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PROCEDE DE COULAGE EN CONTINU DE LINGOTS, BARRES OU ANALOGUES, D'ACIER
OU DE FERo
Lors du coulage de lingots, barres ou analogues désignés ci- après par le terme générique "lingots", diverses conditions doivent!) d' une manière générale, être remplies pour qu'on obtienne un produit satis- faisant au double point de vue économique et technique.
Tout dabord, le lingot obtenu doit se laisser soumettre dans de bonnes conditions à des travaux n'impliquant que sa déformation (forgea- ge, laminage, etc... A cet effets, le produit coulé doit présenter une texture aussi uniforme que possible, sur toute sa section et dans toutes les directions (il doit être exempt de liquation),de manière qu'il puisse servir de base à la fabrication d9un produit mi-fini ayant des propriétés mécaniques avantageuses et surtout aussi uniformes que possible dans toutes les directions.
Au point de vue économique, il y a également lieu de consi- dérer si le procédé de coulage utilisé pour l'obtention de lingots suscep- tible d'être travaillés ultérieurement par déformation, est rationnel, c'est- à-dire si 1?on obtient un maximum de rendement et de production avec une dé- pense réduite au minimum en main d'oeuvre et en frais de premier établisse- ment.
Les conditions techniques et les conditions économiques du cou- lage de lingots sont toutefois!)comme il est bien connu, en partie incompati- bles, de sorte qu'en pratique on doit le plus souvent recourir à des solutions de compromis.
Par ailleurson a constaté dans l'industrie métallurgique qu'en ce qui concerne le coulage de lingots en métaux non-ferreux, lorsqu'on désire obtenir des produits pouvant être travaillés ultérieurement par déformation, le procédé de coulage en continu est celui qui donne les meilleurs résultai.
C'est pourquoi, dans cette branche de la métallurgie, on utilise
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dès à présent le procédé de coulage en continu pour la fabrication de lingots sur une échelle considérable; il faut même s'attendre à voir ce procédé se ré- pandre encore davantage dans l'avenir.
Les avantages économiques obtenus dans l'industrie des métaux non- ferreux, par le coulage en continu des lingots, ainsi que l'augmentation de la qualité des produits mi-finis, fabriqués à partir desdits lingots:, ont incité tout naturellement les spécialistes de la sidérurgie à tenter d'éten- dre le domaine d'application du procédé de coulage en continu à la fabrication de lingots de fer ou d'acier Les essais en cours depuis déjà plusieurs an- nées, dans différents établissements métallurgiques, ont été pratiquement infructueux. En effet, on constate avec surprise que les lingots ainsi cou- lés en continu sont de plus mauvaise qualité que ceux qui sont obtenus par le procédé classique de la coulée en coquille.
Par exemples certains lingots d'acier coulés en continu (composition: 0,15 à Oe2O% de carbone ;0,40% de manganèse 0,20% de silicium le reste constitué par du fer et par les impuretés habituelles), présentent des soufflures réparties radiallement sur toute leur section et dans leur partie centrale des cavités dûes au retrait du métal (retassures), de sorte que les produits mi-finis obtenus à partir de tels lingots sont inu- - tilisableso Ce résultat défavorable ne s'améliorant pas., même après une mo- dification des conditions de fabrication, on a renoncé plus ou moins rapidement dans la plupart des cas au coulage en continu de l'acier.
Ceci n'a d'ailleurs pas empêché de nouvelles tentatives de coulage de l'acier en continu entre- prises dans d'autres exploitations, sans qu'on sache jusqu'à présent si ces nouveaux essais ont été davantage couronnés de succès.
La présente invention a pour objet un procédé de coulage en con- tinu permettant d'obtenir effectivement des lingots de fer ou d'acier de bon- ne qualité.
