Brevet FR2320679A1 — publié le 19770304

La présente invention concerne les sources de chaleur et a notamment pour objet une électrode non consommable rour-la fusion de métaux et d'alliages, destinée à être employée principalement dans une unité électrométalluxgiqle pour la fusion de métaux et d'alliages, ainsi que dans une installatte de traitement de la surface de lingots par fusion et de recharkement, L'électrode faisant l'objet de l'invention est aussi employée dans l'élaboration des métaux et des alliages à partir d'une charge en morceaux, dans des fours à vide à coquille refroidie par eau ou à creuset à autogarnissage, ainsi que dans des fours à arc à garnissage céramique. On eonnaSt des électrodes non consommables pour la fusion des métaux et des alliages, comprenant un corps et un nez en cuivre. Pendit la fusion, un drc électrique de grande puissance est entretenu entre le nez en cuivre de l'électrode et le métal en fusion. L'électrode est disposée dans le four, en règle générale, sous un angle déterminé par rapport à la surface du bain de métal. la haute tenue de l'électrode sous les fortes intensités d'arc est obtenue en la faisant tourner autour de son propre axe à une vitesse allant jusqu'à 250 tr/mn. Au cours de la rotation de l'électrode, la tache active de l'arc se déplace sur la surface du nez refroidi en cuivre, ce qui permet de réduire son usure à une valeur insignifiante.La fusion est réalisée dans le four, en règle générale, avec un arc sous polarité inverse, c'est-à-dire que le ptle positif de la source d'alimentation est raccordé à l'électrode non consommable. Une telle conception de l'électrode permet d'élaborer les métaux et les alliages à partir d'une charge en morceaux et de ne pas recourir à une électrode consommable (demi-produit). L'électrode non consommable refroidie, venant d'entre décrite, est de conception compliquée, du fait des amenées de courant et d'eau mobiles qui lui sont raccordées. En outre, pour la rotation de l'électrode il faut monter des commandes spéciales, ce qui complique notablement la conception de l'unité de fusion toute entière. La fiabilité du processus de fusion réalisé avec de telles électrodes est déterminée par l'aptitude au fonctionnement des éléments indiqués. Une des électrodes non consommables refroidies, connues pour la fusion des métaux et des alliages, est dotée d'un moyen de rotation de l'arc donstitué par des aimants permanents, qui sont placés dans une cavité refroidie du nez en cuivre. Pendant la fusion, un arc électrique de grande puissance est entretenu entre la face du nez et le métal en fusion, et sa rotation est obtenue en disposant d'une manière déterminée les pales des aimants permanents dans la cavité du nez. Lorsque l'arc tourne, la tache active se déplace sur la face du nez, aussi l'érosion est-elle insignifiante. En règle générale, le métal est fondu à l'aide d'un arc sous polarité inverse, ce qui permet d'obtenir une tenue satisfaisante du nez avec de faibles vitesses de rotation de l'arc. L'électrode non consommable refroidie venant d'être mentionnée est de conception compliquée, surtout en ce qui concerne son nez en cuivre auquel il faut donner une configuration spéciale. La fiabilité d'une telle électrode est assurée en montant des aimants puissants, ce qui augmente l'encombrement de l'électrode et, en conséquence, abaisse son rendement thermique. On connaît aussi une électrode non consommable pour la fusion des métaux et des alliages, constituée par un corps et un nez, dans laquelle le moyen faisant tourner l'arc entretenu entre le nez et le métal ou l'alliage en fusion est logé dans une cavité refroidie du nez et réalisé sous la forme d'une bobine. Pour créer une circulation directionnelle de l'agent de refroidissement dans les canaux de l'électrode et du nez, on loge le moyen faisant tourner l'arc dans untnveloppe spéciale en matériau amagnétique. L'alimentation du moyen faisant toutner l'arc et de l'électrode s'effectue à partir de sources de courant individuelles. Pou4L'alimentation du moyen faisant tourner l'arc, on utilise des