Brevet FR2371853A1 — publié le 19780616

La présente invention concerne l'électrométallurgie et a notamment pour objet un four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages. Elle peut etre utilisée pour la fabrication de lingots en aciers et alliages fins. Le développement des branches actuelles de la technique, telles que l'aéronautique, l'astronautique, le génie nucléaire et chimique, l'électronique et la technique cryogénique, a eu pour effet un fort accroissement de la sévérité des prescriptions de pureté auxquelles doivent satisfaire les métaux et les alliages utilisés. Actuellement, afin d'accroitre la pureté des métaux et des alliages, ainsi que d'améliorer leurs propriétés technologiques, on applique sur une grande échelle la refus ion dans les fours à laitier électroconducteur, à arc sous vide, à bombardement électronique et à plasma d'arc. Une particularité caractéristique de ces méthodes consiste en ce que les processus de fusion, de coulée et de solidification du métal s'effectuent parallèlement et que la formation du lingot a lieu dans une lingotière en cuivre refroidie par eau, avec arrivée continue de chaleur et de métal liquide à travers la surface découverte du bain de métal. Le transfertzdu métal liquide depuis le nez du demiproduit ou-de ltélectrode à refondre jusqu'à la lingotière s'effectue par petites portions (gouttes) uniformément réparties dans le temps, ce qui permet d'obtenir sur le métal liquide une surface de réaction extrêmement grande. La refusion au plasma d'arc permet la mise en oeuvre du plus grand nombre de moyens technologiques d'action sur le métal liquide, tels que : gaz, scorie, vide, solidification orientée, d'où la possibilité d'élaborer des lingots homogènes à surface de bonne qualité et teneur infime en inclusions non métalliques et de gaz. Une orientation prometteuse de la technique de la refusion au plasma dtarc appliquée à la fabrication de gros lingots est représentée par le procédé dans lequel le générateur de plasma est une électrode consommable creuse, à travers la cavité de laquelle le gaz plasmagène est admis dans la zone d'entretien du plasma. Cette méthode de refusion au plasma d'arc est caractérisée par sa faible consommation spécifique d'énergie électrique et de gaz plasmagène, par son grand rendement et par la haute qualité du métal. Le four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages exploitant ce principe comprend une lingotière et une chambre de fusion, qui, étant accouplée, constituent une enceinte close isolée de l'atmosphère. L'électrode consommable creuse est fixée à une tige creuse pénétrant dans la chambre, de telle façon que son axe cotncide avec celui de la lingotière. Le four est équipé d'un système d'admission et de réglage du débit de gaz plasmagène. La tige creuse et la lingotière sont connectées aux pôles de noms contraires d'une source de courant électrique. Toutefois, ce four présente un grave inconvénient, qui abaisse les performances technico-économiques du processus. Cet inconvénient de la conception existante des fours à plasma d'arc est la difficulté du noyag-e de la retassure du lingot à la fin de la fusion. Les méthodes existantes de noyage de la retassure, appliquées dans la refusion sous laitier électroconducteur, à arc sous vide, à plasma d'arc, par bombardement électronique, et consistant à réduire progressivement la puissance électrique appliquée à la fin de la fusion, se sont avérées peu efficaces. Ceci est dA au fait que, lorsque la puissance appliquée à l'arc engendre à l'électrode consommable creuse est réduite, la stabilité de l'arc diminue brusquement et il se transforme en un arc ordinaire non stabilisé. Par suite des fortes fluctuations du courant et de la tension d'arc, la solidification de la tête du lingot devient irrégulière, ce qui entraîne la formation d'une retassure dont la profondeur est de 0,3 à 0,5 fois le diamètre du lingot.C'est pourquoi cette partie du lingot doit en général être coupée et le rendement en métal sain et les performances technicoéconomiques