Le procédé suivant l'invention est remarquable en ce que la soli- dification périphérique de la matière en fusion coulée, qui a lieu à l'inté- rieur d'un moule métallique d'une seule pièce ouvert à ses deux extrémités, commence à un niveau très peu inférieur à la surface supérieure libre du mé- tal en fusion, en ce que cette solidification s'effectue jusqu'à un degré tel que le produit puisse être extrait du moule précité sans être endommagé et en ce que la solidification de l'âme liquide résiduelle du lingot que ce soit à l'intérieur ou à l'extérieur dudit moule, s9effectue avec une lenteur suffi- sante pour que les gaz entraînés par la matière en fusion, occlus par cette matière ou dissous dans celle-ci,
puissent remonter à la surface libre préci- tée et s'échapper avant que le fer ou l'acier en fusion qui les entoure n'ait eu le temps de se solidifier ni même de devenir pâteux.
De cette manièreon obtient avec le procédé suivant l'invention des lingots de fer ou d'acier coulés en continu, exempts de toutes les souf- flures et retassures sur toute leur sectionEn même temps,ce procédé permet de surmonter toutes les difficultés qui, jusqu'à présent, ont empêché d'uti- liser la coulée en continu dans le domaine de la sidérurgie,en dépit des a- vantages considérables qu'on pouvait en attendre.
On croyait, jusqu'à présent, que pour réaliser la coulée en con- tinu du fer et de l'acier,il suffisait d'utiliser les procédés et les dis- positifs ayant fait leurs preuves dans le domaine de la coulée en continu des métaux non-ferreux, en tenant compte des points de fusion plus 'élevée., pour pouvoir couler en continu avec un même succèsle fer et l'acier. Cette opinion ne tenait pas compte du fait que l'acier en fusion préparé pour la coulée ne se distingue pas des métaux non-ferreux en fusion destinés à la même opération que par la composition, comme il ressort de ce qui suit.
On sait que, lors du coulage en continu de métaux non-ferreux, on laisse reposer pendant un temps relativement long la matière eL fusion dé- soxydée préparée pour la coulée avant de l'amener, par exemple, dans le four
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réchauffeur qui précède toute¯installation de coulée en continuo Cette pé-
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riode de repos de la matière en fusion présente, pour les métaux non=reI'Teux Davantage de permettre le dégagement des gaz ocalus dans la matière en fu- sion, dans une proportion considéra,bie, dès la période de repos précitée.
Les gaz résiduels, encore présents dans la matière en fusion prête à être cou- lée après la période de repos précitées, ont ensuite encore la possibilité, pendant la coulée proprement dite, de se séparer du métal en fusion par la
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masselotte qui reste ouverte en permanence et de s 9 échappe9 du fait qu'on peut maintenir,dans le moule, une masselotte liquide plane:' Le fait de lais- ser reposer le métal en fusion et le fait que la masselotte reste ouverte ont
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pour effet que, lors de la coulée en continu de métaux non=,ferreuxjJ on obtient un produit qui présente une teneur en gae minimum;.;
ce qui se montre avanta= geux à différents points de vueoLa faible teneur en gaz de la substance en fusion utilisée pour la coulée en continu des métaux non-ferreux et le fait
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d9obtenîr une zone de solidification aussi plane que possible sur toute la section du moule de coulée en continu se montrent particulièrement favora- bles, notamment pour les matières premières sujettes à la liquationo On sait qu'on peut obtenir la masselotte plane précitée, avec les métaux non-ferreux,
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par un refroidissement intensif et direct du lingot> continu, ce refroidisse- ment ayant une action d'autant plus efficace que ledit lingot atteint plus tôt la zone de refroidissement directe.La croûte périphérique atteinte par exemple,
dans les métaux légers une profondeur de 20 mm au-dessous de la sur- face supérieure libre du lingot, tandis que la zone axiale de solidification atteint à peu près le même niveau à condition que 1-'on ne laisse pas la soli- dification axiale prendre le pas sur la formation de la croûte, ce.qui peut être également réalisé par des moyens connus.
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D9autre part, jusqu9à présenta 1?acier en fusion destiné à la coulée est toujours sursaturé d'oxygène et doit être réduits, comme d9habitude avant la coulée. Si 1?on effectue 'la réduction au moyen de manganèse;, 190xygè- ne est transformée il est vrais, d9une .manière telle que leader nest plus
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cassant à chaude mais cet oxygène reste dans le bain deacier.
