Brevet FR2176550A1 — publié le 19731102

La présente invention due à la collaboration de Messieurs Fernand CLAISSE er André GALIBOIS de l'Université LAVAL, QUEBEC, CANADA, et de Monsieur David YEPOUCHALMI du Commissariat à l'énergie Atomique a pour objet un procédé et une installation d'élaboration continue de lingots conducteurs. De façon plus précise, la présente invention a pour objet l'élaboration en continu de lingots métalliques forgeables et/ou laminables à partir de minerais naturels ou de métaux sous forme divisée. Cette élaboration consistant, d'une part, en une fusion du produit dans un four à haute température et dans la fusion sous laitier conducteur dudit produit déjà fondu. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1 un exemple de dispositif de fusion sous laitier selon l'art antérieur, - sur la figure 2 la partie four de l'installation conforme à l'invention, - sur la figure 3 la partie fusion sous laitier de l'installation conforme à l'invention. Pour traiter et fondre des matériaux à haut point de fusion tels que des produits réfractaires, et obtenir une grande homogénéité du produit fondu, le four qui répond le mieux à ces impératifs est le four à plasma rotatif. Il comporte essentiellement une enveloppe métallique cylindrique associée à deux extrémités tronconiques, en métal également, dans laquelle est enfournée une charge du matériau compacté ou non à traiter. Les parties métalliques sont convenablement refroidies et dans l'axe du matériau à traiter est ménagé un passage cylindrique dans lequel va circuler une colonne de plasma obtenue par transfert d'arc entre deux chalumeaux placés aux deux extrémités tronconiques du four tournant. Dans la colonne de plasma on peut obtenir une température atteignant jusqu'à 5000 C. La figure 1 illustre schématiquement un procédé connu de fusion sous laitier fondu. L'installation de fusion sous laitier fondu représentée sur la figure comprend essentiellement une enceinte cylindrique 2 dont le fond est obturé par une plaque conductrice 4. Les parois latérales du cylindre 2 sont refroidies par le ruissellement d'eau injectée à sa partie supérieure dans la couronne creuse 6 et recueillie dans l'enceinte 8. On place dans l'enceinte 2 le barreau de matériau à traiter qui constitue une électrode. Ce barreau affleure dans une couche de laitier fondu 12 contenu dans l'enceinte 2. On applique entre la plaque conductrice 4 et le barreau 6 une différence de potentiel alternative, de l'ordre de 40 à 60 V avec un ampérage voisin de 300 A.Le laitier fondu qui peut être par exemple un mélange de fluorure de calcium et d'oxyde de calcium se comporte comme une résistance chauffante dans un circuit électrique qui comprendrait le barreau électrode, le laitier conducteur et la plaque conductrice 4. Le métal du barreau 10 fond et traverse sous forme de gouttes le laitier fondu 12. I1 constitue à la partie inférieure du laitier une lentille plan-convexe de métal fondu 14 qui se solidifie peu à peu pour donner le lingot solide 16. Grâce à la différence de potentiel appliquée, le laitier fondu est porté à une température voisine de 20000 et traversé par les gouttelettes métalliques qui y abandonnent leurs inclusions non métalliques et se reforment plus bas en un lingot sans retassures; en d'autres termes cette opération est une opération d'affinage. De plus ce passage dans le laitier fondu oriente dans une même direction les cristaux de l'alliage traité. Pour obtenir des lingots présentant certaines propriétés de puretés et d'homogénéité ces deux opérations doivent être effectuées successivement. A la sortie du four le métal fondu est recueilli dans des moules dans lesquels le métal se solidifie pour donner les lingots. Puis on place ce lingot dans le dispositif de fusion sous laitier. La succession de ces opérations nécessite donc des opérations de manipulation du lingot entre le moule et l'enceinte de fusion sous laitier fondu. De plus, il faut fondre le. lingot électrode comme on l'a indiqué précédemment pour lui faire traverser la couche de laitier fondu. La présente invention a précisément pour objet un procédé et une installation d'élaboration continue de lingots conducteurs qui permettent d'éviter ces inconvénients. Le procédé se caractérise en ce qu'on fond à haute température lesdits matériaux, le produit fondu s'écoulant de façon continue dans une enceinte refroidie, où le métal fondu est stocké à une température telle que la masse du matériau soit visqueuse, la surface inférieure dudit matériau étant au contact d'une couche de laitier fondu maintenue à une température supérieure à celle du matériau, le matériau se liquéfiant ainsi dans sa zone centrale au contact du laitier, et s'écoulant sous forme de gouttes à travers