du four baissent. Le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués du four. On s'est proposé pour cela de créer un four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages en atmosphère réglable, qui permettrait de noyer efficacement la retassure du lingot et d'éléver les performances technicoéconomiques du processus. La solution consiste en un four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages en atmosphère contrôlée, comprenant une lingotière dans laquelle est placée une électrode consommable creuse fixée coaxialement à une tige creuse déplacée verticalement par un mécanisme, la cavité de ladite électrode étant raccordée à un système d'admission et de réglage dudébit de gaz plasmagène, ladite lingotière et ladite tige étant connectées aux pôles de noms contraires d'une source de courant électrique, four dans lequel, d'après l'inventinn, entre l'électrode consommable creuse et la tige creuse,-coaxialement à celles-ci, est monté un plasmotron à arc avec une électrode non consommable dont les amenées de courant sont isolées de ladite tige creuse, ledit système d'admission et de réglage du débit de gaz plasmagène et lesdites cavités de la tige creuse, du plasmotron à arc et de l'électrode consommable constituant un conduit amènant le gaz plasmagène dans la zone de l'arc de plasma. Le plasmotron à arc à électrode non consommable peut être branché sur une source autonome de courant électrique. L'adjonction d'un plasmotron à arc à électrode non consommable au four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages conformément à l'invention permet de supprimer complètement la formation d'une retassure dans la tête du lingot, d'accroitre sa densité et d'augmenter le rendement en métal sain. En régime de noyage de la retassure, le processus se déroule d'une façon stable, il n'y a pas de fluctuations du courant dans a colonne d'arc engendrée par le plasmotron à arc à électrode non consommable. L'éventualité de saut de l'arc sur la paroi de la lingotière est exclue. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description suivante d'exemples de réalisation non limitatifs avec références aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente le schéma d'un four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages en atmosphère contrôlée, avec une source d'alimentation commune à l'électrode cnnsommable creuse et au plasmotron à arc à électrode non consommable, - la figure 2 représente le même four, mais avec des sources d'alimentation séparées pour l'électrode consommable creuse et pour le plasmotron à arc à électrode non cdnsommable. Le four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages en atmosphère contrôlée, faisant l'objet de- l'invention comprend une lingotière 1 dans laquelle est disposée coaxialement une électrode consommable creuse 2 fixée au bout inférieur d'un plasmotron à arc 3 à électrode - non consommable. La fixation de l'électrode consommable creuse 2 au plasmotron à arc 3 s'effectue à l'aide de demi- manchons 4 en matériau électroconducteur. Le plasmotron à arc 3 est rigidement fixé au bout inférieur d'une tige 5, avec laquelle il est aligné. L'électrode consommable creuse 2 et le plasmotron à arc 3 sont enfermés dans une chambre 6, qui, étant accouplée à la lingotière 1, constitue un lábo- oratoire à atmosphère contrôlée. Le bout supérieur de la tige 5 est lié à un mécanisme 7 de déplacement vertical de l'électrode consommable creuse 2. La tige creuse 5 est isolée électriquement de la chambre 6 et du mécanisme 7 de déplacement vertical à l'aide d'isolateurs 8 et 9. Pour l'alimentation en gaz plasmagène, le four est équipé dtun système 10 d'admission et de réglage du débit de gaz plasmagène, lequel est directement raccordé à la tige 5 par un flexible 11, sans passer par la chambre 6. Le flexible Il et les cavités de la tige creuse 5, du plasmotron à arc 3 et de l'électrode consommable creuse 2 accouplés constituent un conduit assurant l'amenée du gaz plasmagène du système 10 à la zone de l'arc de plasma. Le joint d'assemblage