Si 1?on coule un tel acier sans réduction additionnelles, le métal en fusion s'enrichit tant
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en oxygène qu.9en protoxyde de manganèse ou de fer, comme il est bien connu lors de la coulée en coquille classique, à l'intérieur même du lingot, par suite des phénomènes de liquidation et de ressuage qui se produisent pendant la solidification, ce qui a pour résultat que les doubles décompositions en- tre le carbone et l'oxygène interrompues dans le four réapparaissent dans la coquille. Il en résulte dans les lingotières de type connu le phénomène bien
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connu d9t.ne nouvelle formation d2'oxyde de carbone. De plus)) 1"oxyde de carbo- ne qui se dégage entraine d'autre? gaz préalablement présents dans 1-'acier,
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tels que de 1?hydrogène et de 19azote.
Lors de la solidification d9un tel acier non-reposé coulé, dans des moules de différents types connus, il se forme alors, plusieurs couronnes de soufflures9 dont le nombre et la grosseur sont incontrô- lables et qui se montrent extrêmement préjudiciables lors de la transformation
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ultérieure du lingot en produits mi-finish
Si par contreon effectue la réduction des aciers en fusion uti- lisés jusqu9à présent pour la coulée par addition de réducteurs puissants
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tels que le silicium ou 19aluminiii-ae avant la coulée en coquille classique, 1-'oxygène contenu dans 1?acier est, comme il est bien connu en sois, pratique- ment rendu inerte-Par suite, il ne peut plus se produire,
lors de la coulée de 12' acier .en fusion dans le moule aucune combinaison avec le carbone. Dans
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les procédés de coulage en coquille connus, il se forme toutefois.\> à ce moment, une ou plusieurs retassures dans la tête du lingot de sorte que ce lingot.doit être découpé et grenaillé avant tout travail ultérieur.De telles retassures peuvent cependant se produire aussi bien mais dans des proportions différen- tes lors de la coulée d'acier non=reposé que lors de la coulée d'acier repo- sé, mais dans le dernier case du fait de la haute teneur en azote et en hydrogêne, il peut également apparaître de nombreuses soufflures.
Dans le procédé de coulage de l'acier en continu suivant 12'invention
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il est indifférent que l'on coule de l'acier reposéou non, étant donné que, dans un cas comme dans l'autre,on obtient un lingot exempt de soufflure et de retassures. Ce résultat est extrêmement avantageux étant donné que les pro- duits mi-finis fabriqués à partir de ces lingots peuvent concurrencer, au point de vue mécanique, comme au point de vue économique,des produits comparables obtenus par les procédés de coulage connus. Pourtant, pour obtenir ce résultat, il suffit de faire subir à l'acier en fusion préparé pour la coulée les trai- tements habituels, ce qui est également avantageux.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description dé- taillés qui suit, qui donne, à titre d'exemple non limitatifun mode de mi- se en oeuvre du procédé de coulage suivant l'inventiono
L'acier en fusion enrichi et réduit par des moyens et par des pro- cédés connus, est amené à un four réchauffeur de capacité convenable, précé- dant une installation de coulage en continu, telle que décrit dans les brevets belges nos. 446.732 et 448.469 du demandeur.
En quittant le four réchauffeur,la matière en fusion s'écoule vers le moule de coulage en continu ouvert à ses deux extrémités 'en passant au-des- sus d'un avant-foyer qui,de préférence, est partie intégrante du four réchauf- feur. Afin que les scories qui sont éventuellement encore présentes en petite quantité à la surface de la matière en fusion dans le four réchauffeur ne puis- sent parvenir dans l'avant-foyer et, de là, dans le moule de coulage en continu, on interpose, de préférence, entre l'avant-foyer et le four réchauffeur propre- ment dit, une cloison séparatrice à communication par la base, de telle manière que,seul un métal en fusion débarrasse de toutes scories, puisse pénétrer dans l'avant-foyer. En quittant celui-ci,
la matière en fusion peut être amenée au moule par des tuyères pu par des ajutages ou encore d'une autre manière con- nue quelconque et, par exemple,par des gouttières ouvertes dans lesquelles la matière est protégée de l'oxydation par une nappe de gaz.
