Brevet FR2130356A1 — publié le 19721103

On a utilisé le chauffage par induction pour fondre électriquement des métaux conducteurs qui sont généralement contenus dans un creuset ou un autre récipient placé à l'intérieur des spires d'une bobine de chauffage par induction. Le 5 récipient est généralement en oxyde réfractaire ou en céramique ne réagissant pas avec le métal en fusion pour éviter une altération du produit final. On sait également fondre des métaux conducteurs par chauffage par induction en disposant plusieurs bobines d'induction alignées le long d'un axe vertical et en 1o ménageant entre elles un intervalle dans lequel une masse du métal conducteur est suspendue pendant la fusion, ce qui évite d'utiliser un récipient pour contenir le métal. L'intensité du champ magnétique nécessaire pour suspendre le métal conducteur dans ce dernier procédé a eu cependant pour effet d'empêcher son 15 application à grande échelle. Les procédés actuels de coulée en coquille de métaux tels que l'aluminiums le magnésium, le cuivre et le fer ainsi que des alliages de ces métaux consistent à distribuer du métal en fusion dans une machine de coulée par des moyens manuels à 2o partir d'une poche,et il en résulte fréquemment des débordements de métal ainsi qu'une non-uniformité de la coulée. La fréquence des cycles de distribution de métal dans une machine de coulée en coquille varie également avec la coulée manuelle en poche, ce qui peut altérer la qualité du produit final. XI serait égale— 25 ment intéressant, dans un but de sécurité, d'éviter la manutention par l'homme de métal en fusion en faveur d'une distribution automatique du métal dans les dispositifs de moulage. L'invention concerne un appareil de distribution automatique de quantités déterminées d'un métal en fusion à partir 3o d'un réservoir chauffé par un four à induction et qui peut comporter des moyens pour recharger le réservoir en matière brute pendant la marche du four. Le réservoir est placé dans les spires d'une bobine de chauffage par induction de telle sorte qu'un champ magnétique produit par la bobine fasse monter le niveau 35 du métal en fusion à partir de la valeur nominale de service lorsqu'on augmente l'énergie électrique fournie à la bobine d'induction en vue de la coulée du métal en fusion dans une chambre de distribution qui est en communication avec le réservoir . 72 09325 2 2130356 Il est prévu des moyens de décharge pour distribuer le métal en fusion à partir de l'appareil lorsque la chambre de distribution a été remplie de métal en fusion. On utilise dans l'appareil des moyens classiques de chauffage par induction présentant une 5 puissance dépassant suffisamment celle nécessaire pour fondre la quantité de métal conducteur se trouvant dans le réservoir pour créer le champ magnétique assurant la coulée du métal en fusion dans la chambre de distribution. Dans un mode préféré de réalisation de l'inventions 1o l'appareil comprend un récipient en zircone moulé, placé à l'intérieur des spires d'une bobine hélicoïdale d'induction dont l'axe de symétrie est vertical et est confondu avec celui du récipient réfractaire dans lequel est placé un tube de distribution en zircone qui est centré sur l'axe de symétrie vertical 15 de la bobine de chauffage et qui est, par conséquent, disposé concentriquement au récipient. On choisit la longueur du tube de distribution de telle sorte que son extrémité supérieure soit située au dessus du niveau normal du métal en fusion dans le récipient et ledit tube comporte à son extrémité inférieure un 2o orifice associé à une tige d'obturation rétractile en matériau réfractaire de façon à permettre la décharge du métal en fusion après remplissage du tube. Dans un mode différent de réalisation de l'invention, l'appareil peut comporter des moyens de mesure automatique de 25 niveau du métal en fusion dans le réservoir ainsi que des moyens pour retirer la chambre de distribution de l'appareil afin de vider le réservoir lorsqu'on désire interrompre la marche du four. Plus particulièrement, il est avantageux de prévoir dans l'appareil des moyens de détection automatique pour déterminer 3o le niveau normal du métal en fusion dans le réservoir et pour s'assurer à tous moments qu'on dispose