Brevet FR2010738A1 — publié le 19700220

La présente invention concerne l'affinage de inétaux et vise notamment un appareil et un procédé de dégazage permettant de soumettre sous vide un bain de métal à un chauffage et à un "brassage simultanés. Elle vise notamment l'utilisation combinée de dispo-5 sitifs chauffants à l'arc de plasma sous forte intensité et de champs magnétiques engendrés par courant continu stable et/ou puisé. Dans, l'élaboration de métaux et alliagesj on coule habituellement du métal- fondu d'un four de: fusion dans une "poche d'où on 10 le déverse ensuite dans des moules pour former des lingots. Pour obtenir des pièces moulées ou forgées de haute qualité, on a pris l'habitude depuis quelques années d'exposer dans, la poche le métal fondu à une dépression en vue d'éliminer les inclusions de gaz nocives, notamment d'oxygène, d'azote et d'hydrogène. Pour 15 opérer le dégazage dans la poche, on place la poche et le métal fondu qu'elle contient dans une chambre à vide ou on la recouvre d'une hotte communiquant avec un réseau d' évacuation.. Pendant son temps d'exposition au vide, le métal fondu est de préférence agité soit par des courants d'induction qui le traversent, s'il s'a-20 git d'alliages magnétiques tel qu'acier, soit mécaniquement, par exemple par barbotage de gaz inerte. L'agitation met le métal fondu en mouvement et l'empêche de stagner au-dessous de la colonne statique, ce qui permet d'en dégazer efficacement et à bon compte toutes les fractions. 25 Un autre procédé de dégazage consiste à aspires? " le métal fon du vers le haut de la poche dans une chambre à vide qui surmonte la poche, à travers deux montants creux ou tubes immergés dans le métal fondu. Pour que le métal monte dans l'un des montants, traverse la chambre à vide, puis redes'cende par l'autre montant, il 30 est nécessaire d'établir une différence de charge entre les deux montants, soit par pompage obtenu mécaniquement ou par induction, soit en faisant barboter du gaz à travers le tube de montée. 0e procédé est dit de dégazage par circulation continue., Pour ces deux modes de dégazage, dans la poche ou par cireu-35 lation continue, il est souvent désirable de chauffer le métal fondu en cours de dégazage pour éviter sa solidification prématurée. Ainsi qu'il est bien connu, la fréquence des courants d'induction assurant le brassage du métal fondu, qui ne peut être qu' un métal ou alliage magnétique tel qu'acier, est trop faible (0,5 40 à 1,0 période par seconde) pour assurer un apport de chaleur. BAD ORfGINAL 9 19290 2 2010738 Réciproquement,- la fréquence de courants d'induction communiquant de la chaleur à la masse fondue est incompatible- avec • un. brassage • efficaceî- Par ailleurs, quand on assure l'agitation par. barbotage^ - .dans le cas de métaux non magnétiques et/ou d'aciers,-pour faire 5 apparaître un brassage ou un effet de siphon-dans.la chambre de . dégazage en continu à deux tubes immergés, les garnissages réfrac-■ .taires subissent, à-1'endroit où arrivent les bulles de-gaz, une forte érosion de nature à accélérer leur détérioratioh. . On a dégà .tenté d'utiliser des dispositifs :de -chauffage à 10 l'arc: "électrique comportant .des.électrodes en carbone qui font passer du courant dans le bain. Toutefois, le bouillonnement accusé qui apparaît pendant dégazage sous vide provoque l'immersion •partielle de ces éle_ctrodes en carbone, et la contamination consécutive du bain, ou oblige à placer les électrodes assez loin de 15 la surface du bain pour que leur action devienne nulle. En outre, dans un four du type à arc électrique, il faut uti-liser du courant alternatif, engendrant un champ qui s'inverse continuellement, de sorte qu'il est inapte à déplacer le métal dans un sens donné. 