Au lieu de prévoir Pavant-foyer précité, on peut également agencer le four réchauffeur de manière qu'il prisse basculer autour de son bec, ce qui peut être réalisé par des moyens connusDans ce casla matière en fusion est transportée au moule de coulage en continu par des gouttières ouvertes, de pré- férence surchauffées dans le cas où l'on a à craindre une coagulation de la matière liquide pendant son trajet jusqu'au moule, ce trajet étant dailleurs réduit dans la mesure du possible. Dans ce cas également, on prend des dispo- sitions convenables en utilisant un filtre de scories de forme convenable quel- conque pour qu'une quantité de scories ainsi réduite que possible parvienne dans le moule avec la matière en fusion.
La matière en fusion est maintenue dans le four ou dans le creuset réchauffeur à une température aussi uniforme que possible, dont la valeur est calculée de telle manière qu'en dépit de chutes de température éventuelles de la matière en fusion pendant son parcours entre l'installation de réchauffage et le moule de coulage en continu, l'acier en fusion demeure très fluide pour éviter toute adhérence du lingot continu en formation, pour que, cependant,, il ne soit nécessaire d'emprunter à la matière coulée qu'une quantité de cha- leur aussi faible que possible jusqu'au moment de la solidification ; en effet, avec une température de coulée aussi basse que possible, l'acier en fusion prêt à être coulé présente une teneur en gaz minimum, ce qui permet le main- tien d'une zone de solidification plane avantageuse.
Bien qu'il soit également possible de couler en continu avec succès de l'acier ou du fer à des tempéra- tures plus élevées,le fait de choisir une température de coulée aussi basse que possible n'en présente pas moins un gros avantage, étant donné qu'il est nécessaire d'équilibrer l'apport calorifique de la matière en fusion au moule et la dissipation calorifique sur les parois du moule par refroidissement di= rect, cette dernière étant augmentée de la chaleur dissipée par le refroidi- ssement indirect du lingot continu.
Pour y parvenir, on s'arrange pour que la
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salière en fusion soit versée dans le moule son seulement à une températu-
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rie aussi uniforme que possible mais encore avec un débit t1cnsiant9 rapen- dant que le lingot continu forme doit sortir du moule également à une vites- se constante.
A cet effet le refroidissement de 19 eni3tEimbl'B doit être mainte- nu à une intensité constante pendant une période plus ou moins longue.'Toute-
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fois? si par exemple? la température de coulée est plus élevée qulîl ne serait nécessaires, il y a lieu,, pour compenser? de modifier un'''autre facteur et'par exemple la vitesse de zolidificatiJn ee qui est possible en prévoyant un re- froidissement accélère en tenant compte de certaines eonditions préalables.
Une modifioation d 9 autres facteurs du soulage pourrait donner des résultats équivalents? mais ces faste'urs varient suivant le processus de coulage en continu particulier Par aill.<euri= il faut entendre, par 1-'expres- sion "coulage en continu*" dans .1" MCôfrtion - de la présente invention, un pro- cédé dans lequel le produit soûle obtenu est plus long que 1?espace de coula- ge du moule.
Il est dons néesai1"e9 lors de la mise en oeuvre du procédé suivant 19i11v@ntion9 pour la soûlée en 2antînu du fer et de 19acier de prévoir un déplacement relatif du lingot coule par rapport au moule contrairement à ce qui se passe dans les procédés de soulage en lingotière* connus. ]pour
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que os déplacement relatif du lingot continu forme par le procédé suivant 19 invention puisse avoir lieu sans endonNsagement de la surface extérieure et par conséquent sans amoindrissement des qualités de cette surface, deux con- ditions doivent être remplies,,à savoirs
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1 ) la solidification périphérique doit commencer à une faible pro- fondeur au-dessous de la surface supérieure libre du métal en fusiono
2 )
la croûte périphérique doit être robuste pour qu'elle puisse se détacher de la paroi du moule lors du retrait et ne puisse pas
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être recollée contre cette paroi sons la pression exercée par 19âme du lin- got continu éventuellement encore liquide, ce qui obligerait à exercer des efforts de traction considérables pour extraire le lingot continu du moule.
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D9me manière générale? le lingot continu doit sortir du moule par son propre poids afin que les rouleaux prévus à la sortie du moule de coulage en continu jouent plutôt le rôle de rouleaux de support que de rouleaux de traction? car la résistance à la traction de la croûte superficielle solidi- fiée relativement faible aux températures élevées qui entrent en jeu.
