La présente invention concerne un procédé et un dispositif de moula¬ ge de lingotins de ferro-a liages par coulée en coquille en cuivre refroidi.

Lorsqu'on les utilise comme éléments d'addition ou de traitement dans des métaux et alliages ferreux à l'état fondu, les ferro-alliages sont mis en oeuvre à l'état de blocs concassés d'un poids unitaire pouvant aller de quelques dizaines de grammes à quelques kilogrammes. C'est le cas, en particulier, des alliages à base de fer et de sili- cium, utilisés comme additifs, par exemple pour la fabrication des aciers calmés au silicium et, comme dësoxydants. des aciers de façon générale.

On sait que le concassage du ferrosilicium provoque, quel que soit le type de concasseur utilisé" ^' , une quantité relativement importante de fines (de 10 à 15 % du métal mis en oeuvre), dont l'utilisation ultérieure pose des problèmes techniques et économiques encore impar¬ faitement résolus. Il en est de même pour d'autres types de ferro- alliages.

Dans le brevet français FR-A-1538948 (= US. 3604494) aux noms de METALLGESELLSCHAFT A. G. et SUDDEUTSCHE KALKSTICKSTOFFIERKE A. G., on a proposé de _t couler des pré-alliages du type ferro-si.lico-magnësium dans des viroles en tôle mince, préalablement remplies aux d-eux- tiers ou au trois-quart environ, de blocs concassés du même alliage - ou d'un alliage de composition légèrement différente - assurant un refroidissement très rapide et évitant ainsi la fusion de la vi¬ role en tôle.

II est également connu de couler en moule de sable des alliages de la famille des ferro-silico-magnësium, pour obtenir des innoculants pour les fontes, sous forme de pièces de forme que l'on introduit dans des logements deschenaux de coulée (procédé dit "inoculation in-mold").

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Cependant, ces divers procédés ne sont ni adaptés, ni adaptables à une production économique et massive de blocs à partir d'un four électrique ayant une production- hora re continue de plusieurs tonnes, par exemple un four pour l'élaboration de ferrosilicium à 75 % de Si, de 16 MW, qui produit environ 2 T/h d'alliage.

L'objet de la présente invention est donc un procédé qui permet de mouler des blocs de ferro-alliages d'une forme et d'un poids prëdê- terminés, par coulée en coquille en cuivre refroidi, du métal liquide sortant d'un four d'élaboration, soit directement, soit en passant par une poche ou par un récipient intermédiaire quelconque.

Ce procédé est caractérisé par les étapes répétitives suivantes :

- On forme une lingoti ère-moule par juxtaposition, en relation ëtaπ- che, de deux demi-coquilles en cuivre, dont l'une au moins compor¬ te une pluralité d'empreintes en creux des lingotins à mouler, les- dites empreintes communiquant entre elles par des canaux et débou¬ chant- dans la partie supërteure de la .lingotière par au moins un chenal d'entrée.

- On établit dans chaque demi -élément un circuit de refroidissement par circulation d'un fluide caloporteur.

- On coule le ferro-alliage liquide dans le chenal d'entrée, jusqu'à remplissage de la lingoti ère-moule.

- On laisse solidifier et refroidir le ferro-alliage jusqu'à une température inférieure de 200°C et, de préférence, de 300°C à sa température de sol i dus.

- On sépare les deux demi -ël ëments pour provoquer le démoulage des 1 i ngoti ns .

L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, comportant :

- une l ngot ère-moule formée de deux demi -coqu lles en cuivre dont l'une au moins comporte une pluralité d'empreintes en creux des lingotins à mouler, communiquant entre elles par des canaux et dé¬ bouchant, à la partie supérieure, par un chenal d'entrée,

- des moyens de refroidissement de chaque demi -coqu ll par circula¬ tion d'un fluide caloporteur,

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- des moyens de rapprochement et d'éloignement des dem -coquilles,

- des moyens de guidage des mouvements de rapprochement et d'éloigne¬ ment des demi -coquill es.

Le dispositif peut également comporter des moyens refroidis d'in¬ troduction du ferro-alliage liquide dans le chenal d'entrée.

L'invention est particulièrement bien adaptée à la production de blocs moulés en ferrosilicium ayant une teneur en silicium supérieure à 15 % et, de préférence, comprise entre 40 et 90 %, le reste étant du fer et, le cas échéant, des éléments d'addition secondaires tels que Al, Ba, Ca, Mn, Ti , Zr.

Les figures 1 à 5 explicitent la mise en oeuvre de l'invention : La figure 1 représente, en coupe verticale, une lingoti ère pour la mise en oeuvre de l'invention.