20 En conséquence, la présente invention a pour but de proposer: - un appareil et un. procédé, pour -l'affinage de tous métaux par - chauffage et brassage simultanés imprimés sous, vide à un bain du métal 5 ; - un procédé et un appareil utilisant Un canon à arc de plasma 25 pour l'affinage de métal fondu; ■ ; - un procédé et un appareil permettant, le brassage. et le chauffage sous vide de métaux tant non magnétiques que magnétiques ; - un appareil et un procédé permettant d'agiter électriquement des bains de métal en n'utilisant que du courant continu; JO » un appareil de chauffage et de brassage pour 11 affinage de métal fondu dans lequel un seul générâtexir ou une seule source de courant continu fournit l'énergie d5 alimentation des dispositifs tant de-chauffage que dè brassage; - ■ - un appareil -de dérjasage dans lequel les forces--de -brassage n'im-35'réfractairss qu'-ime -érosion minimale; r_v ■ -■ installation dè chauffage-,r ' de-bracsag'e';et dé-dégazage pour • 1 - affinage dë métaux fondus opéré au fôïSa?, - dans ! uné'-i>ochéfc. ou par circulation" continue dé métal- fQhdu;à 'trave£s--Unè-''chambre- à deux ; tubës. immergés ; * "> 'v -• 40 4 im-appareil'de dégazage à deux tubes immergés'dans lëquël-on BAD ORIGINAL 69 19290 3 2010738 puisse déplacer des métaux fondus non magnétiques sans pompage mécanique ni propulsion par barbotage; - un appareil du genre décrit qu'on puisse réaliser aisément et à bon compte, doté d'une structure robuste et apte à fonctionner 5 très efficacement avec un haut rendement. On va maintenant décrire à titre d'exemples trois modes de réalisation de l'invention, en se- référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la fig. 1 montre en coupe un appareil suivant l'invention 10 pour le chauffage et le dégazage de métal fondu à l'arc de plasma; - la fig. 2 en est une vue en coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1 ; - la fig. 3 en est une vue en coupe suivant la ligne 3-3 de la fig. 1 ; 15 — la fig. 4 montre en coupe un appareil suivant une variante; - la fig. 5 en est une vue en coupe suivant la ligne 5-5 de la fig. 4; - la fig. 6 montre en coupe un appareil suivant une seconde variante. 20 Sur les dessins, sur lesquels les pièces homologues portent sur toutes les figures les mêmes références numériques, on voit nr) appareil pour l'affinage sous vide de métal fondu ,assurant pendant dégazage un chauffage et un brassage. L'appareil représenté sur les fig. 1, 2 et 3 comprend une 25 enveloppe A, formée par une coque 10 qui définit une chambre 12 communiquant avec deux montants creux 14 et 16, dirigés vers le bas. L'enveloppe A est suspendue au-dessus d'un récipient ou poche 18, contenant du métal fondu 20, de manière à ce que des montants tubulaires 14 et 16 plongent dans le bain de métal jusqu'au 30 dessous d'une nappe de laitier 21 flottant à sa surface. La chambre 12, ses montants 14 et 16 et la poche 18 sont garnis de ré-fractaire 16 résistant à l'attaque par le métal fondu chaud. La chambre 12 présente au sommet un conduit ou passage 22 relié à un électeur à vapeur à plusieurs étages, non représenté, destiné à 35 évacuer la chambre 12 jusqu'à y établir -une dépression de l'ordre de 5 à 500 microns de mercure. Sous l'action de la dépression ré-gant dans l'enveloppe A, le métal fondu est aspiré vers le haut dans la chambre 12, à..travers les deux tubes 14 et 16 jusqu'à un niveau déterminé - qui dépend de la dépression établie, de la den-40 sité du métal fondu et de la hauteur à laquelle l'enveloppe est 69 19290 4 2010738 située au-dessus de la poclie 18. Il faut ensuite créer un effet de siphon en établissant une différence de charge entre les deux colonnes statiques de métal fondu contenues dans les tubes afin de déplacer le métal vers le haut dans le tube de montée 14 et 5 vers le bas dans le tube de descente 16. Ce procédé est connu pour le dégazage en continu d'acier fondu. - Suivant l'invention, un dispositif à arc de plasma, désigné par la référence générale B, est monté dans l'enveloppe et projette une colonne de gaz chaud sur la surface du bain de métal 20 10 contenu dans la chambre 12, à la fois pour chauffer