Brevet FR2267382A1 — publié le 19751107

L'invention concerne un procédé pour éviter les défauts de matière dans les métaux et alliages, notamment au titane et à ses alliages qui sont fondus, sous faible pression, dans un four fermé, sous l'effet d'un arc électrique ou d'un rayonnement électronique ou de toute autre source d'énergie appropriée et dont une fraction des matières contenues dans le bain ou dans les produits de cémentation passe à l'état gazeux. On sait que pour la fusion, la refonte, la coulée et l'amélioration des surfaces par la fusion partielle de lingots bruts en métal ou en alliage on peut faire appel à de nombreux procédés et installations dont entre autres a) fours à arc équipés soit d'électrodes externes (non consommables), soit d'électrodes de refusion (consommables); b) fours à bombardement électronique équipés d'électrodes de refusion avec adjonction de produits de cémentation ga eteux; c) fours pour la fusion partielle des zones superficielles équipés soit d'électrodes externes, soit d'un canon à électrons; d) fours à arc fonctionnant sous vide ou four à bombardement électronique équipés soit de creusets fixes, soit de creusets mobiles et dotés soit de moules fixes, soit de moules rotatifs; e) fours à plasma. Les fours de fonderie sont équipés soit de lingotières pour coulee continue, soit de lingotières pour coulée verticale, soit encore de cuves de fusion refroidies soit par un mélange liquide sodium-potassium, soit tout simplement par de l'eau. Généralement les creusets et les lingotières sont en cuivre. Dans la majeure partie des cas, les fours utilifiés pour le traitement superficiel des blocs bruts ne comportent ni creuset ni lingotière. Dans le four,la pression se situe entre 1 lO et lO Torr et les pressions supérieures sont obtenues å l'aide de gaz de protection appropriés. Le vide se fait à laide de pompes auxquelles on peut relier un séparateur de produits de condensations. On sait que les lingots bruts en métal ou en alliages métalliques sont obtenus par la fusion de produits de cémentation appropriés dans des fours à arcs fonctionnant sous vide ou dans des fours à bombardement électronique. Ainsi par exemple on peut obtenir des lingots bruts de titane ou d'alliage de titanes partir d'éponge de titane à laquelle on aura associé les éléments nécessaires à l'alliage. Ces lingots bruts sont refondus, deux fois au moins, dans un four à arc fonctionnant sous vide. Par cette refusion répétée on cherche surtout à obtenir une répartition homogène des éléments et des additions d'alliage. Par ailleurs, on élimine ainsi les impuretés par la phase gazeuse pour autant que cela soit possible à l'aide des réactions métal-gaz. n est possible également d'améliorer la qualité superficielle des lingots par des refusions répétées. Pour la production des lingots bruts de titane ou d'alliages de titane, utilisés dans la construction des moteurs et des cellules d'avions, la réglementation exige par exemple deux refusions dans la lingotière verticale d'un four à arc fonctionnant sous vide. Toutefois, on est amené à constater que même après plusieurs refusions, les défauts ne sont pas toujours éliminés, ce qui peut conduite à la défaillance prématurée des pièces fortement sollicitées. Les défauts relevés après la fusion soit dans les lingots proprement dits, soit dans les produits finis ou dans les semi-produits qui en découlent, peuvent avoir des causes différentes et variées. Un grand nombre de ces défauts est provoqué par les phénomènes d'échange entre le bain et la phase gazeuse pendant le processus de la fusion. Ainsi l'appauvrissement du bain en produits pouvant s'échapper sous forme gazeuse au cours de la fusion est d'autant plus important que la pression à l'intérieur du four est plus faible, que les opérations de refusion sont plus nombreuses et que le rapport entre la surface du niveau supérieur et le volume du liquide est plus grand. Les phénomènes d'échange de matières entre la phase gazeuse peuvent etre classés en réactions voulues et en réactions intempestives.Parmi les réactions voulues ou souhaitées on peut classer par exemple l'appauvrissement d'un bain de titane en chlorure de magnésium qai est