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EP0570303A1 - Procédé de coulee en charge permettant d'eviter la fissuration de la rehausse - Google Patents

Procédé de coulee en charge permettant d'eviter la fissuration de la rehausse Download PDF

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Publication number
EP0570303A1
EP0570303A1 EP93420158A EP93420158A EP0570303A1 EP 0570303 A1 EP0570303 A1 EP 0570303A1 EP 93420158 A EP93420158 A EP 93420158A EP 93420158 A EP93420158 A EP 93420158A EP 0570303 A1 EP0570303 A1 EP 0570303A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
casting
extension
hooping
mold
billets
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP93420158A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Jouet-Pastre
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
Publication of EP0570303A1 publication Critical patent/EP0570303A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/049—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds for direct chill casting, e.g. electromagnetic casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/04—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into open-ended moulds
    • B22D11/0401—Moulds provided with a feed head

Definitions

  • the present invention relates to a load casting process making it possible to avoid cracking of the riser.
  • This extension is fixed securely and tightly to the mold in order to avoid any leakage of liquid metal; it can be composed of one or more parts and has a rectangular section in the case of plate casting or circular in the case of billet casting.
  • asbestos fibers were used in the past which allowed effective reinforcement but, for hygienic reasons, this material was abandoned.
  • the invention consists of a process for casting aluminum and its alloys in the form of plates or billets in an ingot mold surmounted by an extension of refractory material characterized in that, in order to avoid cracking of the said enhancement, it is applied to it, before casting, a compression preload perpendicular to the casting axis, independent of the clamping forces on the mold, said preload being obtained by controlled peripheral hooping.
  • the effect of the prestressing must have the effect of adding a compressive force to the service constraints and obtaining in total high values in compression and low in tension.
  • the field of Appropriate preload is obtained by exerting a peripheral constraint around the riser.
  • This slit is necessarily very fine to prevent the liquid metal from infiltrating. Its thickness is between 0.05 and 0.7 mm and varies inversely with the metallostatic charge height.
  • the slit is either continuous, with the refractory ring overhanging above, or intermittent, cut from time to time by the support points of the refractory ring.
  • the means finally selected is therefore a peripheral hooping of the extension on a face perpendicular to the support plane of the extension on the ingot mold so as to exert only forces perpendicular to the casting axis.
  • the forces exerted are controlled, and this is essential for, thanks to the prestresses, to properly position the range of service stresses in the riser relative to the stresses admissible by the material.
  • the hooping is carried out at least on the part of the riser closest to the ingot mold but, it can also be done on more distant parts. Two hooping techniques are used depending on the shape of the cast product.
  • the section of the cast product is circular and the hooping is carried out by means of a rigid metal ring, placed hot in contact with the external 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 D2 of the extension.
  • the relative difference between these two diameters (D2-D1) / D1 is between 0.5 / 1000 and 5/1000. It is through this difference that we control the effort exerted.
  • the section 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 accidental deformation of the frets much greater.
  • this hooping technique is also applicable to billets, but is not preferred because it is longer and more delicate to use than that described above.
  • FIG. 1 represents, in a vertical axial section, a casting mold fitted with a hooped extension.
  • An alloy of the type 7175 was poured according to the standards of the Aluminum Association in the form of plates with dimensions 1300 x 446 mm in an ingot mold whose lower part of the extension was hooped using a strip of width 15 mm and 0.5 mm thick in steel of type XC12F under a tension of 270 daN and closed by a staple.
  • the number of castings without the appearance of cracks being observed was 7 while with an extension of the same non-hooped material used for the same type of casting, the appearance of cracks was observed from the first operation. .
  • the presence of the strip made it possible to continue the operations without any difficulty after the appearance of cracks up to a total of 34 flows; the cracks remaining well closed thanks to the pressure exerted by the strip.
  • the invention finds its 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 that it implements a injection of gas and / or oil or not.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Continuous Casting (AREA)