sources uç courant à basse tension, afin de réduire le risque de claquage de l'isolation de ce moyen qui est logé dans une cavité refroidie du nez. Pendant la fusion, le moyen faisant tourner l'arc engendre lin champ magnétique intense qui se superpose au champ magnétique de l'arc et provoque la rotation de l'arc avec déplacement de sa tache active sur la face du nez en cuivre.On assure ainsi une haute tenue du nez à l'érosion en présence de forts dégagements de chaleur å la tache active de l'arc. Le réglage de la vitesse de rotation de l'arc s'effectue par variation du courant débité par la source de courant au moyen de rotation de l'arc. La fusion avec une telle électrode peut être réalisée aussi bien avec un arc sous polarité directe qu'avec un arc sous polarité inverse. Toutefois, dans le cas de fusion d'un métal avec un arc sous polarité directe, il faut faire tourner l'arc à une vitesse supérieure à 1000 m/s, ce qui implique la création de champs magnétiques intenses et, par conséquent, l'amenée d'un courant de grande intensité au moyen faisant tourner l'arc. De méme que toutes les électrodes décrites auparavant, cette dernière électrode est de conception compliquée, du fait de la dispositién du moyen faisant tourner l'arc dans une cavité refroidie de l'électrode, directement dans son nez. En outre, la nécessité d'employer des sources d'alimentation à basse tension de grande puissance pour l'alimentation du moyen faisant tourner l'arc, implique l'occupation de surfaces supplémentaires pour leur disposition et augmente le prix de l'électrode. Le logement du moyen faisant tourner l'arc dans une cavité refroidie ne permet pas la réalisation d'une électrode fiable, par suite de l'éventualité de dégradation de l'isolation et, par exemple dans le cas de la fusion du titane, il ne supprime pas les risques d'explosion de l'unité de fusion. On s'est donc proposé de créer une électrode non consommable pour la fusion des métaux et des alliages, qui serait de conception plus simple et de fiabilité plus grande. La solution consiste en ce que, dans une électrode non consommable pour la fusion des métaux et des alliages, comprenant un corps avec un nez, dans une cavité refroidie duquel est logé un moyen faisant tourner l'arc entretenu antre lui et le métal ou l'alliage en fusion, d'après l'invention le moyen faisant tourner l'arc est constitué par l'une des parois latérale du nez, dans laquelle est réalisée au moins une rainure hélicoidale. Il est avantageux que le moyen faisant tourner l'arc soit constitué par la conjugaison de la paroi latérale indiquée et d'une seconde paroi latérale du nez, dans laquelle, du cAoté de la cavité refroidie, est aussi réalisée au moins une rainure hélicoïdale. Une telle réalisation de l'électrode non consommable pour la fusion des métaux et des alliages assure l'augmentation de sa fiabilité et de sa durée de service. En outre, la solution proposée permet de simplifier la conception de l'électrode. la réalisation d'une rainure héliepidale dans la paroi latérale du nez permet d'engendrer à l'aide de la paroi elle-même le champ magnétique, ce qui exclut l'emploi d'une bobine alimentée par une source de courant à basse tension et destinée à engendrer un champ magnétique extérieur. Dans ce qui suit, l'invention est explique par la description de trois modes concrets de réalisation et par les dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente un four de fusion à arc sous vide pour l'élaboration d'un lingot à partir d'une charge en morceaux avec utilisation d'une électrode non consommable conforme à l'invention - la figure 2 représente une variante de réalisation de ltelectrode non consommable, objet de l'invention, avec un moyen pour la rotation de l'arc sous la forme d'une double rainure hélicoïdale dans la paroi latérale du nez (coupe longitudinale) - la figure 3 représente une vue en coupe suivant IfI-III de la figure 2 - la figure 4 représente une autre variante de l'électrode objet de l'invention, avec un moyen pour la rotation de l'arc sous la forme d'une rainure hélicoïdale sur les