contenu dans l'éponge de titane produit d'après le procédé Kroll et qui-est éliminé au cours du processus de fusion sous vide. Le dégazage de l'oxygène et l'evaporation du magnésium se classent également parmi les réactions souhaitées. Par contre, dans les alliages à teneur de manganèse il apparaft souvent un appauvrissement intempestif du bain en manganèse, du fait que ce métal se trouve aux températures de l'alliage en fusion, sous l'effet de fortes pressions de vapeur.Or, au cours de la fusion du titane et des alliages de titane, on constate généralement un appauvrissement du bain en oxygène, par suite de ltévaporation des composés métal/oxygène qui, aux conditions de température et depressicnexistantes, ont une vitesse d'évaporation élevée. Ainsi on obtient par exemple grâce à la réaction entre dioxyde de titane et le titane en fusion, le mo-n oxyde de titane très volatil. Ce phénomène peut se produire à ltelectrode aussi bien pendant la phase liquide de la fusion qu'à la limite entre la phase solide et la phase liquide. Les composés métal/oxygène se condensent au contact avec les parties plus froides du four. Ceci est un inconvénient majeur des procédés et installations connus appliques à la fusion, à la transformation par fusion, à llamélioration superficielle des lingots par fusion partielle et la fonte de métaux et d'alliages métalliques. n apparait que les matières évaporées du bain peuvent,- en raison de la précipitation sur les éléments du four, soit retomber dans le bain, soit être touchées par celui-ci. Ainsi des produits de condensation, qui précipitent par exemple sur les éléments refroidis des lingotières, sont remis en contact avec le bain au cours du processus de fusion. Si, au cours de ce processus de fusion, les produits de condensation ne se dissolvent que d'une manière incomplète, il stétablitune concentration déséquilibrée dans la phase solide.De tels déséquilibres ont été observés dans des alliages de titane. n s'agit d'un enrichissement soit de la phase , soit de la phase !5 des alliages Y //3 . Ces accroissements sont aésignés soit pnr le sigle HID (high interstitial defects), soit aussi parléxpression "taches L'invention s'est fixé pour but'd'éviter, au moyen dtun procédé et des installations nécessaires à sa mise en oeuvre, les défauts de matière qui surviennent dans les fours à arc fonctionnant sous vide et dans les fours à bombardement a'électrons, lors de la fonte ou de la retacu, lors de la fusion superficielle partielle des lingots et lors de la coulée de métaux et d'alliages métal liques notamment du titane et des alliages au titane, et qui proviennent essentiellement des variations dans la composition chimique provoquées par les réactions d'échange entre le bain et la phase gazeuse. Le problème posé à l'invention est résolu par le fait que les éléments se trouvant dans la phase gazeuse du four se condensent sous une forme solide sous l'action des conditions de pression et de température à l'intérieur du four et se déposent sur les installations de condensation aménagées dans le four. Une autre caractéristique de l'invention prévoit le refroidissement des installations de condensation. Ceci évite les dépôts genants sur des parties non appropriées du four et en particulier sur les parois refroidies des lingotières. Un dépôt quantitatif des éléments condensables est obtenu lorsque les installations de condensation présentent la température la plus basse de tous les dispositifs à intérieur du four. ll est avantageux pour le procédé défini par l'invention que le dépôt des éléments de la phase gazeuse s'effectue à la limite immédiate de la phase liquide. Par ailleurs le procédé doit etre conduit de manière à ce que le dépôt des éléments précipités ne soit plus remis en contact avec le bain.Ltincorporation des produits de condensation dans le bain provoque un enrichissement inopportun des éléments condensables. En application de l'invention, la réalisation du procédé exige des installations à parois refroidies, aménagées à des endroits précis du four et présentant une géométrie appropriée. Pour le refroidissement des parois on utilise les produits traditionnels tels que l'eau, le fréon ou l'azote