de la chambre 6 à la lingotière 1 est rendu étanche par un anneau de caoutchouc 12. La tige creuse 5 et la lingotière 1 sont connectées aux pôles de noms contraires d'une source de courant continu ou alternatif et sont des éléments conducteurs du circuit électrique parcouru par le courant principal pendant la marche du four. L'électrode non consommable 13 du plasmotron à arc 3 est isolée de la tige creuse 5 par un isolateur 14. Pour assurer le fonctionnement du plasmotron à arc 3 en régime de noyage de la retassure dans le lingot, il est prévu dans le circuit électrique un inverseur 15 qui permet de brancher sur la source de courant commune tantôt 1' électrode consommable creuse 2 , tantôt le plasmotron à arc 3. Si la marche du four requiert un préchauffage du gaz plasmagène arrivant dans la zone de l'arc à partir du système 10 (figure 2), on alimente le plasmotron à arc 3 à partir d'une source de courant individuelle 16. Ceci permet d'assurer simultanément le fonctionnement du plasmotron à arc 3 et l'entretien de l'arc amorcé à l'électrode consommable creuse2. En outre, le four à plasma d'arc est équipé d'une pompe à vide (non représentée) pour la mise sous vide du laboratoire du four. Le four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages en atmosphère contrôlée (figure 1) fonctionne comme suit. EXEMPLE 1 L'électrode consommable creuse 2 est placée dans la lingotière 1 coaxialement à celle-ci. Sur le fond de la lingotière 1 est placée une amorce en une matière identique à celle à refondre. L'amorce protège le fond de la lingotière 7 contre l'action directe du jet de plasma pendant la période initiale de la fusion, quand il nty a pas encore de bain de métal dans la lingotière. Ensuite, le laboratoire du four est rendu étanche par accouplement de la lingotière I à la chambre 6 avec interposition de l'anneau d'étanchéité 12, après quoi le laboratoire est mis sous vide, puis il est rempli de gaz plasmagène fourni par le système 10 d' admission et de réglage du débit de gaz plasmagène, jusqu'à la pression prescrite. Ceci fait, le débit de gaz plasmagène est réglé à la valeur requise à l'aide du système 10 d'admission et de réglage du débit de gaz plasmagène. Le gaz plasmagène sortant du système 10 passe par le flexible 11, les cavités de la tige creuse 5, du plasmotron à arc 3 et de l'électrode consommable creuse 2 pour arriver dans la zone de l'arc de plasma. Entre le nez de l'électrode consommable creuse 2 et l'amorce posée sur le fond de la lingotière 1 on amorce un arc électrique en branchant sur la source de courant. Le gaz plasmagène arrivant dans la colonne d'arc s'ionise et du plasma se forme dans l'espace entre le nez de l'électrode consommable creuse 2 et l'amorce. Le plasma sort de la cavité de l'électrode consommable creuse 2 sinus forme d'un Jet.Sous l'action de la chaleur dégagée dans les zones adjacentes aux électrodes et dans la colonne d'arc, le bout inférieur de l'électrode fond. Le métal liquide fondu à l'électrode 2 tombe dans la lingotière 1 eti forme un bain de métal. Au fur et à mesure que la lingotière 1 se remplit, le niveau de métal monte et la zone de l'arc se déplace de bas en haut. Etant donné que le coefficient de remplissage de la lingotière I est inférieur à l'unité, au fur et à mesure que l'électrode consommable 2 fond on la fait descendre verticalement à l'aide de la tige 5 et du mécanisme de déplacement vertical 7. Pendant la période de noyage de la retassure du lingot, on éteint l'arc engendré à l'électrode consommable creuse 2 en mettant hors tension l'électrode consommable -2 à l'aide de l'inverseur 15, et on branche le plasmotron à arc 3, qui fonctionne ensuite pendant toute la période de noyage. La raison pour laquelle l'électrode consommable creuse 2 est mise hors tension pendant la période de noyage de la retassure du lingot est que, dans le cas contraire, l'abaissement de la puissance électrique qui lui est appliquée provoquerait une baisse brusque de la stabilité de l'arc de plasma. De plus, pendant cette période, celle-ci pourrait