le métal et pour le faire traverser par un courant intense. La chaleur fournie par l'arc de plasma maintient le métal fondu à une température déterminée pour l'empêcher de se solidifier pendant qu'il subit en surface le dégazage sous vide. Le courant qui traverse le mé-15 tal fondu y engendre un flux magnétique coopérant avec celui qu'établit un moyen générateur de champ magnétique, désigné par la référence générale G. En donnant au courant, émis par l'arc de plasma B, qui traverse le bain contenu dans la chambre 12 une orientation convena-20 ble par rapport au champ magnétique qu'engendre le moyen 0, on peut déplacer préférentiellement le métal fondu dans le sens voulu pour accroître d'une quantité A h la hauteur de la colonne de métal qui surmonte le montant 16. La force qui intervient pour déplacer le métal est sensiblement déterminée par l'équation : 25 3? = i.l. 0 .sin 0 où : P = force résultante totale i = intensité du courant qui traverse le métal 1 = longueur de conducteur présente dans le champ magnétique 30 P = densité de flux du champ magnétique 0 = inclinaison du champ par rapport au conducteur. Le dispositif à arc de plasma B suivant l'invention n'est représenté que schématiquement, car sa structure et son mode de fonctionnement peuvent varier, l'invention n'étant limitée à au-35 cune structure particulière. Toutefois, on va indiquer les principes de fonctionnement essentiels pour établir les caractéristiques de fonctionnement. D'une manière générale, le dispositif B comprend une enveloppe tubulaire 30 qu'on peut refroidir à l'eau de manière bien connue pour atténuer la haute température defonc-40 tionnement. Le dispositif particulier représenté sur la fig. 1 69 19290 5 2010738 est à transfert d'arc. Une tige-électrode 32 est reliée en cathode à la "borne négative d'un générateur 34-, dont l'autre borne peut être reliée à une anode 36. Du gaz tel_qu'argon arrive par une lumière 38 et un arc non transféré jaillit entre la cathode 5 32 et l'anode-36. Une partie de cet arc frappe 1'émetteur 40 pour le porter à une température d'émission. Quand l'émetteur 40 est assez chaud, on peut augmenter le débit drargon pour former une colonne de gaz à l'intérieur de la chambre. Cette formation est favorisée par un courant-de gaz qui se dégage du métal fondu pré-10 sent.dans le montant 14 sous le seul effet de la dépression. Ensuite, on met en circuit un générateur de courant continu 42, maxt-té entre 11 émetteur 40 et une électrode 44 située dans le montant 14, pour appliquer une tension à-la colonne de gaz 50. Le générateur de courant continu 42, .qui fonctionne sous 50 V environ, en-15 gendre un courant d'environ 2.000 à 10.000 A qui traverse la: colonne de gaz ionisé, puis le métal fondu pour rejoindre l'électrode 44. La température de flamme de la colonne de gaz est d'environ 26.000°K et, sous la dépression indiquée, la longueur de l'arc peut atteindre 1,80 à 2,40 m. 20 L'électrode 44, qu'on voit le mieux sur la.fig. 3, comprend une série de rayons 44a, 44b, 44c et 44d, de préférence en graphite ou acier, qui s'étendent radialement dans le montant 14 ets'ar rêtent sensiblement au ras de la face intérieure du garnissage 15 de ce montant. Des joints convenables pour haute température 46 25 isolent électriquement les rayons de l'électrode de la paroi en acier du montant 14 de l'enveloppe A et interdisent les fuites qui porteraient atteinte à la dépression régnant dans la chambre 12. De l'eau de refroidissement circule dans une couronne creuse 48 qui entoure les extrémités extérieures des rayons 44 et les 30 maintiennent à une température assez modérée pour éviter qu'elles ne fondent dans le bain de métal. _ . . Le canon arc de plasma B est monté dans le couvercle de l'enveloppe A, de préférence de manière à ce que son ajutage de sortie soit situé directement au-dessus du montant 14. Toutefois, 35 quand cette superposition directe est impossible, 11 arc s'incurve vers l'anode. On