le laitier, lesdites gouttes étant refroidies après leur traversée du laitier pour donner le lingot final. Le procédé se caractérise donc essentiellement par le fait que le matériau demeure constamment à l'état fondu depuis le moment où il est fondu dans le four jusqu'à sa sortie du laitier fondu, alors que dans les procédés antérieurs on passait entre les deux opérations par une étape où le métal était solide. L'installation pour la mise en oeuvre du procédé se caractérise essentiellement en ce qu'elle comprend: - un four rotatif donnant une haute température d'où le produit fondu s'écoule de façon continue, - une première enceinte ouverte à ses extrémités supérieure et inférieure, dont la paroi latérale conductrice de l'électricité est refroidie, et dont la partie inférieure affleure une couche de laitier fondu contenue dans une deuxième enceinte ouverte à sa partie supérieure, ladite deuxième enceinte ayant une section plus importante et ses parois latérales étant également refroidies et étant fermée à sa partie inférieure par une plaque conductrice et susceptible de se déplacer selon l'axe commun aux deux enceintes, - des moyens pour maintenir le laitier fondu à une température supérieure à celle du matériau fondu. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. Sur la figure 2 on a représenté une vue d'ensemble en coupe verticale de l'installation. Elle comprend essentiellement un four à plasma 18 et un dispositif de fusion sous laitier 20. Le four à plasma 18 peut de préférence être identique à celui revendiqué dans le brevet français 1 526 999 du 22 avril 1968 pour 1,Four rotatif de fusion" au nom du demandeur. Le four 18 comporte essentiellement un creuset 22 entrainé en rotation autour de l'axe XX' par un moteur 24 par l'intermédiaire de la couronne 26 et du pignon 28. Le four peut pivoter sur les galets tels que 30. Pour régler le déversement du métal en fusion, on peut incliner le four grâce au vérin tel que 32. Le four comporte en outre deux chalumeaux à plasma 34 et 36 et leurs moyens d'alimentation en électricité pour créer les arcs 38, 38' et 38". Le four est placé dans une enceinte calorifugée 40 faisant la liaison avec le dispositif de fusion sous laitier 20, Sur la figure 2 on a représenté en détail la partie de l'installation correspondant à la fusion du métal sous laitier. Elle se compose essentiellement d'une première enceinte 42 de section cylindrique ouverte à ses deux extrémités et d'une deuxième enceinte également cylindrique 44 ouverte à ses deux extrémités et ayant même axe XX' que ladite enceinte 42. L'enceinte 42 se termine à sa partie supérieure par une forme en entonnoir 46 placée de telle façon qu'elle recueille le métal en fusion s'écoulant du four. Elle est revêtue intérieurement d'une paroi conductrice de l'électricité 48 et extérieurement par une double paroi creuse 50 alimentée en eau ou en tout autre liquide de réfrigération par les canalisations 52 et 52'. Cette enceinte comporte également une canalisation 54 associée à une goulotte 56 pour l'introduction de corps entrant dans l'alliage qu'on veut réaliser. La paroi conductrice 48 est alimentée en électricité par le conducteur 58 également refroidi. La deuxième enceinte 44 qui est également cylindrique a même axe XX' que l'enceinte 42 et un diamètre un peu supérieur. Elle est revêtue intérieurement d'une paroi isolante pour l'électricité 60 et elle est recouverte extérieurement par une double paroi creuse 62 alimentée en fluide de refroidissement par les canalisations 64 et 64'. Ladite enceinte 44 comporte un fond mobile constitué par le plateau 66 mobile en translation grace à la tige 68. Le plateau 66 est conducteur (par exemple en cuivre) et est alimenté par le transformateur 70 dont l'autre borne est reliée à la canalisation 58. Dans la description qui précède, on a donné aux-enceintes 42 et 44 une forme cylindrique, mais il va de soi que lesdites enceintes pourraient être des surfaces cylindriques ayant une section droite non circulaire telle qu'un rectangle ou une ellipse. Le fonctionnement de l'installation est le suivant: le métal fondu s'écoule du four sous forme de gouttes et-est recueilli sous forme fondue dans l'enceinte 42. Le niveau du laitier fondu 72 est réglé de telle façon qu'il affleure l'extrémité inférieure de la paroi de l'enceinte 42. Grâce au refroidissement des parois de l'enceinte 42, le métal fondu 74 est visqueux et reste au-dessus du laitier 72. La conductibilité thermique du laitier étant inférieure à celle du métal, le laitier est à une température supérieure à celle du métal. La zone centrale du métal sur sa surface de contact avec le laitier est réchauffée par le laitier et devient elle seule liquide. Les gouttes du métal traversent ainsi le laitier