d'une quantité suffisante de métal pour remplir entièrement la chambre de distribution et pour décharger une quantité déterminée de métal» Bien qu'une telle détermination puisse être effectuée visuellement en mena— 35 géant une fenêtre d'observation en communication avec le réservoir de métal en fusion, il est encore préférable d'effectuer cette opération automatiquement en vue d'automatiser complètement la marche de l'appareil. Bien qu'il soit également évident 72 09325 3 2130356 qu'une automatisation complète puisse être obtenue en déterminant simplement la capacité du réservoir de façon qu'il puisse effectuer un nombre donné de décharges suivies par un rechargement du réservoir et par une répétition du cycle de décharge 5. il 5 est encore préférable de prévoir dans l'appareil des moyens automatiques de détection de niveau en vue d'obtenir une plus grande fiabilité» Les moyens supplémentaires prévus pour enlever la chambre de distribution avant la solidification du métal en fusion dans le réservoir permettent de réutiliser les éléments 1o au cours d'une opération ultérieure. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : 15 La FIG. 1 est une coupe verticale d'un mode préféré de réalisation de l'appareil de distribution de métal suivant l'invention ; La FIG. 2 est également une coupe verticale d'un autre mode de réalisation de l'appareil de l'invention. 2o L'invention concerne un appareil à l'aide duquel du métal en fusion peut être distribué dans divers dispositifs de moulage parmi lesquels des moules, une machine de coulée en coquille ou des cylindres de moulage, de manière qu'une quantité déterminée de métal en fusion soit déchargée à chaque fois de 25 l'appareil. On évite ainsi les différentes formes d'insécurité de marche associées à la coulée manuelle d'un métal en fusion contenu dans une poche et il est en outre possible de commander la coulée de façon automatique» L'appareil suivant l'invention est particulièrement approprié pour la coulée en coquille de 3o métaux ferreux qui, du fait des températures extrêmement élevées de coulée de ces métaux, est sujette à un certain nombre de difficultés sérieuses résultant de la corrosion et de l'attaque thermique des matériaux employés pour le transfert du métal en fusion du four à la coquille. Pour atténuer les problèmes men-35 tionnés plus haut et d'autres ayant trait à la coulée de métal en fusion,notamment de métaux ferreux, on a mis au point suivant l'invention un appareil qui ne dépend pas de l'efficacité ou de la dextérité d'un opérateur humain assurant la coulée manuelle du métal. 72 09325 u 2130356 Sur la FIG. 1, on a représenté en coupe verticale un appareil qui comprend un four chauffé par induction de manière à fondre une quantité de métal contenue dans un récipient en forme de creuset et pourvu de moyens assurant la décharge du 5 métal en fusion dans un dispositif de moulage placé à distance. La chambre de distribution à partir de laquelle on décharge du métal en fusion est placée au centre du creuset de sorte que, lorsque le niveau du métal en fusion monte dans ce récipient sous l'influence d'une augmentation du champ magnétique produit 1o par la bobine de chauffage, il se produit un débordement uniforme du métal dans le dispositif de distribution. La position centrale du dispositif de distribution par rapport au réservoir permet d'obtenir en outre une température uniforme au sein du métal en fusion pendant l'opération de coulée. En conséquence, 15 l'appareil de distribution de métal en fusion 10 correspondant à un mode préféré de réalisation de l'invention est pourvu d'un carter extérieur 12 qui a la forme d'un cylindre vertical fermé comportant une partie supérieure amovible 1k et une partie inférieure 16 pourvue d'un orifice de sortie 18 disposé au centre. 