deux parois latérales du nez (coupe longidudinale). L'électrode non consommable 1 (figure 1) proposée pour la fusion des métaux et des alliages, comprend un corps constitué par deux tubes métalliques coaxiaux : un tube extérieur 2 et un tube intérieur 3. Dans la cavité du corps de l'électrode 1, formée par les tubes extérieur et intérieur 2 et 3, est placé un tube en cuivre 4, qui forme des canaux 5 et 6 pour la circulation de l'agent de refroidissement entrant dans le canal 5 à travers le raccord 7 et s'en allant par le canal 6, à travers le raccord 8. Sur le bout inférieur du corps et du tube 4 est fixé, à l'aide d'un filetage de jonction, un nez 9 en matériau à haute conductivité thermique et à faible résistivité, par exemple en cuivre. Le tube en cuivre 4 assure en outre l'amenée du courant au nez 9 de l'électrode 1. Dans la paroi latérale 10 du nez 92 du côté du canal 6, est réalisée une rainure hélicoïdale simple 11, qui forme sur la paroi 10 une saillie 12. Ainsi réalisée, la paroi latérale 10 du nez 9 fait office de moyen assurant la rotation de l'arc. La circulation du courant dans la paroi latérale 10 du nez 9 affaiblit l'intensité du champ magnétique engendré par le moyen faisant tourner l'arc. C'est pourquoi lrépaisseur "b" de la saillie 12 doit être égale à la moitié du pas "C" de la rainure hélicoïdale 11. Si la rainure hélicoïdale est réalisée multiple, ctest-à-dire si le nombre de rainures est "n" (deux dans la variante décrite), l'épaisseur "b" de la saillie 12 (figure 2) doit & re égale au quotient du pas lltil de Itune quelconque des rainures par le double du nombre de rainures il (figure 3) et 13. Dans le cas général, l'épaisseur "b" de la saillie est choisie en partant de la condition : b = #/2n La hauteur "h" (figure 2) de la saillie 12, dans le cas où son épaisseur est celle indiquée plus haut et l'épaisseur de la paroi 10 du nez 9 sont choisies de façon que le courant maximal débité par la source d'alimentation 14 (figure 1) puisse passer à travers l'électrode 1. Compte tenu des prescriptions technologiques, pour des procédés de fusion différents, la rainure il est réalisée dans la paroi latérale 10 du nez 9 suivant diverses variantes. la réalisation de deux rainures hélicoïdales, par exemple sur la meme paroi, assure une distribution plus uniforme du champ magnétique auprès de la face du nez 9. L'électrode peut être réalisée suivant une autre variante, dans laquelle le moyen pour la rotation de l'arc est constitué par deux parois latérales 10 et 15 (figure 4), dans chacune desquelles est réalisée une rainure hélicoïdale il et 16 respectivement. Pour une telle constitution du moyen faisant tourner l'arc, les proportions dimensionnelles des rainures hélicoïdales 11 et 16 restent les mêmes que celles indiquées plus haut. Pour la fusion, l'électrode 1 propose est placée dans la partie supérieure de la chambre de fusion 17 (figure 1) du four à arc sous vide, dans l'alignement de la coquille 18 refroidie par eau. La coquille 18 reçoit une plaque de fond 19 refroidie par eau, qui est déplacée par une tige 20. la tension est appliquée à l'électrode 1 et à la tige 20 à partir d'une source 14. la paroi 21 de la coquille 18 et la plaque de fond 19 forment au début de la fusion un creuset refroidi par eau, dans lequel on verse la charge 22 à partir d'une trémie 23. Le lingot élaboré 24 est extrait à l'aide de la tige 20 et il descend en commun avec la plaque de fond 19. L'arc 25 est entretenu pendant la fusion d'abord entre la face du nez 9 et la charge en morceaux, puis entre le nez 9 et la surface du bain de métal 26. Pour stabiliser l'arc 25 et réaliser des processus métallurgiques, on injecte dans la zone de l'arc un gaz inerte ou actif, à travers un raccord 27 et la cavité 28 de l'électrode 1. Dans le four à as sous vide, doté d'une électrode non consommable conforme à l'invention, la fusion est réalisée de la façon suivante. On verse dans la coquille 18 refroidie par eau, placée dans la chambre de fusion 17, la charge en morceaux 22, qui est débitée par la trémie 23. La plaque de fond 19 refroidie