peut aussi assurer .une déviation électromagnétique. La colonne de gaz. ionisé 50 a une orientation verticale rigoureusement maintenue grâce à la configuration annulaire ou radiale de l'électrode 44. Le courant continu d'environ 8.000 A qui 40 traverse la colonne et, verticalement, le métal fondu fait appa- BAD ORIG'NAL 19290 6 20Î0738 raître une colonne annulaire de lignes de flux magnétique qui présentent dans le métal une orientation polaire déterminée. Ce champ électromagnétique apparaît que le métal fondu soit ou non de l'acier ou un autre métal ou alliage magnétique. -5 Le moyen générateur de champ C coopérant comprend un'noyau en fer doux feuilleté convenable 52j en forme de C ou d'O partiellement ouvert et ses pièces polaires 54 et 56 sont disposées tout près de 11 enveloppe A, immédiatement au-dessus du montant 14-(voir fig. '2). Un générateur de courant continu 58 envoie à travers les 10 enroulements 60 du" courant intense de manière à cé qù-un champ magnétique dense, émanant des piècës polaires 54- et 56, coupe la trajectoire du courant traversant le bain. Des fenêtres 62 et 64-, en acier inoxydable non magnétique convenable, sont encastrées dans l'enveloppe 10 pour laisser le flux atteindre librement le 15 métal fondu quand la coque 10 est en matière magnétique. On peut aussi réaliser l'ensemble de la coque en tin matériau non magnétique robuste pour laisser passer librement les lignes de flux émanant du moyen C. On notera que les divers générateurs 32, 42 et 58, représentés séparément, peuvent être constitués par des pri-20 ses convenablement opérées sur une diode contrôlée ou thyristor. On voit qu1en orientant convenablement les lignes de flux unidirectionnelles coopérantes engendrées par le générateur de champ continu G et par le courant émas-sat de l'arc de plasma 50, on peut faire en sorte que le métal fondu attiré vers le haut 25 dans la chambre 12 se déplace en vague jusqu'au-dessus du montant de descente 1So Le faible écart de hauteurAir amorce un effet de siphon pour faire circuler en continu du métal fondu 20 qui arrive de la" poche 18, monte dans le tube 145 traverse la chambre 12 et r-edescènd dans la poche par le tube 16. on peut ainsi exposer 30 où. continu à la dépression toutes les fractions de métal fondu, lia chaleur fournie par l'arc de plasma B maintient la masse fondue à une température qui l'empêche de se solidifier pendant dégazage. Qïi peut introduire pendant' dégazage" pair- la", trémie 66 des làuitioiis1 constitutives ou autres« Quand lé degazagè~ est terminé, 35 coupe 1 ' aiimenfcafci-o'ii du 'générateur dsàrc de plasma- B et' dti* générateur de champ 0 et l'on interrompt la dépression, de sorte que le "Métal fondu redescend dans la'poché 1S par Ifes dëuxrmontants 14 et 16. On amène: ensuite là poche au-dessifs'dès moules et ; l' on- soulève la quenouille^ 68 pour opérer 1^-"coulée-par^la'buset-40 te 70. ... -■ . : . - . - ' : •. : bad original 69 19290 7 2010738 Les fig. 4 et 5 représentent à titre d'exemple une enveloppe A1 pouvant recevoir l'ensemble d'une poche 72. Cette enveloppe peut comprendre un tronçon inférieur 74- formant un bac dans lequel on descend la poche 72 et qu'on referme ensuite hermétiquement à 5 l'aide d'un couvercle 76; elle peut aussi être un compartiment convenable dans lequel la poche puisse pénétrer en roulant, l'enveloppe extérieure de la poche est de préférence en acier inoxydable ou autre métal non magnétique et le garnissage 80 a au niveau de l'arête inférieure le profil voulu pour que l'intérieur 10 de la poche soit doucement arrondi. Toutefois, la poche peut aussi être en acier au carbone, pourvu qu'elle comporte en face des pôles magnétiques des zones non magnétiques que le champ puisse traverser. On évacue l'air et les autres gaz de l'enveloppe A1 par un tuyau 78 relié à un électeur à vapeur à plusieurs étages 15 ou à un autre groupe d'évacuation convenable. Un dispositif à arc de plasma B1 est monté