2o La partie supérieure 14 est fixée de façon démontable sur le carter extérieur afin de faciliter l'accès à l'intérieur du réservoir de l'appareil en vue d'une réparation ou d'un remplacement des composants de ce dernier. Le carter extérieur est en matériau réfractaire non métallique tel que de l'amiante du 25 fait qu'il est placé à proximité étroite de la bobine d'induction et que celle-ci produirait un couplage indésirable si on utilisait un métal ou une autre matière réceptive. D'autre part, il est à noter qu'on peut utiliser un carter métallique à condition qu'il soit placé à une assez grande distance de la bobine 3o ou bien qu'il soit protégé du champ d'induction par un écran. Un creuset 20 en zircone moulé est placé concentriquement et à l'intérieur du carter extérieur et il est centré sur l'axe de symétrie vertical de l'appareil de manière à former un intervalle annulaire 22 entre sa paroi extérieure et la paroi inté— 35 rieure du carter extérieur. L'intervalle annulaire peut être occupé par un gaz inerte qui empêche une altération du métal en fusion par l'atmosphère environnante. Une bobine de chauffage par induction classique 2k, refroidie par eau, est noyée dans 72 09325 5 2130356 la paroi extérieure 5 du creuset 20 de façon à chauffer avec un rendement optimal le contenu du four, la bobine étant centrée sur ledit axe vertical de symétrie. Des fils d'alimentation en courant 26 et 27 sont reliés à la bobine de chauffage et ils 5 partent d'un générateur haute—fréquence 28 de puissance électrique suffisante pour faire monter le niveau normal de la charge métallique se trouvant dans le creuset à une hauteur qui fait déborder le métal dans le dispositif de distribution de l'appareil suivant l'invention. Des moyens de réglage de la 1o puissance sont reliés au générateur haute—fréquence 28 de façon à faire varier la puissance électrique appliquée à la bobine de chauffage, lesdits moyens de réglage pouvant comporter un circuit à résistance classique 29, tel qu'une commande du type à rhéostat représentée sous une forme synoptique sur la FIG. 1 » 15 Le creuset 20 prévu dans l'appareil comprend un couvercle amovible 30. et un corps 30' reposant sur la partie inférieure 16 du carter extérieur 12. Une ouverture centrale 32 ménagée dans la base du corps 30' reçoit un manchon 33 en matérieu réfractaire qui constitue un support pour le dispositif de distribu— 2o tion utilisé pour décharger le métal en fusion de l'appareil. Ce manchon comprend en outre un dispositif du type soupape qui sera décrit plus complètement dans la suite en référence au dispositif de distribution de l'appareil. Un tube réfractaire Jk est monté sur un épaulement 31 du manchon 33 de façon à for-25 mer un joint d'étanchéité empêchant un écoulement du métal en fusion hors du creuset excepté lorsqu'on actionne une tige d'obturation en matériau réfractaire 36, cette tige s'appliquant sur le siège prévu dans le manchon réfractaire. Les moyens de distribution de métal en fusion à partir de l'appareil compren— 3o rient un tube réfractaire 3k pourvu d'une extrémité supérieure 38 d'introduction du métal en fusion provenant du creuset 20 et d'une extrémité inférieure ko qui se termine par un orifice k2. La pointe de la tige 36 obture l'orifice k2 en s'appuyant sur un siège correspondant ménagé dans le manchon 33 à moins qu'on 35 ne tire la tige vers le haut. Un intervalle annulaire kk existant entre la surface extérieure de la tige 36 et la surface intérieure du tube réfractaire 3k définit le volume de métal en fusion qui est déchargé de l'appareil lorsque la pointe k6 de la 72 09325 6 2130356 tige est écartée de la surface correspondante 48 du siège prévue dans le manchon. La tige mobile 36 est tirée verticalement à l'aide d'un vérin pneumatique 50 associé qui est relié à l'extrémité supérieure de la tige par des moyens de levage 52 5 classiques et qui comprend en outre un contrepoids 5k exerçant une force mécanique dirigée vers le bas sur la tige afin d'empêcher une décharge non intentionnelle de métal en fusion. Le contrepoids $k est en contact glissant avec lé manchon 56 qui est fixé sur la partie supérieure 14 du carter exté-1o rieur. Le couvercle 30 du creuset est appliqué contre le bord supérieur du corps 30' du creuset par serrage des vis 58 qui agissent sur una bague torique d'étanchéité 60. On a également prévu dans la partie. supérieure 14 du carter un orifice de chargement 62 pour introduire du métal solide à fondre directement 15 à l'intérieur du creuset pendant la marche du four, cet orifice étant maintenu fermé, lorsqu'on n'ajoute pas de matière première, à l'aide d'un couvercle d'orifice 6k comportant un voyant 66 permettant un contrôle