FR2667002A1

FR2667002A1 - Method and apparatus for casting reactive metals in a mould with a hot upper part

Info

Publication number: FR2667002A1
Application number: FR9111617A
Authority: FR
Inventors: Kittilsen Bjorn; Klovland Jan Ivar; Larsen Ivar Oystein
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1990-09-21
Filing date: 1991-09-20
Publication date: 1992-03-27
Anticipated expiration: 2011-09-20
Also published as: CA2047384A1; NO904127D0; CA2047384C; NO904127L; NO171303C; FR2667002B1; NO171303B

Abstract

Method and apparatus for casting reactive metals in a mould with a hot upper part. To prevent oxidation of the ingot (6) to be obtained, a supplied protective gas is conveyed (9, 11) to the porous refractory material (1) of the upper part of the mould and to any joints. A closed chamber (7) is provided between the hot upper part (1) and a casing (8) in order to receive this protective gas, formed from SF6, possibly mixed with other gases. The mould (2, 5) is cooled by water (4). Application: casting of magnesium and its alloys.

Description

La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la coulée de métaux réactifs, comme le magnésium et les alliages de magnésium, dans des moules à partie supérieure chaude, ce qui s'apparente à, ou est parfois appelé, une coulée en chute directe ou un moulage avec masselotte chaude. The present invention relates to a method and apparatus for the casting of reactive metals, such as magnesium and magnesium alloys, in hot top molds, which is similar to, or is sometimes called, direct falling casting. or a molding with a hot weight.

Le souhait d'une coulée plus rationnelle du magnésium a abouti à modifier la coulée avec refroidissement direct en utilisant une partie supérieure chaude de moule. The desire for a more rational casting of magnesium has resulted in modifying the casting with direct cooling using a hot upper part of the mold.

Cela constitue un procédé couramment utilisé pour la coulée de l'aluminium. On effectue une coulée avec refroidissement direct en fournissant du métal liquide à une extrémité d'un moule, refroidi par de l'eau et présentant une extrémité ouverte. Le métal se solidifie sur les parois de moule, et le produit solidifié est soutiré en continu vers le bas, hors de 1' autre partie du mouler où le "lingot" est soumis à un refroidissement supplémentaire réalisé par refroidissement direct à l'eau.En principe, un moule à partie supérieure chaude consiste en un moule refroidi par de 1' eau et comportant une partie supérieure chaude en une matière céramique isolante, jouant le rôle d'un réservoir de métal à température uniforme (à'masselotte chaude"). Avec la partie supérieure chaude en un matériau céramique, il est possible de réaliser un système de canaux reliés à plusieurs moules, de façon à permettre la coulée simultanée de plusieurs lingots.This is a commonly used process for casting aluminum. Direct cooling is carried out by supplying liquid metal to one end of a mold, cooled by water and having an open end. The metal solidifies on the mold walls, and the solidified product is continuously drawn down, out of the other part of the mold where the "ingot" is subjected to additional cooling carried out by direct cooling with water. In principle, a mold with a hot upper part consists of a mold cooled by water and comprising a hot upper part made of an insulating ceramic material, playing the role of a metal reservoir at uniform temperature ("hot mix"). With the hot upper part made of a ceramic material, it is possible to produce a system of channels connected to several molds, so as to allow the simultaneous casting of several ingots.

Pour obtenir le meilleur produit possible, il est important d'avoir dans le moule un bon équilibre ou un bon bilan thermique. La solidification est déterminée par la conception et la ou les formes géométriques du moule, la vitesse de coulée, la quantité d'eau de refroidissement, la température du métal, le niveau de métal dans le moule et la quantité d'agent lubrifiant devant effectuer une lubrification entre la paroi du moule et le lingot. To obtain the best possible product, it is important to have a good balance or a good thermal balance in the mold. Solidification is determined by the design and geometric shape (s) of the mold, the speed of casting, the amount of cooling water, the temperature of the metal, the level of metal in the mold and the amount of lubricant to be made. lubrication between the mold wall and the ingot.