dans le couvercle 76 de manière à ce que la colonne de plasma qui en émane soit dirigée vers une zone centrale du bain de métal 20. Le canon à plasma B1 comprend un ajutage tubulaire 82 contenant une tige-électro-20 de dirigée suivant son axe et une anode annulaire 86 située contre sa base. On injecte de l'argon dans l'ajutage par une lumière 88. Une source d'alimentation 90 reliée à la cathode 84 et à l'anode 86 fait apparaître entre celles-ci un arc non transféré 92. Au centre de sa base, la poche 72 présente un ensemble d'anodes 94-25 formé d'une série de pointes verticales saillant vers le haut à travers le garnissage 80 et isolées de l'enveloppe. On met en circuit un générateur de courant continu 96 et l'on augmente le débit d'argon injecté dans l'ajutage, quand la dépression établie dans la chambre parvient aux environs de 100 mm, de manière à fai-30 re transférer une colonne de plasma 100 de l'anode 86 au bain de métal 20. Une plaque 98 refroidie par eau maintient les électrodes 94- à température modérée. Un générateur de champ C1 comprend un noyau feuilleté*en fer doux 102, en forme d'U, dont les pièces polaires 104- et 106 s'é-35 tendent dans le même plan que les électrodes 94- et qui est entouré par un enroulement 108 relié aux bornes d'une source de courant continu 110 à travers un rhéostat 112. Le courant engendré par l'arc de plasma et par le champ établi par le générateur de champ magnétique C1 se coupent de manière à ce que la force résul-4-0 tante déplace le métal fondu situé à la base de la poche dans un 69 19290 a 2010738 plan horizontal perpendiculaire à la direction du flux magnétique. En conséquence, le métal fondu se met à rouler à la manière d'une vague en formant une crête au sommet et une dépression à la base de la fig. 5« Ainsi, le métal fondu, magnétique ou non, contenu 5 dans la poche est constamment retourné sens dessus dessous, ce qui expose toutes ses fractions à la dépression de dégazage. Simultanément, le bain reçoit de la chaleur provenant de l'énergie fournie par l'arc de plasma 100. La fig. 6 illustre une autre variante, suivant laquelle l'en-10 veloppe A2 comprend un couvercle en dôme 120 recouvrant une poche 118. On évacue l'air et les gaz par un tuyau supérieur 122 et un canon à plasma B1, monté dans le couvercle 120, projette dans le bain une colonne de gaz ionisé 100 et un courant intense. Gomme précédemment, le générateur de champ magnétique continu OU émet 15 un flux perpendiculaire à la trajectoire empruntée par le courant à travers le bain, de manière à faire rouler et à retourner la masse fondue, comme dans l'exemple décrit à propos des fig. 4- et 5» On peut faire descendre le couvercle 120 sur le rebord de la poche 118 ou faire soulever cette poche sur la plate-forme 128 20 par un vérin hydraulique 126. Comme le montre l'exposé qui précède, on peut imprimer un chauffage, un brassage et un dégazage à une poche et/ou à un appareil de dégazage en continu en introduisant dans le bain de la chaleur et un courant intense à l'aide d'un dispositif à arc de 25 plasma à courant continu et en faisant passer à partir d'une source magnétique à courant continu un flux unidirectionnel perpendiculairement au trajet emprunté par le courant dans le bain. On n'a pas à assurer de brassage mécanique ni de barbotage. On voit aussi que les principes décrits sont applicables au fonctionnemœb 30 de fours, ce qui permet d'imprimer simultanément au métal une fusion et un affinage sous une dépression assurant un dégazage. Bien qu'on ait décrit en détail trois modes de réalisation * de l'invention, on pourra leur apporter diverses modifications et variantes, sans sortir pour cela du cadre de l'invention, défini 35 peœ les revendications ci-après. ËAD ORIGINAL 69 19290 9 2010738 REVENDICATIONS 1. Appareil pour le chauffage, le brassage et le dégazage de métal fondu, du genre comportant une enveloppe destinée à contenir le métal fondu et un moyen permettant d'évacuer