Brevet FR2132794A1 — publié le 19721124

i 2132794 La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la fabrication de tubes à ailettes à sections de formes compliquées, consistant à élaborer les extrémités d'un moule de façon rationnelle et à introduire uniformément dans ce dernier du métal en fusion, en soumettant ce métal à des vibrations. 5 En général, les tubes utilisés pour des réactions avec de l'ammoniac, de l'hydrogène et des produits pétro-chimiques tels que l'éthylène à hautes températures, aussi bien que ceux qui sont utilisés pour traiter de telles substances que ceux qui sont chauffés de l'extérieur et qui sont traversés de fluides en vue d'effectuer des échanges de chaleur entre gaz et analogues, ont une forme 10 cylindrique. Cependant, on sait par la théorie que les tubes à ailettes sont meilleurs dans les cas exposés ci-dessus, du point de vue du rendement des é-changes thermiques. Du fait que la température de la source de chaleur disposée à l'extérieur devrait de préférence être aussi élevée que possible pour obtenir un rendement thermique élevé, les tubes utilisés à de telles fins sont actuelle-15 ment fabriqués à partir d'alliages à haute teneur d'acier ayant une résistance thermique excellente. Lorsque les tubes à ailettes sont utilisés dans d'autres buts que ceux mentionnés ci-dessus, ils doivent de préférence avoir autant d'ailettes que possible et ces ailettes doivent également être de formes aussi compliquées que possible. Toutefois, il est encore impossible de fabriquer de tels 20 tubes cylindriques en de tels matériaux, et des tubes pourvus d'un grand nombre d'ailettes de formes compliquées à l'aide des procédés existants d'extrusion et autres mis en oeuvre sur des matières de l'état pâteux. Le but de la présente invention est de fournir un procédé et un dispositif permettant la fabrication de tubes à ailettes à sections de formes compliquées 25 et capables d'éliminer les inconvénients ci-dessus. A cet effet, l'invention consiste à utiliser un moule métallique spécial pour élaborer les tubes à ailettes, en prévoyant des ailettes disposées linéairement ou suivant des spirales sur les parois intérieures ou extérieures des tubes à élaborer et dans une direction axiale, en mettant en oeuvre un procédé 30 dit "de fusion par conduction électrique du laitier". ; Lorsqu'un métal en fusion est amené continuement dans le moule, ce métal est soumis à des vibrations, de sorte qu'il peut épouser totalement la forme du moule. Ensuite, le métal en fusion dans le moule est refroidi et solidifié progressivement et en est retiré à l'état de produit fini par le fond du moule. 35 Les procédé et dispositif selon l'invention présentent de nombreux avanta ges quand ils sont mis en oeuvre en tant que moyens pour fabriquer des tubes de réaction et de traitement de produits pétro-chimiques, ou comme tubes d'échan-geurs de chaleur, ou comme tubes d'eau pour chaudières, ou encore comme tubes de chauffage, etc... 40 L'invention est illustrée à titre d'exemple au dessin annexé dans lequel : 72 12377 2 2132794 - les figures 1 à 4 montrent différents exemples du produit obtenu par la mise en oeuvre du procédé et de l'appareil selon la présente invention ; en particulier : - les figures 1 (a) et (b) sont respectivement une section transversale et une section verticale selon la ligne A-A ; - les figures 2 (a) et (b) sont respectivement une section transversale et une section verticale selon la ligne B-B ; - les figures 3 (a) et (b) et les figures 4 (a) et (b) sont respectivement des sections transversales et des vues en élévation ; - la figure 5 (b) est une section verticale d'un dispositif selon l'invention et les figures 5 (a) et (c) sont des sections transversales, respectivement selon la ligne OC- Wet la lign - la figura 6 est une section verticale d'un autre exemple de réalisation ; et, - la figure 7 est un schéma illustrant un procédé pour élaborer un tube à ailettes selon l'invention. On a représenté sur la figure 1 un tube à ailettes 1 ayant une paroi extérieure cylindrique et une paroi intérieure uniformément ondulée, cette dernière étant pourvue de plusieurs ailettes linéaires 1 a, 1 a dans la direction axiale. Celui qui est représenté à la figure 2 est un tube à ailettes 2 comportant une paroi extérieure cylindrique et une paroi intérieure uniformément ondulée, cette dernière étant pourvue d'ailettes spiralées 2 a, 2 a dans la direction de l'axe longitudinal, comme dans le cas du tube 1. A la différence des i^odes de réalisation ci-dessus, le tube représenté à la figure 3 est un tubes à ailettes 3 ayant une paroi intérieure cylindrique et une partie extérieure ondulée, cette dernière étant pourvue d'ailettes linéaires 3 a, 3 a dirigées suivant