visuel du niveau de liquide à l'intérieur du creuset.Comme indiqué plus haut, 1'étanchéité du creuset 2o empêche une pénétration de l'atmosphère ambiante et évite des oxydations du métal, en fusion qui altéreraient la pureté du métal final. La tubulure de chargement peut être fixée par des moyens classiques sur la partie supérieure 14 ou bien elle peut être fixée dans un trou ménagé dans celle-ci de façon à établir 25 une communication avec le couvercle 30 du creuset. Il est en outre prévu au travers de la partie supérieure 14 et du couvercle 30 du creuset un conduit de gaz inerte 68 qui peut être'constitué par un tuyau d'entrée 70 reliant l'intérieur du creuset à une source du gaz particulier utilisé (non représentée). Le gaz 3o est introduit sous une pression supérieure à la pression ambiante et il joue le rôle d'un joint d'étanchéité empêchant l'entrée d'air dans l'appareil par d'autres orifices. En fonctionnement, on place une charge de métal solide à fondre à l'intérieur du creuset "J2 et on chauffe par application 35 d'un courant électrique à la bobine d'induction qui est située sur la paroi extérieure dudit creuset. Pour mieux se rendre compte de l'efficacité de fonctionnement de cet appareil avec un métal ferreux, on a pu placer dans un creuset en zircone d'un COPY 72 09325 7 2130356 diamètre intérieur de 267 mm et d'une profondeur de 305 mm une charge de k5 kg de mitraille d'acier qui a été fondue rapidement et uniformément en environ 30 minutes en fournissant une puissance d'environ 25-30 kW à la bobine d'induction alimentée 5 par un générateur haute—fréquence de 100 kW. Lors de la fusion du métal ferreux, la puissance électrique fournie à la bobine d'induction a augmenté jusqu'à environ 100 kW ; il s'est alors produit une action de brassage du métal en fusion et le niveau du liquide a augmenté jusqu'à une hauteur où il a dépassé 1'ex— 1o trémité d'entrée du tube de distribution 3^- en zircone. Du fait que l'axe longitudinal central du tube de distribution est confondu avec l'axe vertical de symétrie de l'appareil, il a été possible de remplir rapidement tout l'espace annulaire libre disponible kk du tube de distribution avec du métal en fusion 15 et de maintenir la température de la quantité déterminée de métal se.trouvant dans le tube à la même température que celle du métal en fusion se trouvant dans le creuset jusqu'à ce qu'il soit déchargé de l'appareil. On a réduit la puissance électrique fournie à la bobine d'induction après que le tube de distribu-2o tion a été rempli à un niveau suffisant pour maintenir en fusion le bain principal de métal situé dans le creuset. En choisis— » sant le zircone pour la fabrication du creuset et de la chambre de distribution de l'appareil décrit plus haut, on peut obtenir un avantage de fonctionnement du fait que "cette céramique n'est 25 pas mouillée par l'acier en fusion. Plus particulièrement, les forces de tension superficielle se produisant à l'interface entre le métal en fusion et l'orifice du dispositif de distribution sont suffisantes, tant qu'il ne se produit pas de mouillage, pour empêcher le métal en fusion de fuir de l'appareil. Des for— 3o ces de tension superficielle supplémentaires se produisant à l'interface entre l'extrémité supérieure du tube réfractaire de distribution et le niveau supérieur de la masse de métal en fusion se trouvant dans le creuset contribuent également à empêcher un débordement intempestif de métal dans le tube, excepté 35 à des périodes déterminées où on désire décharger du métal en fusion de l'appareil. Lesdites forces permettent également de réduire la différence de niveau entre l'extrémité supérieure du tube de distribution et le niveau normal de la masse de métal en 00PY 72 09325 8 2130356 fusion se trouvant dans le creuset en vue d'améliorer la sécurité de fonctionnement de l'appareil. Dans un mode différent de réalisation de l'appareil, représenté par la coupe verticale de la FIG. 2, il est prévu 5 des moyens pour mesurer automatiquement le niveau du métal en fusion dans le réservoir ainsi que des moyens pour enlever les composants du tube de distribution pendant que le métal en fusion reste dans le réservoir. Ainsi l'appareil de distribution de métal en fusion 72 comprend un