Le fait que les facteurs ou paramètres de coulée ne soient pas les bons peut conduire à des défauts de la coulée et à une surface défectueuse du lingot coulé. Des défauts de coulée apparaissent également lorsqu'il existe des joints ou liaisons médiocres entre la partie supérieure chaude et le moule proprement dit, et en cas de conception et/ou de forme défavorable du moule. The fact that the casting factors or parameters are not the right ones can lead to casting defects and to a defective surface of the cast ingot. Casting defects also appear when there are poor joints or connections between the hot upper part and the mold itself, and in the event of an unfavorable design and / or shape of the mold.

Quand on réalise une coulée de magnésium avec un dispositif de moule à partie supérieure chaude, on utilise comme partie du système ou appareillage de moulage des matériaux réfractaires poreux ayant une conductivité thermique extrêmement basse. Ce procédé est particulièrement utile pour la coulée de lingots dont le diamètre est égal ou supérieur à 100 mm. Pour que le produit convienne bien pour une extrusion, il est important que ce produit présente une surface lisse uniforme et soit dépourvu de défauts et d'oxyde en surface. Une surface lisse est importante pour la vitesse d'extrusion. Pour des billettes et/ou des lingots en forme de T destinés à servir dans des alliages d'aluminium, il est important que la surface soit bien dépourvue d'oxyde pour éviter une contamination du métal.I1 est important également que la surface ne comporte ni craquelures ni cavités dans lesquelles de l'hu- midité risquerait de pénétrer. La présence d'humidité dans le métal provoquerait une évaporation explosive lorsque le métal est envoye rejoindre de l'aluminium fondu, et cela représente un grave risque pour la sécurité. When a magnesium casting is carried out with a mold device with a hot upper part, porous refractory materials having an extremely low thermal conductivity are used as part of the molding system or apparatus. This process is particularly useful for the casting of ingots whose diameter is equal to or greater than 100 mm. For the product to be suitable for extrusion, it is important that this product has a uniform smooth surface and is free of defects and oxide on the surface. A smooth surface is important for the speed of extrusion. For T-shaped billets and / or ingots intended for use in aluminum alloys, it is important that the surface is free of oxide to avoid contamination of the metal. It is also important that the surface does not have no cracks or cavities into which moisture may enter. Moisture in the metal would cause explosive evaporation when the metal is sent to molten aluminum, and this poses a serious safety risk.

Un essai d'application de ce procédé à du magnésium a cependant donné un produit présentant un revêtement d'oxyde noir et des défauts de la pièce coulée. Cela constitue un problème courant et commun pouvant survenir dans le cas de la coulee traditionnelle de metaux réactifs, comme du magnésium et des alliages de magnésium. La raison de cela peut résider dans l'utilisation de facteurs ou paramètres incorrects pour la coulée. Une trop grande vitesse ou un trop faible refroidissement par de l'eau peuvent entraîner une réaction entre la vapeur d'eau et le magnésium, en raison de l'insuffisance du refroidissement primaire.Une trop grande quantité d'eau, un niveau trop elevé de métal ou une trop faible vitesse de coulée peuvent provoquer une fusion du métal, déjà solidifié, fusion due à un transfert insuffisant de chaleur dans l'intervalle d'air qui se forme entre le moule et le métal lorsque le métal subit un retrait au cours de sa solidification. La raison la plus courante de la présence d'un ou plusieurs oxydes à la surface est que le métal fondu s'oxyde et que l'oxyde est entraîné vers le moule le long de la surface du lingot. An attempt to apply this process to magnesium, however, produced a product with a black oxide coating and defects in the casting. This is a common and common problem which can arise in the traditional casting of reactive metals, such as magnesium and magnesium alloys. The reason for this may lie in the use of incorrect factors or parameters for casting. Too high a speed or too little cooling by water can cause a reaction between water vapor and magnesium, due to insufficient primary cooling. Too much water, too high a level of metal or too low a casting rate can cause the already solidified metal to melt, fusion due to insufficient heat transfer in the air gap that forms between the mold and the metal when the metal shrinks. during its solidification. The most common reason for the presence of one or more oxides on the surface is that the molten metal oxidizes and the oxide is drawn towards the mold along the surface of the ingot.