par eau et la paroi latérale 21 de la coquille 18 forment en conjugaison un creuset refroidi par eau. Après admission d'une quantité déterminée de charge 22, on fait descendre l'électrode non consommable 2, placée dans la partie supérieure de la chambre de fusion 17 dans l-'alignerent de la coquille 18, jusqu'à ce que la distance entre elle et la charge atteigne une valeur déterminée par les conditions d'amorçage de l'arc 25. Ceci fait, on met sous tension, à partir de la source 14, l'électrode 1 et la plaque de fond 19 via la tige 20.Par l'un des procédés connus, par exemplepar. perforation sous haute fréquence comme dans la variante décrite, on amorce l'arc électrique 25 entre la face du nez 9 de ltélectrode 1 et la charge à fondre 22. Quand l'arc 25 est amorcé, le courant circule dans la saillie 12 formée par la rainure hélicoïdale 11 sur la paroi latérale 10 du nez 9, ainsi que dans la paroi 10 du nez 9 elle-meme. Le courant, en circulant dans la saillie 12 sur la paroi 10 du nez 9, engendre le champ magnétique.Comme l'arc 25 engendre lui-même un champ magnétique dont le vecteur d'induction magnétique est dirigé suivant la tangente aux lignes de force magnétiques, la superposition du champ magnétique dt à la présence de la saillie 12 provoque la rotation de l'arc 25. La tache active de l'arc, à l'endroit où il touche la face du nez 9, se déplace alors sur cette face à la vitesse voulue. La fusion du métal peut être réalisée par l'arc aussi bien sous polarité directe que sous polarité inverse. Ltaugmentation de l'induction du champ magnétique peut étre obtenue en augmentant la profondeur de la rainure hélicoïdale 11 et, en conséquence, en diminuant l'épaisseur " 6 " 'I (figure 2) de la paroi 10 du nez 9 à l'endroit où est réalisée la rainure hélxcoidale 11. Au fur et à mesure que la charge en morceau 22 (figure 1) fond, la plaque de fond 19 est déplacée en descente par la tige 20 et le lingot f4'est extrait. La charge en morceaux 22 est admise de la trémie 23 à la coquille 18 en portions déterminées pendant toute la durée de la fusion. Pendant la fusion, pour listabilisation de l'arc 25, on peut injecter un gaz inerte ou actif à travers le raccord 27 et la cavité 28 de l'électrode 1. La fusion à l'aide de l'électrode proposée peut s'effectuer sous vide ou sous une surpression. Ia réalisation de la rainure hélicoïdale 16 (figure 4) sur la seconde paroi latérale 15 du nez 9 permet de supprimer les décharges entre otite paroi et la charge 22. L'électrode non consommable pour latusion des métaux et des alliages, suivant les variantes de conception décrites plus haut, présente plusieurs avantages comparativement aux électrodes connues. Parmi ces avantages figurent la possibilité de fusion du métal et de rotation de l'arc sans qu'il soit nécessaire d'employer deux sources d'alimentation. L'électrode proposée a une durée de service prolongée gracie à l'obtention de la rotation de l'arc à l'aide des parois du nez, dans lesquelles sont réalisées des rainures hélicoïdales intensivement refroidies par l'agent de refroidissement Une telle panS latérale du nez permet de simplifier notablement la conception de l'électrode non consommable. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particuler, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs conibinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICAUIONS I. Electrode non consommable pour la fusion des métaux et des alliages, du type comprenant un corps avec un nez, dans une cavité refroidie duquel est logé un moyen de rotation de lrarc entretenu entre ledit nez et le métal ou l'alliage en fusion, caractérisée en ce que le moyen de rotation de l'arc est constitué par l'une des parois latérale dudit nez, dans laquelle est réalisée au moins une rainure hélicoïdale. 2. Electrode selon la revendication t, caractérisée en ce que le moyen de rotation de l'arc est constitué par la conjugaison de la paroi latérale précitée et d'une seconde paroi latérale du nez, dans laquelle, du côté de ladite cavité refroidie, est aussi réalisée au moins une rainure hélicoïdale.