carter extérieur "jk en maté— 1o riau réfractaire non métallique et comportant une partie verticale cylindrique 76 obturée par un couvercle supérieur "J8 et un couvercle inférieur 80s tous ces composants étant maintenus assemblés par des tirants 82 répartis sur la circonférence des couvercles. Le couvercle inférieur 80 comprend une ouverture 15 centrale 84 qui établit un trajet de décharge du métal en fusion à la sortie de l'appareil. Une bobine de chauffage par induction 86 est disposée à l'intérieur du carter, de la même manière que dans le mode de réalisation précédemment décrit. Il est également prévu, de la même manière que précédemment décrite, un 2o creuset réfractaire 88 comportant une cavité centrale 90 qui sert de réservoir de charge de métal dans l'appareil. Le niveau du métal en fusion dans l'appareil arrive en 92, dans un but qui sera précisé dans la description ultérieure du mode de fonctionnement des moyens automatiques de détection de niveau. Le 25 creuset 88 est pourvu à sa base d'une ouverture centrale 94 prolongeant l'ouverture de sortie 84 ménagée dans le couvercle inférieur de l'appareil. Une partie supérieure amovible 96 du creuset permet le remplacement ou l'enlèvement de composants situés à l'intérieur du réservoir. Une autre entrée 98 abou— 3o tissant à l'intérieur du creuset permet le rechargement en métal solide ou en métal fondu à partir d'un réservoir auxiliaire ainsi que l'introduction d'un gaz réducteur ou inerte pour éviter une altération du métal en fusion par l'air. Ladite entrée peut en outre être munie d'une fenêtre d'observation visuelle 99 35 pour inspecter le contenu du four en cours de marche à proximité étroite du dispositif de purge à gaz pour maintenir la fenêtre propre. Un tuyau d'entrée 100 prévu dans ce but aboutit à une source d'alimentation en gaz réducteur ou inerte. Des moyens 72 09325 9 2130356 d'obturation classiques 102 sont prévus à l'entrée 98 de recharge du réservoir en vue d'isoler la fenêtre d'observation lorsqu'elle n'est pas en service. Le couvercle supérieur 78 constitue également un sup— 5 port pour des composants du dispositif de distribution dans l'appareil. Plus particulièrement, un carter 104 est fixé sur le couvercle supérieur et il comprend un mécanisme à diaphragme 106 actionné par une source de vide reliée à une entrée 108, de telle sorte que la tige d'obturation 110 puisse se déplacer ver-1o ticalement dans le dispositif de distribution lorsqu'on désire faire sortir du métal en fusion de l'appareil. La tige d'obturation est en contact, comme décrit précédemment, avec une surface correspondante 112 dans le manchon 114. Un tube de distribution 116 en matériau réfractaire, qui forme un composant 15 principal du dispositif de distribution, est placé au centre .du creuset et est aligné avec l'ouverture à la base de ce dernier. Comme le montre la FXG. 2, le tube de distribution et le manchon 114 associé sont montés sur un tube de prolongement 118 qui permet un réglage longitudinal du tube de distribution en fonc— 2o tion de variations du volume du métal en fusion distribué. En agençant le dispositif de distribution de métal de l'appareil de cette manière, il est également possible de retirer l'ensemble formé par le tube de distribution 1l6, le manchon 114 et le tube de prolongement 118 avant que le métal en fusion se solidifie 25 dans le réservoir lorsque le four est arrêté. Plus particulièrement, les composants précités du dispositif de distribution peuvent flotter à la surface du métal en fusion du fait qu'ils sont constitués de matériaux réfractaires moins denses que ledit métal, lorsque la force exercée par les tiges de retenue 120 en 3o matière réfractaire, maintenues par des ressorts en contact avec l'extrémité supérieure du tube de distribution 116, est supprimée. Cet ensemble de tiges comprend plusieurs tiges réparties à intervalles réguliers sur la circonférence du tube de distribution, les extrémités supérieures, chargées par ressorts, des— 35 dites tiges étant introduites dans le carter amovible 104 qui est fixé sur le couvercle supérieur 78 du carter extérieur.La fixation du carter 104 sur le couvercle supérieur du carter extérieur est assurée par des goujons associés à des écrous à ailette classique 124. 