Pour éviter cella, un procédé couramment utilisé dans l'industrie du magnésium consiste à protéger la surface à l'aide d'un gaz, tel que SF6. Lorsque l'oxygène réagit avec du magnésium fondu, il se forme un oxyde poreux que l'oxy- gène peut traverser, ce qui rend possible la poursuite d'une oxydation supplémentaire. Le rôle de SF6 peut éventuellement s'expliquer par le fait que la molécule de SF6 est absorbée à la surface du ou des oxydes et empêche ainsi l'accès de l'air qui produirait la poursuite d'une oxydation. Le gaz exerce un effet protecteur quand il est présent en une proportion pouvant aller jusqu'à 1 t du mélange dans de l'air. To avoid this, a process commonly used in the magnesium industry consists in protecting the surface using a gas, such as SF6. When oxygen reacts with molten magnesium, a porous oxide is formed which oxygen can pass through, making it possible to continue further oxidation. The role of SF6 can possibly be explained by the fact that the molecule of SF6 is absorbed on the surface of the oxide (s) and thus prevents the access of the air which would produce the continuation of an oxidation. The gas exerts a protective effect when it is present in a proportion of up to 1 t of the mixture in air.

On n'a pas obtenu de meilleur résultat en recouvrant la masse fondue par du SF6 pour éviter une oxydation. On utilise habituellement une huile, dite huile de coulée, pour lubrifier le moule. On a examiné si l'huile utilisée aurait pu contenir éventuellement de l'eau qui aurait provoqué l'altération de couleur, mais cela n'a pas donné de résultats. On a trouvé que l'une des causes des défauts superficiels résidait dans le fait que le revêtement d'oxyde noir adhérait à l'huile et que cela perturbait le processus de solidification. On n'a pas pu améliorer le produit final en faisant varier les paramètres ou facteurs de la coulée ni en consacrant du travail pour essayer de trouver d'autres matériaux étanches à l'air et qui auraient de meilleures tolérances dimensionnelles.Des matériaux plus étanches tendent en outre à présenter une plus grande conductivité thermique et il peut alors s'avérer difficile de maîtriser l'équilibre ou bilan thermique dans le moule. No better result was obtained by covering the melt with SF6 to avoid oxidation. Usually an oil, called casting oil, is used to lubricate the mold. It was examined whether the oil used could possibly contain water which would have caused the color change, but this did not give results. One of the causes of the surface defects has been found to be that the black oxide coating adheres to the oil and that this disrupts the solidification process. We could not improve the final product by varying the parameters or factors of the casting or by devoting work to try to find other materials airtight and which would have better dimensional tolerances. also tend to have greater thermal conductivity and it can then be difficult to control the balance or thermal balance in the mold.

Finalement, on a trouvé que le problème était dû à ce que de l'air était aspiré à travers le matériau poreux de la partie supérieure chaude et à travers la jonction entre la partie supérieure chaude et le moule. Le magnésium est un puissant réducteur. Lorsque le métal s'oxyde, il consomme l'oxygène de l'air et il crée une dépression ou un vide qui s'applique aux matériaux céramiques poreux et provoque une aspiration d'air à travers les pores et toutes les jonctions (autoproduction d'un vide). Cela entraîne la poursuite de l'oxydation et le fait que le lingot que l'on coule va présenter une surface noire. Finally, it was found that the problem was due to the fact that air was sucked through the porous material of the hot top and through the junction between the hot top and the mold. Magnesium is a powerful reducing agent. When the metal oxidizes, it consumes oxygen from the air and it creates a vacuum or vacuum which applies to porous ceramic materials and causes air to be drawn through the pores and all the junctions (self-production of 'a hole). This leads to further oxidation and the fact that the ingot that is poured will have a black surface.