liquide. Le produit réfrigérant est à chu'sir de manière à ce que, conformément à l'invention, lgvs parois refroidies présentent la température la plus basse à l'inté rieur du four, Une définition avantageuse vise la forme des installations nécessaires à la mise en oeuvre du procédé de l'invention.Ainsi et compte tenu de la grandeur du four, de sa puissance de fusion, du matériau à òndre et du degré de pureté de ce matériau on donnera aux surfaces de refroidissement, soit la forme d'un ou de plusieurs "doigts" pénétrant dans la cuve du four, soit la forme d'un ou de plusieurs anneaux de refroidissement aménagés dans le four, soit encore la forme d'un cylindre constitué par la partie supérieure des lin potières pour coulées verticales, voire des lingotières pour coulées continues. La variété de la géométrie des surfaces refroidies permet une puissance de refroidissement optimale et une application universelle du procédé défini par l'invention. Pour obtenir un dépit efficace des éléments condensables, le choix des emplacements des surfaces refroidies à l'intérieur du four revet une importance toute particulière. n importe donc d'aménager le ou les "doigts" de refroidissement au-dessus de l'épaulement d'une lingotière pour coulées verticales ou au-dessus de l'épaulement d'une lingotière pour coulées continues ou encore au-dessus d'un creuset de manière telle que le produit condensé tombant des "doigts" de refroidissement n'atteigne pas le bain. En agissant ainsi on évite des enrichissements locaux d'éléments condensables à l'intérieur du bain.Un avantage identique est donné par l'aménagement d'un anneau de refroidissement sur la partie supérieure d'une lingotière pour coulée continue, ou sur la partie supérieure d'une lingotière pour coulée verticale, ou encore sur la partie supérieure d'un creuset de manière telle que le produit de condensation tombant de l'anneau de refroidissement n'atteigne pas le bain. Dans un autre mode de réalisation de l'objet de l'invention il est opportun d'aménager un anneau de refroidissement autour d'une électrode externe ou autour d'une électrode de refusion de manière à ce que cet anneau soit aussi près que possible du niveau supérieur du bain et à une faible distance de l'électrode. De cette manière les éléments condensés, notamment dans le secteur de la lingotière, peuvent se déposer rapidement et en grand nombre. I1 sera souvent utile d'aménager un anneau de refroidissement sur la partie supérieure de l'épaulement d'une lingotière pour coulée verticale ou d'un creuset et un autre anneau de refroidissement sur l'électrode externe ou sur l'électrode de refusion. Cette disposition permet de fractionner les produits de condensation dans le cas où les deux anneaux de refroidissement présentent des températures différentes. Lorsqu'un ou plusieurs "doigts" de refroidissement ou un anneau de refroidissement sont aménagés sur la partie supérieure d'une lingotière pour coulée continue, leur effet refroidissant est d'autant plus efficace que l'écart entre l'épaulement et le niveau supérieur du bain est petit.De cette manière, toute possibilité de dépôt des éléments condensables, sur les surfaces refroidies de la lingotière pour coulée continue, est exclue Si les surfaces refroidies, utilisées pour le dépôt des produits de condensations, sont partie composante des lingotières pour coulée continue ou des lingotières pour coulée verticale, la retombée des produits de condensation dans le bain est évitée du fait que la partie supérieure de l'une et de l'autre de ces lingotières présente un diamètre plus grand que la partie inférieure contenant le bain. D'autre part, les produits de condensation ne peuvent etre maintenus à lrécart du bain que si la partie supérieure de la lingotière pour coulée verticale ou de la lingotière pour coulée continue n'est pas atteinte par le bain.Le progrès technique apporté par l'invention au niveau des connaissances actuelles est commenté ci-après. a) Par la condensation des produits de la réaction, en provenance du phénomène d'échange de matière entre le bain et la phase gazeuse, reportée sur des endroits précis qui évitent la retombée des produits de condensation dans la