72 09325 2130356 Les moyens de détection de niveau de métal liquide 126 prévus dans l'appareil suivant l'invention comprennent une électrode de contact mobile 128 qui est suspendue au couvercle 78 dans le carter extérieur de manière à coopérer avec une élec— 5 trode fixe 130 à laquelle elle est reliée par un circuit électrique 132. Ce circuit électrique comprend des conducteurs électriques 134 et 136 reliant les électrodes à une source de tension 138, telle qu'une batterie ordinaire, des moyens d'indication de tension 140 étant branchés en série dans ledit circuit. 1o Ce circuit est ouvert jusqu'à ce que sa fermeture soit assurée par entrée en contact de l'électrode 128 avec la surface supérieure de la masse de métal en fusion se trouvant dans le réservoir. La descente de l'électrode est assurée par un vérin pneumatique 142 jusqu'à un certain niveau prédéterminé et une 15 impossibilité de fermeture du circuit électriquea indiquée par le voltmètre 140, signale qu'un niveau insuffisant de métal en fusion reste dans le réservoir pour remplir le tube de distribution 116 suivant l'invention. Le vérin pneumatique est monté sur le couvercle supérieur 78 du carter extérieur par des moyens 2o classiques et des ouvertures ménagées dans le couvercle et dans la partie supérieure 96 du creuset permettent 1'actionnement de l'électrode de contact. Une source de courant et un dispositif de commande classique de la bobine de chauffage par induction permettent, dans ce mode de réalisation, une marche complète— 25 ment automatique de l'appareillage. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci—dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation sans pour cela sortir du cadre de l'invention. Par 3o exemple, il est possible de donner à la chambre de distribution une configuration ou une utilisation différentes ou bien de prévoir plusieurs chambres de distribution dans l'appareil pour débiter une quantité déterminée de métal en fusion à la sortie de l'appareil de la manière décrite plus haut. 72 09325 2130356 REVENDICATIONS 1 — Appareil de distribution de métal en fusion, caractérisé en ce qu'il comprend un four chauffé par induction et comportant un récipient fermé contenant le métal en fusion dis— 5 posé à l'intérieur des spires d'une bobine de chauffage par induction, une chambre de distribution placée dans ledit récipient et comportant une entrée située au—dessus du niveau normal du métal en fusion et une sortie permettant la décharge du métal en fusion hors de l'appareil et un dispositif de commande pour 1o faire varier la puissance électrique fournie à la bobine de chauffage par induction de telle sorte que le niveau du métal en fusion monte suffisamment pour que ce métal s'écoule dans la chambre de distribution. 2 — Appareil de distribution de métal en.fusion suivant 15 la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour introduire une atmosphère protectrice dans le récipient contenant le métal .en fusion. 3 — Appareil de distribution de métal en fusion suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre 2o des moyens pour charger le récipient pendant la marche du four. k — Appareil de distribution de métal en fusion suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour indiquer le niveau du métal en fusion dans le récipient. 25 5 — Appareil de distribution de métal en fusion suivant la revendication 13 dans lequel le récipient de métal en fusion disposé à l'intérieur des spires d'une bobine de chauffage par induction est fermé, caractérisé en ce que la chambre de distribution a une forme tubulaire et est disposée au centre et à 3o l'intérieur du récipient fermé et comporte une extrémité ouverte située au-dessus du niveau normal du métal en fusion et un orifice prévu à l'autre extrémité du tube et qui peut être ouvert pour décharger le métal en fusion. 6 — Appareil de distribution de métal en fusion suivant 35 la revendication 5v caractérisé en ce qu'il comprend un organe d'obturation rétractile engagé dans l'orifice du tube de décharge . 72 09325 12 2130356 7 - Appareil de distribution de métal en fusion suivant la revendication 5j caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour retirer la chambre de distribution de l'appareil.