en se débarrassant de leurs impuretés. Le métal traverse l'épaisseur de laitier fondu sous forme de gouttelettes en se débarrassant de ses impuretés. I1 forme alors un ménisque lentille plan 76, puis grâce au refroidissement des parois de l'enceinte 44, le métal ainsi purifié se solidifie pour donner le lingot solide 80. Le réglage du niveau du laitier fondu 72 est obtenu grâce au plateau 76 que l'on déplace vers le bas au fur et à mesure de la formation du lingot solide 80. Le laitier fondu conducteur est maintenu à l'état fondu grâce à la différence de potentiel appliquée entre la plaque conductrice 48 et la plaque conductrice 66.Le laitier reste ainsi à une température voisine de 20000C, dans le cas où l'on utilise comme laitier un mélange de fluorure de calcium (Ca F2) et d'oxyde de calcium (Ca O). Grâce à la canalisation 54 on peut introduire dans le métal en fusion 74 des éléments d'addition pour l > élabora- tion de certains alliages spéciaux. Les avantages de cette installation par rapport à la juxtaposition d'un four et d'un dispositif de fusion sous laitier apparaissent clairement. D'une part, on n'a plus les problèmes de manutention du lingot du creuset dans lequel on recueille le métal fondu jusqu'au dispositif de fusion sous laitier. Par ailleurs, le métal servant d'électrode pour la fusion sous laitier étant lui-même fondu, on n'a plus besoin de dépenser d'énergie électrique pour faire fondre ce métal comme dans le procédé classique. De plus, durant la fusion sous laitier on peut faire des additions de produits d'apport dans le métal fondu 74. Selon une variante de réalisation, le laitier fondu peut être maintenu à une température adéquate à l'aide d'un four à hyperfréquences de type connu. On sait que dans ce type de four un inducteur parcouru par un courant à haute fréquence entoure l'enceinte contenant le corps inducteur à chauffer. Dans la description, on a envisaaé le cas d'un métal; mais il va de soi qu'on peut tout aussi bien utiliser l'installation objet de l'invention, pour traiter un mélange de métaux, ou des produits refractaires tels que des carbures, des borures des siliciures ou des nitrures. REVENDICATIONS 10) Procédé d'élaboration continue de lingots conducteurs à partir de matériaux divisés, caractérisé en ce qu'on fond à haute température lesdits matériaux, le produit fondu s'écoulant de façon continue dans une enceinte refroidie, où le métal fondu est stocké à une température telle que la masse du matériau soit visqueuse, la surface inférieure dudit matériau étant au contact d'une couche de laitier fondu maintenue à une température supérieure à celle du matériau, le matériau se liquéfiant ainsi dans sa zone centrale au contact du laitier, et s'écoulant sous forme de gouttes à travers le laitier, lesdites gouttes étant refroidies après leur traversée du laitier pour donner le lingot final 20) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend:: - un four rotatif produisant une haute température d'où le matériau fondu s'écoule de façon continue, - une première enceinte ouverte à ses extrémités supérieure et inférieure, dont la paroi latérale est refroidie, et dont la partie inférieure affleure une couche de laitier fondu contenue dans une deuxième enceinte, ouverte à sa partie supérieure, de section plus importante que la première enceinte, dont les parois latérales sont également refroidies, et fermée à sa partie inférieure par une plaque susceptible de se déplacer selon l'axe commun aux deux enceintes, - des moyens pour maintenir le laitier fondu à une température supérieure à celle du matériau fondu. 30) Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens pour maintenir le laitier à une température supérieure à celle -du métal fondu sont constitués par une source de courant électrique appliquant une différence de potentiel entre la paroi latérale de la première enceinte rendue conductrice de l'électricité et la plaque fermant la deuxième enceinte à sa partie inférieure. 40) Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens pour maintenir le laitier à une température supérieure à celle du métal fondu sont constitués par un four à hyperfréquences. 50) Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le four rotatif est un four rotatif à plasma à transfert d'arc, produisant dans la zone où le plasma se forme une température voisine de 5000 C. 60) Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le laitier conducteur utilisé est un mélange d'oxyde de calcium et de fluorure de calcium. 70) Installation selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisée en ce que la première enceinte comporte un conduit d'amenée de matériaux d'apport, débouchant dans la paroi de ladite enceinte au-dessus du niveau du matériau fondu.