l'axe longitudinal comme dans le cas des tubes 1 ou 2. Dans le mode de réalisation de la figure 4, qui est une variante de celui représenté à la figure 3, le tube à ailettes 4 comporte des ailettes spiralées 4 a, 4 a sur sa paroi extérieure. La présente invention concerne un procédé et un dispositif destinés à élaborer chacun des tubes à ailettes représentés sur les figures 1 à 4. Les tubes à ailettes des modes de réalisation illustrés sur les figures 1 et 2 de même que ceux illustrés sur les figures 3 et 4 peuvent être fabriqués exactement par le même procédé, mis à part le fait que les moyens pour choisir la forme du moule sont différents. Par suite, le procédé et le dispositif pour fabriquer les tubes 1 et 2 illustrés sur les figures 1 et 2 respectivement, et qui comportent des ailettes intérieures, seront décrits en détail ci-dessous. La figure 5 décrit le dispositif pour élaborer le tube à ailettes 1 compor 72 12377 3 2132794 tant sur ses parois intérieures des ailettes linéaires comme ceci est montré sur la figure 1. Dans la figure 5, la surface extérieure du noyau 6 du moule comporte des ondulations de dimensions adéquates dans la portion de section a-a. La partie de 5 ce noyau de moule 6 allant de la portion de section a-a jusqu'à la portion de section b-b comporte une conicité telle que ladite ondulation disparaît dans la portion de section b-b. La partie suivante du noyau 6, c'est-à-dire de la portion de section b-b-jusqu'à la portion de section c-c est de forme conique , mais ne comporte pas 10 d'ondulation. D'autre part, la partie extérieure du noyau 6 à partir de la portion de section a-a jusqu'à la portion de section a'-a' est de diamètre uniforme et est pourvue d'ondulations permettant aux produits d'être élaborés avec les dimensions désirées dans toutes les sections comprises entre ces portions. La partie du noyau de moule allant de la portion de section a'-a' jusqu'à 15 la portion de section d-d est de forme conique à son extrémité inférieure, comme ceci est montré sur la figure. Comme pour la surface intérieure du moule extérieur 7, la partie allant de la portion de section b-b jusqu'à la portion de section c-c, à son extrémité supérieure, s'accroît progressivement en diamètre vers le sommet. La partie comprise entre la portion de section b-b et la portion 20 de section d-d est uniformément cylindrique, le diamètre intérieur étant adapté à la forme extérieure désirée du produit. Le noyau de moule 6, de même que le moule extérieur 7, sont en cuivre et sont pourvus de conduites d'eau de refroidissement 8. Ces moules 6 et 7 sont disposés coaxialement et sont élaborés de sorte que la section du tube à ailettes 1 25 ayant des ondulations de la forme désirée soit formée par l'espace déterminé entre ces moules 6 et 7. Lesdits moules 6 et 7 sont supportés par des moyens a-déquats à un niveau suffisamment élevé, de façon que l'on puisse produire un tube 1 ayant la longueur désirée, chaque moule gardant sa position relative propre. Par exemple, le moule extérieur 7 est supporté par un organe de support 7a 30 à partir de l'extérieur, et le noyau de moule 6 par la conduite d'eau de refroidissement 8 branchée à son extrémité supérieure centrale. Un tube de départ 9 est disposé à partir de l'extrémité inférieure des moules 6 et 7 dans la section de l'espacement formé entre les moules 6 et 7 qui s'étend dans la partie comprise entre la portion de section a-a et la portion de section b-b. 35 La paroi intérieure dudit tube de départ 9 a la même forme et les mêmes di mensions que celles du produit fini comportant les ailettes ondulées, et est de longueur adéquate. Il convient de disposer ledit tube de départ 9 de telle manière que son extrémité supérieure vienne plus bas que la portion de section b-b. Son extrémité inférieure est entièrement engagéeentre des rouleaux d'extrac-40 tion 10 reliés mécaniquement à un moteur .i'entraînement (non représenté) dis 72 12377 4 2132794 posé en-dessous des moules 6 et 7 et tournant à la vitesse désirée. Entre le moule extérieur 7 et les rouleaux d'extraction 10 sont disposés des vibreurs 11 en un ou plusieurs points de la circonférence du produit. Le laitier fondu 12 (contenant MnO, SiO^, Al^O^, CaF^, etc...) est versé comme cela est montré, dans 5 l'espace trapézoïdal conique formé entre le noyau de moule 6 et le moule extérieur 7 dans la zone comprise entre la portion de section b-b et la portion de section c-c tandis que d'autre part des âectrodes métalliques 5 plongent constamment dans le laitier fondu 12 à la partie supérieure des moules 6 et 7. On utilise six électrodes semblables disposées au-dessus de l'extrémité de 10 la périphérie du produit devant être élaboré et en tenant compte des dimensions dudit produit