les gaz de 5 cette enveloppe pour mettre le métal fondu sous une dépression déterminée, cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif à arc de plasma propre à projeter une colonne de gaz ionisé à haute température sur la. surface du métal fondu pour chauffer ce dernier et pour faire traverser, sensiblement en li-10 gne droit-e, le métal fondu par un courant continu intense, ainsi qu'un moyen engendrant un champ magnétique qui traverse le métal fondu suivant une direction déterminée et coupe la trajectoire empruntée par le courant à travers ce métal, de sorte que,- pendant fonctionnement, le métal fondu tend à se déplacer à l'opposé 15 du plan défini par les directions sécantes du courant continu et du champ magnétique. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les directions du courant et du champ'magnétique sont perpendiculaires entre elles. 20 5» Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la trajectoire du courant est sensiblement verticale et en ce que le flux magnétique est engendré par un électro-aimant à courant contina établissant un champ parallèle à la base de l'enveloppe.- 25 4. Appareil selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le flux magnétique traverse le métal fondu situé près de la base de l'enveloppe. 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe comprend une chambre qui présente deux montants 30 creux dirigés vers le bas pour y aspirer vers le haut du métal fondu jusqu'à un niveau déterminé, quand ledit moyen d'évacuation a fait le vide dans sa partie supérieure, un récipient GOTitenant une flaque de métal fondu dans laquelle plongent les deux montants creux, ledit champ magnétique étant dirigé perpendiculairement au 35 plan contenant les axes desdits montants creux, de-sorte que le métal fondu s'élève davantage dans l'un de ses montants que dans l'autre et se met à circuler à travers la chambre en s'élevant dans le montant soumis à la charge statique la plus faible et en -? BAD ORIGWAL 69 19290 io 2010738 redescendant dans le récipient par l'autre montant. 6. Appareil selon la revendication 5» caractérisé en ce que ledit dispositif à arc de plasma est à transfert d'arc. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que 5 l'une des électrodes de transfert d'arc est reliée à l'intérieur de l'un desdits montants. 8. Appareil selon la revendication-7> caractérisé en ce que ladite électrode de transfert d'arc comprend une série d'éléments conducteurs angulairement espacés qui traversent radialement la 10 paroi dudit premier montant. 9. Appareil selon-la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ladite électrode de transfert d'arc est refroidie à l'eau. 10. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe renferme une poche contenant le métal fondu. 15 11. Appareil selon la revendication 19 caractérisé en ce que ladite enveloppe comporte une poche recouverte par un couvercle étanche amovible. 12. Procédé d'affinage de métal par exposition d'un bain de métal à une dépression,t caractérisé en ce qu'on fait frapper la 20 surface du métal par une colonne de gaz ionisé ou arc de plasma, en ce qu'on fait passer du courant continu de cette colonne à trader s le métal fondu et en ce qu'on fait traverser le métal fondu par un champ magnétique unidirectionnel transversal à la trajectoire rectiligne du courant continu gui traverse le bain. 2~ 13« Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le champ est perpendiculaire au "trajet du courant» 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le champ magnétique est engendré par une source de courant 50B.tilLUo 3t 15« Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le champ magnétique est engendré par la m§me source de courant continu eoa¥iaBoJ®SYersan-"b l'arc de plasma. 16» Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 s.'l% caractérisé en ce qu'on introduit dans le métal fondu des addi- 35 tions constitutives ou autres» BAD ORIGINAL