Guide Expert pour la Conception des Systèmes d'Alimentation en Fonderie Métallique

Cet article vous guide à travers la conception d'un système d'alimentation (gating system) utilisé dans la coulée des métaux.

Conception du Système d'Alimentation

La conception d'un système d'alimentation dépend à la fois de la composition du métal et du moule. Par exemple, une conception élaborée est nécessaire pour éviter les scories (oxydes) dans les métaux facilement oxydables à bas point de fusion comme l'aluminium.

Pour la fonte, en revanche, on privilégie un chemin court pour le métal liquide afin d'éviter une température de coulée trop élevée. La conception pour un moule en céramique diffère considérablement de celle utilisée pour un moule en sable perméable.

Globalement, les conceptions d'alimentation se classent en trois catégories :

• Alimentation verticale
• Alimentation par le bas
• Alimentation horizontale

Alimentation Verticale

Dans l'alimentation verticale, le métal liquide est versé verticalement pour remplir le moule sous pression atmosphérique à la base.

Alimentation par le Bas

L'alimentation par le bas remplit le moule de bas en haut, évitant ainsi les éclaboussures et l'oxydation inhérentes à l'alimentation verticale.

Alimentation Horizontale

Le système d'alimentation horizontale introduit des portions horizontales supplémentaires pour une meilleure distribution du métal liquide avec un minimum de turbulence.

Calcul du Temps de Remplissage

Des calculs simples basés sur les principes de l'écoulement des fluides permettent d'estimer le temps nécessaire pour remplir un moule. L'équation de Bernoulli (bilan énergétique intégré par unité de masse) est utilisée.

En supposant que la pression aux points 1 et 3 est égale (p₁ = p₃) et que le niveau 1 est maintenu constant, la vitesse au point 1 (v₁) est nulle. En négligeant les pertes de charge, le bilan énergétique entre les points 1 et 3 donne la vitesse du jet s'écoulant contre une charge statique h, la charge effective devenant (hₜ – h).

Effet d'Aspiration

Pour un moule en matériau perméable (ex. sable), il faut veiller à ce que la pression n'importe où dans le jet de métal liquide ne descende pas sous la pression atmosphérique. Sinon, les gaz issus de la cuisson des composés organiques du moule pénétreront dans le métal en fusion, produisant des pièces poreuses. C'est l'effet d'aspiration.

En appliquant l'équation de Bernoulli entre les points 2 et 3, on obtient la relation régissant ce phénomène.

Vena Contracta et Changement Brutal de Direction

Un changement brusque de direction d'écoulement crée une zone contractée (vena contracta) à la station 2. Pour éviter la création de vide, le moule doit épouser le profil de la vena contracta. Si le diamètre du canal est d et le diamètre à l'entrée d', le rapport d'/d est maintenu à environ 1,3, soit r ≈ 0,15d.

Dispositifs Courants pour Prévenir les Impuretés

Les éléments suivants sont couramment employés dans la conception d'alimentation (voir Fig. 2.10) :

(i) Bassin de Coulée (Pouring Basin)

Réduit la force érosive du jet de métal provenant du four. Permet aussi de maintenir une charge de coulée constante.

(ii) Filtre / Tamis (Strainer)

Un filtre céramique dans la colonne d'alimentation (sprue) retient les scories.

(iii) Noyau Anti-Éclaboussures (Splash Core)

Un noyau céramique placé au bas de la colonne réduit la force érosive du jet de métal.

(iv) Piège à Scories (Skim Bob)

Piège placé dans le canal horizontal pour empêcher les impuretés lourdes et légères d'entrer dans le moule.

Effets du Frottement et de la Distribution de Vitesse

La vitesse du métal liquide dans la colonne et la grille n'est pas uniforme : elle est nulle au contact des parois et maximale sur l'axe. La distribution dépend de la forme du conduit et du régime d'écoulement (turbulent ou laminaire).

Les pertes de charge réelles, notamment lors de contractions ou élargissements brusques, modifient les équations idéales. Ces facteurs doivent être intégrés pour une conception réaliste.