Abstract

Afin d'éviter la fissuration d'une rehausse (2,3) en matériau réfractaire, surmontant une lingotière (1) dans une coulée de l'aluminium et de ses alliages sous forme de plaques ou de billettes, on applique à ladite rehausse avant la coulée une précontrainte de compression perpendiculaire à l'axe de coulée indépendante des efforts de bridage sur la lingotière et étant obtenue par frettage périphérique contrôlé.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION.-
  • La présente invention est relative à un procédé de coulée en charge permettant d'éviter la fissuration de la rehausse.
  • 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 où il va se solidifier.
    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 paroi latérale (brevet US 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.
    • PROBLEME POSE.-
  • Un des problèmes qui se pose dans l'exploitation de la technique de coulée en charge, c'est celui de la formation de fissures sur la rehausse.
  • 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 des contraintes thermiques importantes.
    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 exemple, lors du refroidissement après la coulée ).
  • Il en résulte donc des ruptures au sein du matériau qui se traduisent sous forme de fissures.
  • 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 en différents points du périmètre.
  • Ces fissures vont être à l'origine de plusieurs phénomènes :
    • la pénétration et la solidification de métal dans la fissure,
    • la formation à partir de ce point d'un "accrochage", c'est-à-dire d'un germe solide plus ou moins développé qui reste lié à la rehausse au lieu de descendre dans la lingotière.
      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 la rehausse lors du nettoyage.
      Les fissures s'ouvrant chaque fois davantage, la gravité de ces infiltrations croît 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'où des difficultés pour apporter ou maintenir le gaz injecté dans la zone souhaitée.
  • Il s'avère donc nécessaire de trouver les moyens pour remédier à ce problème de fissuration.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE.-
  • 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 ;
    • soit on essaye de colmater les fissures.
  • 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 par poteyage mais, cette opération est longue et délicate.
    En outre, on risque de déposer du poteyage en des endroits où 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 solution axée sur le renforcement de la rehausse.
    • EXPOSE DE L'INVENTION.-
  • L'invention consiste en un procédé de coulée de l'aluminium et de ses alliages sous forme de plaques ou de billettes dans une lingotière surmontée d'une rehausse en matériau réfractaire caractérisé en ce que, dans le but d'éviter la fissuration de la dite rehausse , on lui applique, avant la coulée, une précontrainte de compression perpendiculaire à l'axe de coulée, indépendante des efforts de bridage sur la lingotière, ladite précontrainte étant obtenue par frettage périphérique contrôlé.
  • 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 compression qu'en 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 compression et faibles en traction.
  • Compte-tenu du mode de fissuration, le champ de précontrainte approprié s'obtient en exerçant une contrainte périphérique autour de la rehausse.
  • 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 emboîtement conique de la rehausse dans cette pièce.
    Ainsi, lors de l'opération de bridage, une composante de l'effort exercé par la pièce sur la rehausse réalisait effectivement une précontrainte périphérique de cet élément. 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 contraire cette déformation favorisait la fissuration.
    • 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 façon inverse à la hauteur de charge métallostatique.
    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 ), où la fente ne fait que quelques 1/100 mm : 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 indépendamment de l'effort de bridage.
  • 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 des efforts perpendiculaires à l'axe de coulée.
  • 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 45° 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 l'être également sur des parties plus éloignées.
    Deux techniques de frettage sont utilisées suivant la forme du produit coulé.
  • 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 D1 est plus faible que le diamètre extérieur D2 de la rehausse. L'écart relatif entre ces deux diamètres (D2-D1)/D1 est compris entre 0,5/1000 et 5/1000. C'est par le biais de cet écart que l'on contrôle l'effort exercé.
  • 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 accidentelle des frettes beaucoup plus grande.
  • 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'où 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 daN.
  • 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 exposée plus haut.
    • DESCRIPTION DU DESSIN.-
  • 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 partie 3, est placée la frette 6.
    • EXEMPLE D'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 d' un feuillard de largeur 15 mm et d'épaisseur 0,5 mm en acier du type XC12F sous une tension de 270 daN et fermé par une agrafe.
  • 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 aprés l'apparition des fissures jusqu'à un total de 34 coulées ; les fissures restant bien fermées grâce à la pression exercée par le feuillard.
  • Avec une rehausse non frettée, un poteyage doit être utilisé dès la deuxième coulée et le remplacement de cette pièce intervient fatalement avant 10 coulées.
  • 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 gaz et/ou d'huile ou non.
  • Elle permet de prolonger notablement la durée de vie des rehausses.

Claims (8)

  1. Procédé de coulée de l'aluminium et de ses alliages sous forme de plaques ou de billettes dans une lingotière (1) surmontée d'une rehausse (2, 3) en matériau réfractaire caractérisé en ce que, dans le but d'éviter la fissuration de la dite rehausse , on lui applique, avant la coulée, une précontrainte de compression perpendiculaire à l'axe de coulée, indépendante des efforts de bridage sur la lingotière, ladite précontrainte étant obtenue par frettage périphérique contrôlé.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le cas de billettes 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.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à température ambiante, le diamètre intérieur de la frette D1 est inférieur au diamètre extérieur de la rehausse et que l'écart relatif entre les deux diamètres (D2-D1)/D1 est compris entre 0,5/1000 et 5/1000.
  4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas de plaques, le frettage est réalisé au moyen d'une feuille métallique souple mise sous tension à l'aide d'une machine à cercler.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la machine à cercler est équipée d'un dispositif de contrôle de la tension.
  6. Procédé selon la revendication 4, caractérisée en ce que la tension est comprise entre 50 et 500 daN.
  7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué à la partie de la rehausse directement en contact avec la lingotière.
  8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est appliqué aux rehausses non directement en contact avec la lingotière.
EP93420158A 1992-04-16 1993-04-14 Procédé de coulee en charge permettant d'eviter la fissuration de la rehausse Withdrawn EP0570303A1 (fr)

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FR9204968 1992-04-16

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