peut être supporté et maintenu par des équerres au agrafes 37 ou d'au- tres organes bien connus de l'homme du métier.
Pour des raisons qui ressortiront de ce qui souit, il est préférable de prévoir un conduit à masselotte 38 pour la fonte en fusion , de façon qu'on puisse couler un excès de métal dans le moule et que cet excès s'échappe par le conduit la¯ pour se déverser ensuite dans une rigole d'évacuation 39.Le conduit 38 part de préférence d'un point de la cavité 34 aussi rap- proché que possible de la partie supérieure du tube 11, Dans certains cas, un moule permanent pourrait être utilisé en remplacement du moule de sable décrit,
La disposition qui vient d'être décrite.peut être appliquée pour couler une section de prolongement unique 13 sur le tube d'acier au pour constituer simultanément plu- sieurs sections de ce genre à L'aide de la disposition repré- sentée dans la figure 7. L'ardre de production des sections
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de prolongement peut varier, Ainsi, on peut couler sur le tube une section sur deux et couler ensuite les sections al- ternantes entre les premières; ou bien on peut couler une série de sections et, lorsque les pièces de fonte ont été refroidies, déplacer le tube sur une certaine langueur pour produire une autre série de pièces coulées, et ainsi de , suite jusqu'à ce que le nombre désiré entier de sections ait été coulé.
Dans la figure 7, le trou de coulée 36 est muni de conduits de branchement 41 communiquant a vec les divers jets 3µ-se rapportant aux diverses sections; de même les divers conduits d'échappement 38 communiquent par des rigoles de trop-plein distinctes 42 avec une rigole d'évacua- tion commune,, Les diverses cavités de moulage 34 peuvent être établies primitivement sous forme d'une seule cavité puis espacées les unes des autres avant la coulée par une série de noyaux cuits 4 disposés entre les sections consécu- tives et constituant les espaces 23 de figure 3.
Suivant le présent procédé, le tube préalablement établi est préférablement préchauffé à une température assez élevée, par exemple 426 à 482 C.., de façon à amollir le métal ou à le préparer pour la soudure autogène par laquelle les prolongements de parement sont amenés à faire corps avec le tube. Dans le but d'effectuer ce préchauffage, on a indiqué un brûleur ou chalumeau 45 qui peut être employé pour projeter dans le tube des flammes obtenues par la combus- tion d'une huile ou d'un gaz. Un préchauffage uniforme est désirable , et la demanderesse a imaginé une disposition permettant de préchauffer électriquement le tube pour le but visé.
Lorsqu'on fait usage d'un chalumeau, il est préfé- rable de le faire fonctionner alternativement d'un côté et de l'autre coté du tube de façon à élever la température du tube à une valeur aussi élevée et aussi uniforme que possible sur toute la longueur au partie à traiter.
On remarquera que la coulée du métal est effectuée
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directement sur la surface du tube préchauffe Il La fonte' en fusion peut posséder une température de 1600 C. environ.
Suivant l'invention, le mode opératoire préféré consiste à permettre à la fonte de remplir la cavité de moulage et, , pendant qu'une partie du métal s'échappe par le conduit d'é- vacuation, à maintenir un courant continu le long du jet 35, de la cavité 34 et du conduit d'évacuation ±±pendant un temps assez long, afin d'élever encore la température du tube d'acier et la rapprocher du point de fusion, ce qui assure une union intime ou une soudure autogène du tube et du pro- longement.
Le jet en nappe 35 amène le fer dans la cavité sur la largeur entière de cette cavité,. et le conduit d'échap- pement 38 est aussi un conduit en nappe de la largeur entiè- re, cette disposition assurant le passage continu d'un cou- rant de largeur entière de métal fondu de lentrés µla sortie à travers la cavité 34, La fonte en fusion possédera son maximum .de température près de la partie inférieure du tube, mais elle assurera un chauffage sensiblement constant parce que cette disposition oblige le courant à se mouvoir en contact plus intime avec le tube à mesure qu'il progresse et pendant qu'il serefroidit,
Il en résulte que la surface exposée et préchauf- fée entière du tube sera portée à une température.assez uni- forme pour assurer sa soudure autogène avec le prolongement de fonte coulée sur elle.. On a estimé que, à la surface expo- sée du tube d'acier, la température de ce tube s'élèvera dans ce procédé presque à 680-700 C. sans toutefois dépasser cette température à laquelleil devient suffisamment mau pour se souder de façon autogène au métal fondu sans fondre ou couler lui-même.
La manipulation préférée est essentiellement la suivante :On coule la fonte à l'aide d'une poche de coulée dans le trou 36, la quantité de métal introduite par unité
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de temps étant grande au début dans le but de remplir le moule rapidement.. Aussitôt que le moule a été rempli et que l'excès commence à se déverser à la masselotte, il convient de ralentir la coulée jusqu'à une vitesse aussi faible que possible, De cette façon,- l'échauffement maximum du tube par la fonte est assuré avec le manimum d'érosion de l'acier par le courant de fonte..