La figure 2 est une coupe horizontale, selon AA de la figure 1. La figuré 3 représente une Itrigotière industrielle, à quatre éléments, dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par des vérins. Les figures 4 à 5 représentent deux variantes d'exécution, dans les¬ quelles les demi -coquill es sont dissymétriques.

Dans tout ce qui suit, nous utiliserons le terme de "lingotière-moule" pour désigner l'objet de l'invention, étant entendu que ce terme dë- signe une lingoti ère particulière dans laquelle le métal est intro¬ duit à l'état fondu et extrait sous forme de lingotins multiples, de dimensions, de forme et de poids prédéterminés.

Chaque lingotière-moule (1) est constituée de deux-demi éléments, ou "demi -coquill es" (2) en cuivre êlectrolytique, de préférence de qua¬ lité dite Cu/al (désignation selon la norme française NF A-51.050), chaque demi -coquille étant munie d'un circuit de refroidissement par fluide caloporteur, comportant une entrée principale (3) reliée au moyen d'alimentation en fluide, alimentant, en parallèle dans le cas présent, trois circuits dérivés (4A), (4B), (4C), dont les collec¬ teurs de sortie se rassemblent sur une sortie commune. Les circuits

de refroidissement sont internes /canaux (5) forés dans le bloc de cuivre formant les deπ -coquil es7, mais peuvent, éventuellement, être externes tubes (6) en cuivre, soudés ou brasés sur toute leur longueur sur les faces externes des demi -coqu lles/.

Chaque demi-coquille (2) comporte, en outre, des moyens de mise en contact étanche pour former la lingotière-moule. La mise en contact peut s'effectuer en maintenant par exemple une demi -coquille fixe et ^• en rapprochant l'autre, ou encore en déplaçant les deux demi-coquïl- les Tune vers l'autre, soit par un mouvement de translation liné¬ aire guidée, soit par un mouvement de rotation autour d'un axe com¬ mun formant charnière.

La translation linéaire peut être guidée par tous moyens connus tels que des tiges-guides (7) coulfssant ^' darrs des orifices calibrés internes (8), ou par des moyens de couliss'ement externes tels que rainures et glissières.

La mise en contact par rotation peut s'effectuer autour d'un axe ver- tical ou horizontal. Dans ce dernier cas, le démoulage se trouve fa¬ cilité par le fait que les lingotins ^• se détachent du moule et tom¬ bant sous leur propre poids dans un moyen de réception.

Les différents mouvements de rapprochement et d'éloignement des deπri- coquilles sont commandés de façon connue par des moyens tels que les vérins (9).

Chaque demi-coquille comporte les demi -empreintes (10) correspondant aux lingotins et aux canaux de liaison (11, 12). Les demi -coquill es peuvent être symétriques (fig. 1, 2, 3) ou dissymétriques (10B) (10A) (fig. 4 et 5). L'une d'elles peut même être réduite à une contre- plaque (13) plane ou, éventuellement, munie d'une empreinte en relief (14) avec circuit de refroidissement (5) qui permet d'augmenter la surface de contact entre le métal coulé et la lingoti ère, donc» la vitesse de refroidissement et la cadence de coulée.

Les faces d'appui en regard (15),; ,de chaque demi -coquille, sont

dressées et polies de façon à assurer, sous l'action des vérins (9), une étanchëitë suffisante sans interposition d'un joint quelconque.

La coulée du ferro-alliage liquide dans la lingoti ère est effectuée de préférence par l'intermédiaire de l'entonnoir (17). Cette pièce peut être fixe et intégrée à la lingotière-moule proprement dite, ou amovible, et posée sur l'orifice d'entrée (18), les faces d'appui étant également dressées et polies. Dans l'un ou l'autre cas, l'en¬ tonnoir est également muni d'un circuit de refroidissement. Les canaux et empreintes situés sous l'entonnoir sont alimentés "en chu¬ te", les autres étant alimentés "en source". Le nombre et la dimen¬ sion des empreintes et des canaux sont déterminés de façon à assu¬ rer un remplissage total avant que te métal ne commence à se solidi¬ fier et n'obture les canaux d'alimentation.

La figure 1 représente une coupe de lingoti ère à 2 x 3 empreintes, mais cette disposition est donnée à titre d'exemple non-limitatif, et elle pourrait aussi bien en comporter 2 x 2 ou 2 x 4.