phase liquide du bain, on obtient une amélioration sensible de l'homogénéité des lingots de métal et d'alliages, en éliminant les défauts de matières provoqués par les variations de la composition chimique, b) Le dépôt des produits de condensation permet un réglage plus précis de différentes concentrations dans le bain. c) Aux processus de fusion qui traditionnellement exigent plus de deux refusions il est possible de supprimer un de ces processus de refusion. d) Une retombée des produits de condensation précipités dans le bain est évitée en même temps que l'accentuation locale de la concentration des produits condensables. e) La cuve du four et les canalisations à vide restent très largement libres de tout dépôt et n'exigent ainsi qu'un entretien et des travaux de main tenance réduits. On a décrit ci-après, en référence aux dessins annexés, divers exem ples de réalisation non limitatif s de cette invention. Sur ces dessins La figure 1 représente un four à arc sous vide équipé de deux "doigts" refroidissant, de deux électrodes de refusion et d'une lingotière pour coulée verticale; la figure 2 représente un four à arc sous vide équipé d'une électrode de refusion et d'une lingotière pour coulée continue; la figure 3 représente un four à arc sous vide, équipé d'une électrode externe, utilisée pour la fusion superficielle partielle des lingots bruts; la figure 4 représente un four à arc sous vide équipé de deux anneaux de refroidissement, d'une électrode de refusion, d'un creuset basculant et d'un moule; ; la figure 5 représente un four à bombardement d'électrons équipé d'une électrode de refusions d'une lingotière pour coulée verticale, dans lequel la partie supérieure de la lingotière est utilisée comme surface de refroidisse ment. La figure 1 représente un four à arc sous vide > hors duquel l'air est évacué à l'aide d'une ou de plusieurs pompes à vide raccordées sur le manchon l. Dans le cas où le processus de fusion doit se dérouler sous atmosphère contrôlée à une pression plus élevée, on introduit le gaz approprié, tel que par exemple l'argon, l'hélium ou l'azote, par le manchon d'entrée 2. L'élec trode de refusion 3, bien centrée, est soudée sur le porte-électrode 24.La lingotière pour fusion verticale 4 est bridée, de manière à être étanche au vide, au dme 5 du four et est enveloppée dans le revêtement réfrigérant parcouru par un liquide de refroidissement. fl incombe à ce liquide de proté ger la lingotière pour coulée verticale 4 contre les avaries et de provoquer le durcissement rapide du bain 7. Comme liquide de refroidissement on peut utiliser soit de l'eau, soit un mélange fondu sodium/potassium. L'arc élec trique provoque la fusion de l'électrode 3 et le métal fondu se retrouve dans la lingotière pour fusion verticale 4 dans laquelle il durcit. Au cours du processus de fusion, certaines matières qui passent en phase gazeuse doivent être évacuées du four.Les éléments qui précipitent sous forme solide, tels que le monoxyde de titane, le monoxyde de silicium et le manganèse se dépo sent, conformément à l'invention, rapidement et en grande quantité sur les deux "doigts" de refroidissement 8. Dans les cas où la lingotière pour coulée verticale 4 est refroidie par le mélange sodium/potassium, les "doigts" de refroidissement 8 peuvent etre réfrigérés à l'eau à température ambiante. Les "doigts" 8 ne dépassent pas l'épaulement 10, ce qui évite que les produits de condensation se détachant de ces "doigts" ne retombent dans le bain. La figure 2 montre un four à arc sous vide, évacué par le manchon 2 et pouvant etre alimenté par un gaz de protection par la voie du manchon 1 L'électrode de refusion 3 est soudée sur le porte-électrode 24 et fond sous l'action de l'arc électrique qui s'établit entre elle-meme et le bain 7. Le bain durcit dans la lingotière pour coulée continue 1 1 logée dans un revêtement réfrigérant 6 parcouru par un liquide de refroidissement approprié. La lingotière pour coulée continue 11 est bridée, de manière à etre étanche au vide, au de 5 au travers de l'épaulement 10.Conformément à l'invention, un anneau de refroidissement 12, parcouru par un liquide réfrigérant appro prié et présentant la température