La présente invention a donc pour objet d'empêcher une oxydation du magnésium, avant et pendant sa solidification par coulée avec refroidissement direct et utilisation de matériaux poreux pour la partie supérieure chaude de l'appareillage de coulée. The object of the present invention is therefore to prevent oxidation of magnesium, before and during its solidification by casting with direct cooling and the use of porous materials for the hot upper part of the casting apparatus.

On parvient à ces buts, et à d'autres objets encore de l'invention, grâce au procédé et à l'appareil décrits ci-après. These objects, and still other objects of the invention, are achieved by the method and the apparatus described below.

Une solution possible pour le problème aurait pu consister à recouvrir le matériau par une matière isolante étanche aux gaz et empêchant ainsi le gaz de passer pour se diriger vers le métal. En pratique, cela s'est avéré être difficile, car il n'était pas facile de trouver un matériau convenable pouvant à la fois résister au magnésium, présenter une grande capacité d'isolation thermique et être étanche. A possible solution to the problem could have been to cover the material with a gas-tight insulating material and thus preventing the gas from passing to go towards the metal. In practice, this turned out to be difficult, since it was not easy to find a suitable material which could simultaneously resist magnesium, have a high thermal insulation capacity and be waterproof.

Une autre solution aurait pu consister à rendre étanches les blocs isolants à l'arrière et à enlever le reste de l'air se trouvant dans les pores d'isolation. Another solution could have been to seal the insulating blocks at the rear and to remove the rest of the air present in the insulation pores.

Il a été trouvé que le vide autocréé pourrait servir à résoudre le problème. Une atmosphère de gaz inerte(s)/réducteur(s) placée derrière le matériau de la partie supérieure chaude du moule pourrait jouer le rôle d'un gaz empêchant l'oxydation du magnésium et évitant toute poursuite d'oxydation ou toute oxydation ultérieure. It has been found that the self-created vacuum could serve to solve the problem. An atmosphere of inert gas (s) / reducing agent (s) placed behind the material of the hot upper part of the mold could play the role of a gas preventing the oxidation of magnesium and preventing any further oxidation or any subsequent oxidation.

On a obtenu les meilleurs résultats en utilisant SF6 en une concentration élevée. Une fois les pores saturés, la consommation de gaz pourrait être diminuée. Le système doit être rendu étanche pour éviter la pénétration d'air par des fentes, etc. On a pu ainsi obtenir par coulée un produit métallique présentant une surface lisse, sans altération de sa couleur.Best results have been obtained using SF6 in high concentration. Once the pores are saturated, gas consumption could be reduced. The system must be sealed to prevent air from entering through slots, etc. It was thus possible to obtain by casting a metal product having a smooth surface, without altering its color.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail, à titre illustratif et nullement limitatif, en référence au dessin annexé, sur lequel
la figure 1 montre le système de moule, avant le début de l'opération de moulage ; et
la figure 2 montre le système ou appareil en fonctionnement.The invention will now be described in more detail, by way of illustration and in no way limiting, with reference to the attached drawing, in which
Figure 1 shows the mold system, before the start of the molding operation; and
Figure 2 shows the system or device in operation.

On a trouvé que la meilleure solution au problème d'oxydation consiste à saturer à l'aide d'un gaz protecteur, le matériau de la partie supérieure chaude du moule et des joints ou jonctions correspondants. On peut y parvenir en pratique en introduisant un gaz protecteur tel que
SF6, présent en une concentration élevée, dans la chambre close située entre la partie supérieure chaude du moule et la chemise entourant cette partie supérieure chaude. Lorsque l'air inclus dans la partie supérieure chaude est consommé, le gaz protecteur va être aspiré dans la partie supérieure chaude et dans les organes de jonction ou les joints, à la place de l'air ou avec de l'air, en évitant ainsi toute oxydation ultérieure. La qualité de la surface du métal obtenu par coulée sera améliorée, même si les joints ne sont pas tout à fait étanches.L'exigence de joints tout à fait étanches compliquerait l'entretien de la partie supérieure chaude du moule et du moule lui-même.It has been found that the best solution to the oxidation problem consists in saturating with a protective gas, the material of the hot upper part of the mold and the corresponding seals or junctions. This can be achieved in practice by introducing a protective gas such as
SF6, present in high concentration, in the closed chamber located between the hot upper part of the mold and the jacket surrounding this hot upper part. When the air included in the hot upper part is consumed, the protective gas will be sucked into the hot upper part and into the connecting members or seals, in place of the air or with air, avoiding thus any subsequent oxidation. The quality of the surface of the metal obtained by casting will be improved, even if the seals are not completely leaktight. The requirement for completely leaktight seals would complicate the maintenance of the hot upper part of the mold and of the mold itself. even.