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Toutefois? dans le procédé suivant Pinvention9 il est non seule- ment indispensable que la solidification périphérique commence à une faible profondeur au-dessous de la surface supérieure libre du métal en fusion et que
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la croûte superficielle Tit une résistance suffisante à différents types d9ef- forts, mais encore que ladite croûte superficielle soit, en outre, pratique- ment exempte de gaz et non poreuse;, En effet? des pores, voisins de la sur- face? communiquent en règle générale avec 3?air extérieur par des canaux? ce
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qui donne la pssgibilité que les parois de ses pa,;r6 9 oxydent et, lors du travail ultérieur du l1,-llgot", ne se plio pa1"faitement9 ce qui pourrait produire des dans les produits mi-finis obtenus.
La présence
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de bulles de gaz dans la souche périphérique et à 19intérieur du lingot continu complètement solidifié peuvent, en outrer provoquer des liquations préjudiciables,
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de sorte qu'il est nécessaire de conduire égalesient la solidification de Pinté- rieur du lingot continu? et ceci constitue une autre caractéristique de l'invention, de telle manière qu9Ltulcune. bulle de gas importants ne se forme lors de la soJidifi= cation ±1?alec On y parvient? selon l'inven'oioià, en adaptant la solidification finale de 19întérîeur du lingot continu à la teneur en gaz totale de la.
matière coulée c On a constaté le fait surprenant que de 'L'acier non reposé peut être cou- lé en continu à la meate vitesse que de l'acier repose, probableEaent en raison de ce que, seule une petite fraction de la masse totale du lingot continu est soli- difiée dans le moule de coulage en continu, de sorte que les doubles décompositions incontrôlables? qui se produisent avec de l'acier non reposé dans la coulée en co-
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quille classique? entre le carbone, (Puna part? et le protoxyde &Ba'E!ganëscuc!e&c!.%uhe part, ne peuvent plus avoir Àiea.&, eix la,
même intensité? même si par suite nés phénomènes de liquation pr'és'ës'? un enrichissement de la matière en ces corps se produisaient au milieu du lingot continu couléo
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Suivant une caractéristique supplémentaire? ce procède permet? en outre;
, de rendre pratiquement inoffensifs les phénomènes de -liquation ,ce qui est important, non seulement, au point de vue des doubles décompositions précitées mais encore au point de vue de l'obtention de lingots susceptibles de se laisser travailler par déformation dans de bonnes conditions.On a cons- taté, qu'avec des lingots d9acier ou de fer fabriqués suivant 1?invention, par suite de la diminution ou de la neutralisation des liquations, on obtient encore d'autres avantages résidant en ce que les produits mi-finis obtenus, à partir des lingots précités, sont plus inoxidables que d'autres produits mi-finis, obtenus à partir de lingots fabriqués par les procédés de coulage connus antérieurement. Des recherches approfondies dans ce domaine sont en cours mais aucun résultat probant n'est encore connu.
Dans le procédé suivant l'invention les matières premières à couler ont un point de fusion relativement élevé par rapport aux métaux et al- liages traités jusqu9à présent par coulage en continua tel que l'aluminium, le laiton, etc... par suite, il est nécessaire dutiliser pour Inapplication de ce procédép avec des installations existantes, des matériaux extrêmement réfractaires qui sont déjà connus dans la technique des hauts-fourneaux et par exemple, de l'oxyde de zirconium ou zircone pour les ajutages ou les tuyères etc...-pour la coquille du moule on utilise de préférence, le cui- vre.
La surface intérieure de la coquille ne doitde préférence, présenter aucune rainure ou rayure transversale et ne doit être usinée que dans la direction de coulée du lingot continu de plus,elle doit être au moins poncée sinon polie ou chromée,
Dans les dispositifs décrits dans les deux brevets déjà sites une hauteur minimum du moule d'environ 60 cm a donné de bons résultats prati- ques, du fait qu'elle assure une certaine sécurité d'exploitation.