On peut continuer la coulée pendant une minute plus ou moins, La meilleure façon de déterminer le poids de métal à couler est de se baser sur le poids de la pièce coulée, De préférence, il convient de faire passer à travers le moule plusieurs fois le poids de la piè- ce coulée elle-même. Par exemple, pour couler quatre sections de parement comme dans la figure 7 et en supposant que ces sections contiennent environ 10 kg. de métal, on emploiera une poche de coulée qui,- lorsqu'elle est remplie jusqu'à un certain niveau, contient 40 kg de fer fondu. On conti- nuera alors la coulée jusqu'à ce que tout le fer de la poche ait pénétré dans le moule ou en soit sorti.
Comme le trou de coulée 36 est à un niveau plus élevé que la rigole d'évacuation 39, la pesanteur maintien- dra le courant jusqu'à, ce que l'opération soit terminée,.
Lorsque tout le fer a été coulé, on laisse la pièce refroi- dir et durcir, et lorsqu'on la retire ensuite du moule, on constate qu'elle est soudée de façon autogène au tube d'acier.
L'étendue de la coulée du fer chaud le long de la surface d'acier doit être déterminée soigneusement. Une coulée ex- cessive aurait pour effet que le fer entraînerait certaines parties de l'acier chauffé et diminuerait ainsi la résistan- ce du tube Par contre, si la coulée n'était pas continuée d'une-façon suffisante, l'acier ne serait pas porté à la température de soudure et aucune union réelle ou fusion ef- fective ne serait établie entre le métal du tube et le pro- longement.
Le résultat de cette union défectueuse serait de diminuer considérablement la conductibilité, de sorte qu'un
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des buts principaux de l'invention ne serait pas réalisé, En outre, les parties qui ne sont pas unies d'une façon suffi- sante sont sujettes à se séparer les unes des'autres ultérieu- rement, Il convient que l'opération soit calculée de façon que le tube d'acier soit porté à la température de soudure, le fer se soudant par suiteau tube d'une façon intime impli- quant une structure inter-cristalline, La fo<rmatio.n de bulles à la ligne d'union est empêchée par l'opération décrite, étant donné que les bulles tendent à monter sans avoir accès à la surface du tube d'acier,
Le procédé indiqué dans les figures 8.9,
10 et 11 est différent à certains égards. En premier lieu les cavi- tés de moulage successives sont définies non pas par du sable vert moulé, mais par des noyaux durs ou cuits. Le. châssis extérieur 51 peut contenir une garniture de sable vert, ce sable supportant un groupe de noyaux cuits 53 qui possèdent la forme désirée et qu'on assemble dans le moule avant d'y insérer le tube 11. Ce système permet une production plus grande, étant donné que certains ouvriers peuvent fabriquer lea noyaux nécessaires pendant que d'autres posent les no- yaux et forment les moules.
La cavité 54 dans laquelle le prolongement est moulé est définie par le noyau cuit. 53. la surface du tube 11 et un nayau cuit plat 55 à chaque extré- mité de la cavité,
Pour conduire la fonte à l'intérieur de la cavité de moulage 54. on a représenté une série de jets en nappe 56 (figures 8 et 9).
Ces jeta ne sont pas parallèles au tube comme dans la disposition des figures 6 et 7, ils font avec le tube un certain angle, de préférence un angle droit,. de sorte que chaque jet délivre à 1 intérieur de la.. cavité ' un courant ou nappe vertical de métal fondu. Comme le tube est préférablement disposé horizontalement dans le moule, les jets seront préférablement verticaux,chacun d'eux étant relativement mince et allant en s'amincissant à son èxtzémité,
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de distribution afin de se comporter à la façon d'une tuyère pour injecter le métal fondu à une vitesse assez grande à l'intérieur de la capacité de moulage.
Les divers jets en nappe peuvent être sensiblement parallèles comme représenté et reçoivent tous le métal fondu d'un trou de coulée commun.
Au lieu de prévoir un conduit d'échappement en nappe comme dans la figure 6, on a représenté un canal de transfert en nappe ¯@1 débouche non pas à l'extérieur du moule mais à l'intérieur d'un évidement arrière 59 situé sur le coté du tube 11 opposé à la cavité de moulage 54, Grâce à cette disposition, l'excédent ou trop-plein de métal de la cavité de moulage est conduit à l'intérieur de l'évide- ment arrière et a pour effet de réchauffer le coté arrière du tube de façon à égaliser ou neutraliser la dilatation que tend à produire le chauffage de l'autre coté et de supprimer le gauchissement qui en résulterait, De préférence, l'évi- dement arrière 59possède une capacité 'en rapport avec celle de la cavité de moulage 54, afin que les effets de chauffage soient sensiblement égaux.