Le gaz protecteur doit être présent en une concentration élevée. Dans les expériences, on a utilisé de l'hexafluorure de soufre SF6. Ce gaz peut également servir dans des mélanges avec du gaz carbonique ou bioxyde de carbone et avec des gaz inertes. On pourrait également utiliser d'autres gaz protecteurs contenant des fluorures, chlorures ou borures présents en une concentration élevée. The shielding gas must be present in a high concentration. In the experiments, sulfur hexafluoride SF6 was used. This gas can also be used in mixtures with carbon dioxide or carbon dioxide and with inert gases. One could also use other protective gases containing fluorides, chlorides or borides present in a high concentration.

La figure 1 montre la structure possible d'un moule comportant une partie supérieure chaude et qui a une couverture formée par du gaz protecteur. La figure 2 montre le même système ou dispositif pendant une opération de coulée. Figure 1 shows the possible structure of a mold having a hot upper part and which has a cover formed by protective gas. Figure 2 shows the same system or device during a casting operation.

Une partie supérieure 1, chaude et isolante, formée d'un matériau réfractaire poreux, est placée au-dessus d'un moule 2 refroidi par de l'eau. Au démarrage, on utilise un bloc 3 de démarrage en acier ou en aluminium. L'eau de refroidissement est dirigée dans le canal 4 de refroidi sement, elle refroidit la paroi 5 du moule, sort du moule et se dirige vers la coquille 6 solidifiée du lingot (figure 2). Le métal est fourni au moule par un système de canaux situé dans la partie supérieure chaude, ou bien par un conduit de transfert, au moule. Dans la chambre 7, entre la partie supérieure chaude 1 et l'enveloppe 8 de cette partie supérieure chaude, est disposé un conduit annulaire perforé 9 entourant la partie supérieure chaude et qui distribue uniformément le gaz protecteur dans la chambre 7.An upper part 1, warm and insulating, formed of a porous refractory material, is placed above a mold 2 cooled by water. At start-up, a steel or aluminum start-up block 3 is used. The cooling water is directed into the cooling channel 4, it cools the wall 5 of the mold, leaves the mold and goes towards the shell 6 solidified of the ingot (FIG. 2). The metal is supplied to the mold by a system of channels located in the hot upper part, or else by a transfer duct, to the mold. In the chamber 7, between the hot upper part 1 and the casing 8 of this hot upper part, is arranged a perforated annular duct 9 surrounding the hot upper part and which uniformly distributes the protective gas in the chamber 7.

Le gaz sera aspiré dans les matériaux réfractaires poreux et les joints et il protègera ainsi le métal fondu, dans la zone de solidification, à l'encontre d'une oxydation. Un couvercle 10 est monté au sommet de la chambre 7 pour empêcher une entrée d'air. Le débit de gaz protecteur est commandé et contrôlé par un débitmètre. Un autre conduit 11 perforé amène du gaz protecteur pour protéger contre l'oxydation la surface 12 de métal fondu.The gas will be sucked into the porous refractory materials and the joints and it will thus protect the molten metal, in the solidification zone, against oxidation. A cover 10 is mounted at the top of the chamber 7 to prevent air entry. The protective gas flow is controlled and controlled by a flow meter. Another perforated conduit 11 supplies protective gas to protect the surface 12 of molten metal from oxidation.