Le problème qu'il a fallu résoudre pour la mise en oeuvre de l'in¬ vention a été le suivant : il fallait, à la foi s assurer une cadence de coulée assez rapide pour suivre la production d'un grand four mo¬ derne produisant du ferrosilicium, ou autre ferro-alliage, sans pour autant immobiliser une quantité de cuivre excessive sous forme d'un nombre élevé de lingoti ères, et assurer une durée de vie assez longue aux lingoti ères pour que l'amortissement de leur coût ne ma¬ jore pas de façon sensible le coût des lingotins par rapport .aux prix du ferrosilicium coulé en pains de plusieurs tonnes, puis con¬ cassé et broyé. Ce résultat a été obtenu : 1°) par le choix du métal constituant les lingoti ères-moules dont la conductivité thermique' doit être aussi élevée que possible, ce qui oriente le choix vers le cuivre ëlectrolytique dit Cu/al défini par la norme NF A 53.100 (conductivité thermique à 20° = 400 à 412 W/mK) ou du cuivre faiblement allié tel que le "CUPR0- NICS" (marque déposée de la société TREFIMETAUX) (365 W/mK) ou le CuZr 0,15 à 0,15 % de zirconium (350 à 370 W/mK), ou tout autre alliage à base de cuivre ayant une conductivité thermique

au moins égale à 300 W/mK ;

2°) par la mise en place d'un circuit de refroidissement très effica¬ ce, le fluide caloporteur étant de Teau à la température ambian¬ te, qui permet d'éviter, en tous points, une élévation de la tem- përature du cuivre au-dessus de 200°C et réduire ainsi à une vi¬ tesse négligeable le grossissement des grains de cuivre (recris- tallisation) qui est la principale cause de dégradation des ^' lingoti ères ;

3°) par le choix du rapport masse de cuiyre formant la lingotière-moule masse de ferro-all age coulé à une valeur au moins égale à 6 et, de préférence, comprise entre 10 et 25. 4°) par un démoulage extrêmement rapide des lingotins, de façon que la lingoti ère ait pour seule fonction de solidifier au moins la partie externe des lingotins jusqu'à une température inférieure de 200 à 300° au point de solidus de l'alliage, le refroidisse¬ ment jusqu'à l'ambiante s. 'effectuant ensuite, spontanément, hors de la lingoti ère, en un temps quelconque qui n'a plus d'importan¬ ce.

EXEMPLE DE REALISATION.

On a réalisé une lingotière-moule en cuivre Cu/1, selon l'invention, comportant un bloc central (20) fixe, muni de circuits internes (5) de refroidissement à Teau et quatre demi -coqu ll es (21), (22), (23), (24), mobiles séparément (ou simultanément) sous l'action des vérins (9) et possédant chacune son propre circuit de refroidissement. A chaque demi-coquille correspondent six empreintes (10) reliées par des canaux (11) (12), que Ton remplit, par un entonnoir (17) en cui¬ vre refroidi. Chacune des 24 empreintes correspond à un lingotiπ de 550 grammes environ, plus les queusots formés par les canaux de liai¬ son, et les masselottes, ce qui correspond à environ 14 kg de ferro¬ silicium par opération, chaque cycle de coulée pouvant être réduit à 90 secondes, qui se décomposent alors comme suit :

Coul ëe 15 secondes

Solidification du FeSi 75 15

OMPI

Refroidissement des lingotins jusque vers 900°C environ (solidus à 1208°C) 15 secondes

Refroidissement des coquilles après ouverture et démoulage des lingotins chauds 30 II

Temps d'ouverture et fermeture des lingotiëres- oules et temps morts 20 II

soit une production horaire de 15 x 40 = 600 kilos. Quatre de ces lingoti ères-moules suffisent donc à mouler en lingotins la produc¬ tion totale d'un four à ferrosilicium-75 de 2,4 T/h ( - 20 MW). Après quatre mois d'utilisation continue, elles restent en état normal de fonctionnement.

La mise en oeuvre de l'invention est susceptible d'un certain nom¬ bre de variantes, en particulier en ce qui concerne : 1°) la forme des lingoti ères - ou! es qui peuvent être soit formées de deux demi -éléments symétriques, soit de demi -éléments dissymé¬ triques (fig. 4 et 5), 2°) la nature du métal coulé. Si l'invention est particulièrement adaptée aux alliages à base de fer et de silicium, elle peut convenir sans aucune modification de son principe à des alliages différents, par exemple à base de fer et de manganèse, ou de manganèse et de silicium. Mais, son intérêt est particulièrement évident dans le cas de métaux dont le broyage conduit à des quan¬ tités importantes de fines difficiles à utiliser ou à recycler, °) la forme, les dimensions et le poids unitaire des lingotins, qui peuvent varier, en fonction de l'utilisation envisagée, dans des limites très larges, étant entendu que la forme est subordonnée à la nécessité d'un démoulage spontané et très rapide dès-Tόu- verture de la lingotière-moule et que le poids unitaire minimal est, le plus souvent, imposé par des considérations économiques.