la plus basse à l'intérieur du four, est aménagé au-dessus de l'épaulement 10, étanche au vide, de manière à éviter les retombées des produits de condensation dans le bain 7. Pour éviter un précipité éventuel des produits de condensation sur les parois des lingotières pour coulée continue 11, l'écart 13 entre le bain et l'épaulement 10 sera, conformément à l'invention, maintenu dans des limites très faible s. La figure 3 représente un four àarc sous vide utilisé pour l'améliora tion de la qualité superficielle des lingots 14 de métaux ou d'alliages fondus ou refondus. Le four peut etre évacué par le manchon 1 et alimenté en gaz de protection par le raccordement 2. Le lingot 14 à traiter est aménagé de manière à pouvoir décrire un mouvement de rotation à l'intérieur du four. Pendant le processus de fusion, la face supérieure du lingot rotatif 14 est exposée partiellement à l'effet d'un arc électrique qui s'établit entre le lingot 14 et l'électrode externe orientable 15. L'arc électrique provoque la fusion d'une faible partie de la surface du lingot 14. Les produits ainsi évaporés et conden sables précipitent, conformément à l'invention, sur l'anneau de refroidissement 16 aménagé à une faible distance autour de l'électrode -externe 15. L'anneau de refroidissement 16 parcouru par un liquide réfrigérant approprié présente la température la plus basse à l'intérieur du four. La surface de l'anneau de refroidissement peut être relativement petite du fait que ce pro cédé de fusion ne provoque que de faibles quantités de produits de condensation. La figure 4 représente un four à arc sous vide équipé d'un creuset basculant 17 et d'un moule 18. Le four peut être évacué par le manchon 1 et alimenté en gaz de protection par le raccordement 2. L'électrode de refusion 3 bien centrée est soudée sur le porte-électrode 24. Sous l'effet de l'arc électrique le bain 7 se forme dans le creuset basculant 17, logé dans un revêtement réfrigérant 6, parcouru par un liquide de refroidissement approprié. Le bain 7 est versé dans le moule 18. Au cours de la fusion et du transvasement, il se forme des produits condensables qui devront précipiter à l'inté rieur du four A cet effet et conformément à l'invention, deux anneaux de refroidissement 19 et 20 sont aménagés à l'intérieur du four. Ces deux anneaux de refroidissement 19 et 20 peuvent comporter soit un même liquide réfrigé rant, soit un liquide réfrigérant différent. L'anneau 19 est aménagé à une faible distance autour de ltélectrode de refusion 3 et se trouve très près du niveau supérieur du bain. L'anneau 20 est aménagé à l'intérieur du four de manière à ce que les retombées de produits de condensation ne puissent aboutir ni dans le creuset 17, ni dans le moule 18. La figure 5 représente un four à bombardement d'électrons évacué par le manchon 1. L'électrode de refusion bien centrée 3 est soudée sur le porte- électrode 24. Les bombardements d'électrons émanant du canon à électrons 21 provoquent la fusion de l'électrode 3. Le bain 7 s'accumule e dans la partie inférieure 9 d'une lingotière pour coulée verticale 22 divisée en deux parties. La partie inférieure 9 de la lingotière pour coulée verticale 22 est logée dans un revêtement réfrigérant 6 parcouru par un liquide de refroidissement approprié. Cette même partie inférieure 9 supporte une partie supérieure 23 à laquelle elle est bridée de manière à être imperméable au vide. Conformément à l'invention, cette partie supérieure 23 ne sert que comme paroi réfrigérante pour la précipitation des produits de condensation et son diamètre est supérieur au diamètre de la partie inférieure 9. Un bridage étanche 10 relie cette partie supérieure 23 au dôme 5 du four. Les matières condensables peuvent se déposer sur les parois réfrigérantes de cette même partie supérieure 23, ce qui évite qu'elles ne retombent dans le bain 7, étant donné que le processus de fusion est terminé lorsque la partie inférieure 9 de la lingotière 22 est remplie par le bain métallique. La partie supérieure 23 qui présente la température la plus basse à l'intérieur du four est parcourue par un liquide de refroidissement approprie. REVENDICATIONS 1) Procédé pour éviter les défauts de