Le métal fondu se sera refroidi suffisamment au moment où il entre en contact avec le côté arrière du tube pour ne pas adhérer à ce tube, et l'on constate que la masselotte arrière 60 peut facilement être détachée et rejetée comme indiqué dans la figure 11, ce qui laisse le tube avec un prolongement faisant corps avec lui et possédant la forme désirée comme représenté dans les figures 1, 3 et 11.
Comme on emploiepréférablement plus de deux fois le volume de métal qui est nécessaire pour remplir la cavité de moulage 54 il est nécessaire de prévoir un conduit d'é- vacuation au trop-plein partant de l'évidement arrière 59,
A cet effet,, on a représenté un conduit d'évacuation 61 s'é- levant dudit évidements La relation entre le canal 58 et le conduit d'évacuatio 61 est telle qu'on évite toute tendance à chauffer exagérément le métal du tube 11. A son extrémité
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supérieure, le conduit d'évacuation 61 débauche dans une rigole 62 par laquelle le métal en excès est amenéà tout point collecteur convenable,
Pour réaliser le procédé des figures 8 et 9 on se sert de noyaux d'extrémités 55 de grande résistance ' , canique.
Un noyau de ce genre peut être fabriqué à l'aide de sable ou d'une matière analogue appliqué à la façon d'un revêtement sur une plaque, métallique interne telle qu'une plaque de fer pour assurer la résistance et le pouvoir ré- fractaire convenables. Toutefois, cette disposition n'est pas entièrement satisfaisante dans tous les cas, surtout lors- que le noyau est relativement mince, étant donné que l'enlè- vement de ce noyau hors de l'espace mince 23 séparant les prolongements successifs peut donner lieu à des difficul- tés, surtout s'il se produit une fusion de la .plaque de fer, la demanderesse envisage par conséquent l'application, en pareils cas,
d'un noyau d'extrémité en carbure de silicium ou autre matière rigide analogue suffisamment robuste pour résister à la pression et suffisamment réfractaire pour ré- sister à la température, ce noyau pouvant, le cas échéant, être revêtu d'une couche de sable de chaque côté pour fa- ciliter son enlèvement ultérieur du produit fini.
De nombreuses modifications sont évidentes pour l'homme du métier. Ainsi, à l'aide d'un moule allongé conve- nable, un tube entier de 6 mètres peut être traité en une seule opération. Ce tube peut être de toute nature appropriée à l'usage auquel il est destiné, et l'élément de parement ou prolongement n'est pas nécessairement en fonte, mais peut être en acier coulé .
D'autres façons de réaliser la fusion, la soudure ou l'union des deux parties peuvent être appli- quées dans certains cas, Par exemple, le tube et le prolon- gement peuvent être tous deux préalablement établis et unis ensuite par une soudure autogène , mais des murs aquatubulai- res efficaces destinés à des foyers ou fours à haute tempé-
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rature peuvent être établis de la façon la plus favorable sur une échelle pratique par le système préféré décrit.
Le procédé de moulage et 'de fusion décrit peut être perfectionné et accéléré comme suit, Les éléments de moule contenant les jets et conduits d'échappement peuvent être composés de noyaux en sable préalablement cuits, et le trou de coulée peut lui-même être fait de sable cuit et pla- cé directement au-dessus des noyaux cuits.. Lorsque le tube a été placé dans le moule, on place contre le tube les noyaux culte définissant le prolongement puis on place du sable vert de façon qu'il entoure le tube et les noyaux et l'on pilonne bien ce sable avant de couler la quantité mesurée def er fondu de la façon précédemment décrite.. Ce système diminue les erreurs et les pertes, permet d'obtenir des pièces coulées identiques et empêche la pénétration acciden- telle ede matières étrangères à l'intérieur du moule.
Le temps nécessaire pour le moulage est moindre et cet opération exige moins d'habileté, La production de chaque moule est augmentée, étant donné qu'un groupe d'ouvriers peut être employé à établir les noyaux cuits distincts pendant qu'un autre groupé pose les noyaux et établit les moules, L'aug- mentation de la production est par conséquent accompagnée d'une diminution du prix de revient.
Les petits noyaux séparant la pièce coulée en section longitudinale peuvent avantageusement être en fonte, et ils peuvent être recouverts de sable avant d'être montés à l'intérieur du moule, ce qui assure une séparation plus nette entre les sections et un résultat plus uniforme,, étant donné que le noyau en fonte n'est pas sujet à s'écraser et qu'il est facile de l'enle- ver après le refroidissement et l'enlèvement du produit.
Bien entendu, l'invention est susceptible de rece- voir-un grand nombre de modifications sans s'écarter de san esprit.
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