L'exemple non limitatif suivant est destiné à illustrer encore davantage l'invention. The following nonlimiting example is intended to further illustrate the invention.

Exemple
On a coulé un lingot rond (une billette) de magnésium pur, présentant un diamètre de 535 mm, dans un moule à partie supérieure chaude, tel que représenté sur les figures 1 et 2. La vitesse de coulée a été de 60 mm/min et la quantité d'eau de refroidissement représentait 30 m3/h.Example
A round ingot (a billet) of pure magnesium, having a diameter of 535 mm, was poured into a mold with a hot upper part, as shown in FIGS. 1 and 2. The casting speed was 60 mm / min and the amount of cooling water represented 30 m3 / h.

La billette a présenté une surface oxydée noire.The billet presented a black oxidized surface.

On a introduit, derrière le matériau de la partie
3 supérieure chaude, un courant de 2 m /min de SF6 et le revêtement d'oxyde a disparu. Lorsque le matériau réfractaire a été saturé de SF6 et que la chambre 7 située en arrière du moule a été emplie, on a pu réduire à une valeur inférieure à 0,5 dm3/min la quantité de gaz protecteur introduite. We introduced, behind the material of the part
3 upper hot, a current of 2 m / min of SF6 and the oxide coating has disappeared. When the refractory material was saturated with SF6 and the chamber 7 located behind the mold was filled, it was possible to reduce the amount of protective gas introduced to a value less than 0.5 dm3 / min.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé pour couler des matières réactives, notamment du magnésium et des alliages de magnésium, dans un moule à partie supérieure chaude et avec refroidissement direct de la pièce coulée, procédé caractérisé en ce qu'on fournit du gaz protecteur au matériau (1) formant la partie supérieure chaude du dispositif de moulage et aux joints éventuels. 1. Method for casting reactive materials, in particular magnesium and magnesium alloys, in a mold with hot upper part and with direct cooling of the casting, method characterized in that protective gas is supplied to the material (1) forming the hot upper part of the molding device and any seals.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un gaz protecteur est introduit dans une chambre (7) close située derrière le matériau (1) formant la partie supérieure chaude du moule. 2. Method according to claim 1, characterized in that a protective gas is introduced into a closed chamber (7) located behind the material (1) forming the hot upper part of the mold.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le gaz est étalé à l'aide d'un conduit perforé (9). 3. Method according to claim 2, characterized in that the gas is spread using a perforated conduit (9).

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise SF6 comme gaz protecteur, éventuellement en mélange avec d'autres gaz ou bien en ce qu'on utilise des gaz convenables contenant des fluorures, chlorures ou borures. 4. Method according to claim 1, characterized in that SF6 is used as a protective gas, optionally in admixture with other gases or in that suitable gases are used containing fluorides, chlorides or borides.

5. Appareil pour couler, avec une partie supérieure chaude de moule et avec refroidissement direct de la pièce coulée, des métaux réactifs, notamment du magnésium ou des alliages de magnésium, cet appareil comportant une partie supérieure chaude, formée en un matériau (1) réfractaire isolant qui est disposé sur un moule (2) refroidi par de l'eau, 5. Apparatus for casting, with a hot upper part of the mold and with direct cooling of the casting, of reactive metals, in particular magnesium or magnesium alloys, this apparatus comprising a hot upper part, formed of a material (1) insulating refractory which is placed on a mold (2) cooled by water,

appareil caractérisé en ce qu'il comporte une chambre (7) close entre la partie supérieure (1) chaude et une enveloppe (8), pour recevoir la fourniture du gaz protecteur. apparatus characterized in that it comprises a chamber (7) closed between the upper part (1) hot and an envelope (8), to receive the supply of the protective gas.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit (9) annulaire perforé pour la distribution du gaz protecteur. 6. Apparatus according to claim 5, characterized in that it comprises a perforated annular conduit (9) for the distribution of the protective gas.