se transformer en un arc simple dont l'entretien s'accompagnerait de fortes fluctuations du courant et de la tension, ce qui rendrait instable la solidification de la tête du lingot. il pourrait aussi se produire un saut de l'arc sur la paroi de la lingotière 1 et, en conséquence, la mise hors d'usage de la lingotière. Pendant le chauffage du bain de métal par le plasma engendré par le plasmotron à arc 3, l'électrode consommable creuse 2 ne fond pas et la lingotière ne reçoit plus de métal fondu; la tête du lingot se solidifie d'une manière stable. A la fin de la fusion on débranche le plasmotron à arc 3 et on arrête l'admission du gaz plasmagène, puis on casse l'étanchéité du four et on extrait le lingot de la lingotière1. EXEMPLE 2 Marche du four à plasma d'arc dans le cas où le gaz plasmagène doit être préchauffé (figure 2). A l'aide des demi-manchons 4, l'électrode consommable creuse 2 est fixé coaxialement au bout inférieur du plasmotron 3 et est placée dans la lingotière 1 coaxialement à celle-ci. Sur le fond de la lingotière 1 est placée une amorce en matière identique à celle de la matière à refondre. Le four est rendu étanche, mis sous vide et rempli de gaz plasmagène à partir du système 10, jusqu'à la pression prescrite. Ensuite le débit de gaz plasmagène est réglé à la valeur requise. Afin de faciliter l'ionisation du gaz dans l'espace au-dessous du nez de l'électrode consommable creuse 2 et d'accrortre ainsi la stabilité de l'arc engendré à l'élec- trode consommable creuse 2, le gaz plasmagène est préchauffé. A cet effet le plasmotron à arc 3 est branché sur une source de courant 16 individuelle. Ceci fait, l'arc est amorcé entre le nez de l'électrode consommable creuse 2 et l'amorce placée sur le fond de la lingotière 1. Le gaz plasmagène qui arrive alors du système 10 est préchauffé au cours de son passage à travers le plasmotron à arc 3 en fonctionnement, puis il arrive dans la cavité de l'électrode consommable creuse 2. Dans ce cas, l'alimentation du plasmotron à arc 3 et de l'électrode consommable creuse 2 s'effectue à partir de sources de courant séparées. Pendant la période de noyage de la retassure du lingot, on éteint l'arc engendré à l'électrode consommable creuse 2 en mettant cette électrode hors tension. Quant au plasmotron à arc 3, il continue de fonctionner pendant toute cette période. A la fin. de la fusion le plasmotron à arc 3 est débranché, l'admission de gaz plasmagène est interrompue, le vide du four est cassé et le lingot est extrait de la lingotière 1. Les résultats des essais d'un prototype du four conforme à l'invention, ont montré que le four offre de grandes possibilités technologiques. Sa marche est caractérisée par une haute stabilité à tous les stades de la refusion. Les lingots ont une surface lisse et ne présentent pas de retassure. 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 particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Four à plasma d'arc pour la refusion de métaux et d'alliages en atmosphère contrôlée, du type comprenant une lingotière dans laquelle est placée une électrode consommable creuse fixée coaxialement à une tige creuse déplacée verticalement par un mécanisme, la cavité de l'électrode étant mise en communication avec un système d'admission et de réglage du débit de gaz plasmagène, tandis que la lingotière et la tige sont connectées aux pôles de noms contraires d'une source de courant électrique, caractérisé en ce que, entre l'électrode consommable creuse et la tige creuse, coaxialement à celles-ci, est monté un plasmotron à arc comportant une électrode non consommable qui est électriquement isolée de ladite tige creuse, le système d'admission et de réglage du débit de gaz plasmagène et les cavités de la tige creuse, du plasmotron à arc et de l'électrode consommable constituant un conduit amenant le gaz plasmagène dans la zone de l'arc. 2. Four à plasma d'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plasmotron à arc à électrode non consommable est raccordé à une source de courant électrique individuelle.