comme cela est montré dans la figure 5 a. Ces électrodes 5 sont en un matériau très voisin de celui du produit qui doit être élaboré et la forme de leur section est arquée comme cela est montré dans la figure 5 a. Leur épaisseur est pratiquement égale à celle de la distance qui est comprise entre 15 la partie d'épaisseur la plus grande, c'est-à-dire le diamètre extérieur du tube ondulé 1 et le diamètre de son plus petit cercle reliant les crêtes formées par les ondulations. Les électrodes 5 sont suspendues par des moyens adéquats (non représentés) disposés au-dessus d'elles. Comme cela sera décrit plus loin, ces électrodes 5, 5 .... fondent progressivement à partir de leur extrémité in-20 férieure par suite du phénomène de fusion par conduction électrique du laitier, de sorte qu'elles doivent constamment être descendues pour que leurs extrémités soient constamment dans la position représentée dans la figure 5 (a). La source de puissance 13 pour la fusion par conduction électrique du laitier est branchée à la fois sur les électrodes métalliques 5 et sur le tube de départ 9, de façon 25 à fournir la puissance électrique nécessaire au moulage. Les conducteurs 1 à 1. relient la source de puissance 13 à chaque électro-1 6 de 5. Les liaisons à 1,. de ces conducteurs n'ont pas été représentés sur la figure. La figure 6 montre le dispositif pour l'élaboration de ce tube à ailettes 2 30 * ayant des ailettes en spirale sur sa paroi intérieure, comme cela est montré sur la figure 2. Ce dispositif est d'une construction pratiquement semblable à celle du dispositif prévu pour la fabrication d'un tube à ailettes 1 qui a des ailettes linéaires sur sa paroi interne, dispositif montré sur la figure 5. Par suite, les organes constitutifs de ce dispositif qui sont communs avec 35 le dispositif représenté sur la figure 5 seront désignés par les mêmes références. La différence de structure existant entre les deux dispositifs réside dans le fait que le noyau de moule 6 comporte dans ce cas des ondulations en spirale et est élaboré de façon à permettre au tube de départ 9 et au produit disposé au-dessus d'être extraits tout en étant soumis à une rotation. Par suite, ce 40 dispositif comporte un mécanisme de rotation comportant une table rotative 14, 72 12377 5 2132794 un engrenage de réduction 15, un moteur d'entraînement 16 et un bâti d'extraction 17 pour tirer le produit vers le bas avec une vitesse adaptée à la vitesse d'extraction. Les tubes à ailettes 3 et 4 comportant des ondulations sur leur paroi extérieure, comme cela est montré dans les figures 3 et 4 peuvent être chacun éla-borëspar le procédé illustré sur les figures 5 et 6 en mettant en oeuvre un noyau de moulage 6 ayant une forme cylindrique et un moule extérieur 7 comportant des ondulations sur sa paroi intérieure. Dans les dispositifs représentés sur les figures 5 et 6, un moyen de refroidissement, par exemple de l'eau, s'écoule dans les conduites de refroidissement 8 dans la direction représentée par les flèches. La figure 7 illustre un procédé de moulage de tubes à ailettes élaborés par un procédé selon 1'invention et représentés sur les figures 5 et 6, le tube 1 comportant des ailettes sur sa paroi intérieure, comme cela est montré sur la figure 1 à titre d'exemple. Tout d'abord quand la source de puissance pour la fusion (13) par conduction électrique du laitier est branchée sur chaque électrode métallique 5 et sur un tube de départ 9, comme cela est illustré sur la figure 5 (b), le courant traverse le laitier fondu 12. Ensuite, la chaleur engendrée par la résistance électrique du laitier 12 produit le phéncmëne dit de fusion par conduction électrique du laitier, ce qui produit la fusion des extrémités de chaque électrode 5 en déposant des goiltelettes tombant à travers le laitier fondu 12 vers l'extrémité supérieure du tube de départ 9. Dans ce cas, l'extrémité supérieure du tube de départ 9 et sa partie adjacente fondent également. Ainsi, les gouttelettes s'accumulent en formant des masses de fusion 18 a et 18 b entre la portion de section a-a et la portion de section b-b en prenant les formes qui y sont représentées. En d'autres termes, le métal fondu 18 a forme une masse fondue entre la par tie du noyau de moulage 6 qui correspond au diamètre maximum des ondulations sur la paroi intérieure du produit et le moule extérieur 7, tandis que le matai 18 b forme une masse en fusion entre la partie du noyau du moulage qui correspond au diamètre minimum des ondulations sur la paroi intérieure du produit et le moule extérieur 7. Etant donné que chaque masse fondue s'accroît progressivement en vclmie, le tube de départ 9 est extrait vers le bas à une vitesse contrôlée prédéterminée au moyen de rouleaux d'extraction 