Toutefois? on peut également utiliser des moules plus courts ou plus longs et même des moules sans chemise de refroidissement si 1-'on fait agir le fluide réfrigé- rant sur le moule, par exemple, par aspersion,
Lors de la fabrication d'un boulon d'environ 15 cms de diamètre, dans l'installation décrite dans le second brevet cité,la température de l' aciér atteignait dans le four réchauffeur 1.600,DU,
A 1-'entrée de la coquille,la température de l'eau de refroidissement était de 6 C,et à sa -sortie? de 68 C,avec un débit horaire moyen de 10.000 litres d'eau de refroidissement.
A la sortie de la coquille,, le boulon avait une température d'environ 1.300 C. La tuyère avait un diamètre de 7,2 mm.
L'orifice de coulée de la tuyère était disposé au-dessous de la surface exté- rieure du métal. Le rendement de la coulée atteignait environ 30000 Kgso à 19 heureDans le cas particulier ci-dessus,,pour amoindrir 19 effet calorifi- que dans la zone de la coquille dans laquelle l'acier en fusion arrive tout d'abord, on avait prévu un déplacement alternatif de la coquilles ce qui est connu en soi dans la technique du coulage en continu. La course de la coquil- le était de 28 mm et le nombre de courses par minute,était de douze. Le ren- dement horaire de la coulée dépend de la matière de départ et de ses propri- étés dans une mesure considérable? dans 1-'exemple considéré ce rendement va- riait entre 1.000 et 12.000 Kgs à l'heure.
Etant donné quon peut obtenir dé- jà un tel rendement avec un procédé de coulage dans lequel on coule un seul lingot continu à la fois, il est évident qu'on peut encore augmenter ce ren- dement en effectuant la coulée, ce qui est connu en soi, par plusieurs lin- gots continus à la fois. Ce qui précède a une importance considérable pour l'utilisation de la coulée en continu dans'la fabrication de lingots de fer ou d'acier étant donné que, non seulement, on résoud ainsi la question essen- tielle de savoir si 1?on peut ou non couler en continu de 1?acier avec succès? mais encore le problème de la fabrication en sérier en effet, l'acier affiné par quantités relativement grandes doit pouvoir être coulé dans les limites d' une période déterminée, sous peine de scorification.
La possibilité d'utili- ser le procédé de coulage en continu par plusieurs lingots à la fois élimine,
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pal--ailleurs, les obstacles qui supposaient;, jusqu9à. présents à 3?ixiJ.en- sion du procède de coulée en sontinu à la. fabrication de lingots do fer ou d9acier en grande série'.
Le procéder suivant peut être mis en oeuvre aussi bien d'une manière ininterrompue que par intermittence. Dans le premier cas le découpage du lingot contins obtenu? en tronçons propres à être tra-
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'vailles ultérieurement? s9effectue au moyen diurne sole suspendue équilibrée!) connue en soi et dont le fonctionnement peut être entièrement automatique ou encore par découpage autogène ou d'une autre manière quelconque connue en soi.
-Si-l'on utilise le procédé par intermittence on fabrique des lingots de toutes longueurs désirées qui, toutefois, peuvent encore le cas échéants,
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être déscupéso Être déacupéso Le procédé suivant 19-ân7fenuïon est utilisable, avec avantage 9 d une manière générale)) pour les aciers ordinaires somme pour les aciers spéciaux ainsi que pour des alliages du fer qu3ils soient sujets à la ,liquation,à la fissuration ou nono Au point de vue économique, non seulement le procédé pro- cure 1?avantage que la proportion de rebuts de têtes de lingots est pratique- ment négligeable (on a réalisé une réduction-de cette proportion atteignant 30%)
mais encore une économie en appareils et une augmentation des qualités des produits mi-finis fabriqués à partir de lingots par le procédé suivant l' invention. En particulier, on peut maintenant, grâce au procédé suivant l'in- vention., couler en grande quantité des lingots de gros format qui, sans pas- ser par les gouttières alimentant les lingotières antérieurement utilisées, peuvent être travaillés par déformation avec des machines d'un prix de revient
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moins élevée Par ailleurs, le procédé suivant 19înventîon permet de réduire, dans une mesure très apprêeiable, le prix de revient des coquilles utilisées, par rapport aux procédés de coulage connus.