matière dans les métaux et alliages notamment dans le titane et dans ses alliages qui sont fondus, sous faible pression, dans un four fermé, sous l'effet d'un arc électrique, ou d'un rayonnement électronique, ou de toute autre sour ce d'énergie appropriée et dont une fraction des matières contenues dans le bain ou dans les produits de cémentation passe en phase gazeuse, caractérisé en ce que les éléments se trouvant en phase gazeuse dans le four précipitent sous une forme solide sous l'effet des conditions de pression et de température à l'intérieur du four et se déposent sur les installations de condensation aménagées dans le four. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les installations de condensation sont refroidies. 3) Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les installations de condensation présentent les températures les plus faibles à l'intérieur du four. 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la précipitation des éléments en phase gazeuse s'effectue à la limite immédiate de la phase liquide. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments précipités ne parviennent pas dans le bain. 6) Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisées en ce qu'elles comportent des surfaces refroidies aménagées à des endroits précis du four et présentant une géométrie appropriée. 7) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les surfaces refroidies sont aménagées à l 'intérieur du four sous la forme d'un ou de plusieurs "doigts" de refroidissement (8). 8) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les surfaces refroidies sont aménagées à l'intérieur du four sous la forme d'un ou de plusieurs anneaux de refroidissement (12, 16, 19, 20). 9) Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les surfaces refroidies ont une forme cylindrique et sont formées par la partie supérieure (23) soit des lingotières pour coulée verticale, soit des lingotières pour coulée continue. 10) Installation selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce qu un ou plusieurs "doigts" (8) de refroidissement sont aménagés audessus de l'épaulement (10) soit d'une lingotière pour coulée verticale, soit d'une lingotière pour coulée continue, soit encore au-dessus d'un creuset de manière telle que le produit condensé tombant des doigts de refroidissement n'atteigne pas le bain. 11) Installation selon l'une des revendications 6 et 8, caractérisée en ce qu'un anneau de refroidissement est aménagé au-dessus de ltépaulement (10) soit d'une lingotière pour coulée verticale, soit d'une lingotière pour coulée continue, soit encore au-dessus d'un creuset, de manière telle que le produit condensé tombant de l'anneau de refroidissement n'atteigne pas le bain. 12) Installation selon l'une des revendications 6 et 8, caractérisé en ce qu'un anneau de refroidissement (16, 19) est aménagé soit autour d'une électrode externe (non consommable), soit autour d'une électrode de refusion (consommable), de manière à ce qu'il se trouve aussi près que possible du niveau supérieur du bain et à unie faible distance de l'électrode. 13) Installation selon l'une des revendications 6 et 8, caractérisée en ce qu'un anneau de refroidissement (12, 20) est aménagé au-dessus de ltépau- lement (10) dune lingotière pour couléé verticale ou au-dessus d'un creuset et un autre anneau de refroidissement (19) autour de l'électrode externe ou de l'électrode de refusion. 14) Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que chacun des deux anneaux présente une température différente de l'autre. 15) Installation selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce que l'écart (13) entre l'épaulement et le niveau supérieur du bain est très faible. 16) Installation selon 1'une des revendications 6 et 9, caractérisée en ce que le diamètre de la partie supérieure (23) de la lingotière pour coulée verticale et de la lingotière pour coulée continue est supérieure au diamètre de la partie inférieure (9) contenant le bain. 17) Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que la partie supérieure (23) de la lingotière pour coulée verticale et de la lingotière pour coulée continue n'est pas en contact avec le bain.