10 ou du mécanisme rotatif d'extrac tion. Alors, l'espace compris entre la portion de section a-a et la portion de section b-b, défini par le noyau de moulage 6 et le moule extérieur 7, est complètement rempli avec du métal fondu dans toutes ses sections. Cependant, il est pratiquement impossible de faire tomber les goittelettes des électrodes 5 uniformément dans chaque angle de toutes les sections. Pour cette raison, il est nécessaire d'appliquer une force vibratoire d'une 72 12377 6 2132794 amplitude déterminée sur le métal à l'état liquide, au moyen de vibreurs 11. Comme les vibrations régulières produites par les vibreurs 11 se propagent dans la masse en fusion 18 à travers le tube de départ 9, les goutelettes emplissent complètement les crêtes et les creux des ondulations du noyau de mou-5 lage 6, de façon uniforme. Grâce à ce mode de fonctionnement, le tube 1 comportant des ailettes intérieures est extrait vers le bas lorsque les rouleaux d'extraction 10 tournent. Dans ce cas, le noyau de moulage 6 aussi bien que le moule extérieur 7 sont refroidis par l'eau traversant les conduites de refroidissement 8 qui sont prévues 10 à l'intérieur de ceux-ci de telle sorte que la température du métal fondu 18 soit basse à proximité des éléments 6 et 7 et plus élevée vers le milieu de l'espace compris entre eux. Du fait que le laitier fondu 12 a un point de solidification plus élevé que celui du métal fondu 18, le premier nommé passe d'une phase fluide à une phase gazeuse à proximité de la portion de section b-b, lorsqu'il entre 15 en contact avec les éléments du moule 6 et 7 constituant ainsi une paroi isolante entre chacun de ces éléments des moules 6 et 7 et le métal fondu 18. Simultanément, ledit métal pâteux pénètre entre le métal fondu ou semi-so-lidifié et chaque élément de moule, du fait de la différence de tension superficielle, et y forme une enveloppe de laitier 19. Cette enveloppe de laitier 19 20 empêche que les éléments des moules soient endommagés lorsque le métal solidifié est extrait. Autrement dit, il sert de lubrifiant pour l'extraction avec frottement réduit du métal solide de dimensions désirées formant le produit. Les masses métalliques en fusion 18 a et 18 b forment une couche de liaison contre le laitier fondu 12 à proximité de la section b-b, de façon à ce qu'elles 25 soient séparées elles-mêmes de ce laitier dans leur partie supérieure et inférieure. Le métal fondu formant cette section horizontale emplit complètement chaque angle des éléments des moules 6 et 7, par suite des vibrations et est refroidi par l'eau traversant les conduites 8 à l'intérieur desdits éléments de moules à travers l'enveloppe de laitier 19. En même temps, ladite masse de mé-30 tal fondu 18 est refroidie également par le métal froid déjà solidifié au-des-sous d'elle et prend la forme dont la section est représentée dans la figure 7. Pour ce qui est de la structure microscopique du métal formé entre les éléments de mouje 6 et 7, des cristaux allongés 20 se développent à partir des deux côtés solidifiés vers la partie centrale laquelle correspond à la masse en 35 fusion 18. S'il y a des impuretés dans le métal fondu et s'il est solidifié par des procédés classiques, ces impuretés s'accumulent à l'extrémité de chacun de ces cristaux allongés. Toutefois, dans le cas du moulage selon l'invention, de telles impuretés, si elles existent, s'accumulent à l'extrémité des cristaux allongés et fondent à nouveau dans la masse de métal en fusion 18. Etant donné 40 qu'elles flottent sur la surface de métal fondu du fait de leur poids spécifi 72 12377 7 2132794 que moindre et qu'elles se meuvent dans le laitier fondu 12, le produit fini peut être forme uniquement d'un métal solidifié de grande pureté. De plus, selon une autre caractéristique de l'invention, le processus de solidification continu du métal fondu se distingue par le fait que la masselot-te de moulage n'est pas seulement toujours présente de façon continue, mais a-git aussi sur chaque petite masse de métal fondu de façon permanente. Par conséquent, le produit ainsi fabriqué ne présente pas de défauts tels que soufflures, évidements de retrait et inclusions de laitier et d'impuretés. Il est également possible de rendre la résistance uniforme en direction axiale longitudinale, de même qu'en direction circonférentielle ou dans le sens de l'épaisseur, en moulant le métal fondu avec lesdits cristaux allongés directement vers le centre en forme de V inversé, comme cela est montré dans la figure 7. Il est en outre possible de produire uniformément des cristaux en grains dans toute l'épaisseur du tube du fait que de nombreux noyaux cristallins peuvent être formés dans le métal fondu par suite de la vibration à laquelle ce dernier est soumis. 72 12377 8 2132794 REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication de tubes à ailettes à sections de formes compliquées mettant en oeuvre le procédé dit de fusion par conduction électrique du laitier, caractérisé en ce qu'il consiste à verser continuellement un métal fon- 5 du dans un moule spécial adapté aux formes des tubes désirés, à exercer des vibrations sur ledit métal fondu pour que celui-ci emplisse complètement l'espace libre prévu dans le moule, à refroidir et à solidifier ledit métal fondu et à extraire le produit à l'extrémité inférieure dudit moule. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que Mit moule spé- 10 cial comporte un noyau de moulage et un moule extérieur adaptés à former des tubes ayant des ailettes disposées linéairement ou suivant des spirales en direction axiale sur leurs parois intérieure ou extérieure. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit noyau de moulage et ledit moule extérieur sont pourvus de moyens de refroidissement tels 15 que de l'eau les traversant. 4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fabrication de tubes pourvus d'ailettes en spirales est obtenue en envoyant le produit dans l'extrémité inférieure dudit moule tout en faisant tourner le produit. 20 5.- Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes et pour élaborer des tubes à ailettes à sections de formes compliquéas, caractérisé en ce qu'il comporte notamment des éléments de moule de formes adaptées à élaborer des tubes ayant des ailettes disposées linéairement ou en spirale en direction axiale sur leurs parois intérieure ou 25 extérieure pour la mise en oeuvre d'un procédé dit de fusion par conduction électrique du laitier, des moyens pour verser continuellement un métal fondu dans l'espace compris entre lesdits éléments de moule, des moyens adaptés à exercer des vibrations sur ledit métal fondu et des moyens pour refroidir et solidifier ce métal fondu tandis qu'il emplit uniformément la forme particulière déterminée 30 par lesdits éléments de moule, et à extraire le produit à l'extrémité inférieure desdits éléments de moule. 6.- Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits éléments de moule sont constitués par ui noyau de moulage et par un moule extérieur de forme adaptée à élaborer les tubes désirés et traversés de passages permettant 35 l'écoulement d'un moyen de refioidissement tel que de l'eau. 7.- Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour exercer des vibrations sur ledit métal fondu comportent au moins un vibreur disposé entre l'extrémité inférieure desdits éléments de moule et les moyens extrayant le métal solidifié formant le produit fini. 40 8.- Dispositif selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que pour 72 12377 9 2132794 conférer au noyau de moulage la forme correspondant aux ailettes du produit à fabriquer, ledit noyau de moulage possède un diamètre maximum dans la zone comprise entre la portion de section a-a et la portion de section a'-a', les crêtes desdites ailettes étant erfilées de façon adéquate dans la zone allant de la portion 5 de section a-a à la portion b-b et cessant à la section b-b, la zone allant de la portion de section b-b à la portion de section c-c étant effilée de façon pratiquement équivalente, de façon à élaborer une forme trapézoïdale cylindrique. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8-, caractérisé en ce qu'un tube de départ est introduit dans lesdits éléments de moulage. 10 1C.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que pour fabriquer des tubes ayant des ailettes disposées en spirale, ledit moyen pour extraire le produit de l'extrémité inférieure desdits éléments de moule tout en faisant tourner ledit produit fini, comporte un mécanisme de rotation comprenant une table rotative, un engrenage réducteur, un organe d'en-15 traînement et une base d'extraction pour provoquer la descente du produit a une vitesse adaptée à la vitesse d'extraction. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que ledit moyen pour introduire du métal fondu dans l'espace compris entre lesdits éléments de moule comporte un laitier fondu maintenu à proximité de 20 l'extrémité supérieure des éléments et des électrodes métalliques immergées dans ledit laitier et s'étendant au-dessus des éléments. 12.- Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les élfev. trodes métalliques ont chacune une section en forme arquée. 13.- Dispositif selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'il 25 comporte des moyens pour provoquer l'avance de chaque électrode dans ledit laitier fondu lorsque les électrodes fondent par suite du phénomène dit de fusion par conduction électrique du laitier.