Brevet FR2361221A1 — publié le 19780310

La présente invention concerne d'une façon générale des presses destinées à façonner une poudre par compression et plus particulièrement, bien que pas exclusivement, de telles presses destinées à comprimer une poudre céramique de combustible nucléaire sous forme de pastilles qui peuvent être empilées dans des récipients ou gaines fermés faisant partie d'assem-. blages combustibles de réacteurs nucléaires. Bien qu1il soit possible d'utiliser des presses à poudre disponibles dans le commerce pour traiter une poudre céramique de combustible nucléaire, il s'est avéré difficile d'éviter une perte de poudre du fait que les pinces compactes sont enlevées des filières de la presse dans une direction allant à l'encontre de l'écoulement vers l'intérieur de la poudre, ce qui nécessite des dispositifs compliqués de remplissage des filières tels que des sabots et bras frotteurs dont il est difficile d'assurer l'étanchéité pour éviter une perte de la poudre d'alimentation.La plupart des presses du commerce sont utilisées dans le domaine de la confiserie ou pour traiter d'autres poudres courantes et peu conteuses, de sorte qu'urne certaine perte de poudre est tolérable, mais lorsqu'il s'agit d'une poudre de matière céramique fissile, en particulier une matière contenant du plutonium, il faut éviter toute perte de poudre pour des raisons d'économie et de sécurité. tes presses du commerce entrent dans deux catégories générales, à savoir la presse mécanique avec sa course établie et la presse nydraulique. La presse mécarique produit des élé mets compacts d'épaisseur constante, mais la densité à l'état vert est variable à moins d'assurer un remplissage constant et ceci nécessite l'utilisation d'un mécanisme de dosage très coûteux. La presse hydraulique permet un réglage précis de la densité à l'état vert, mais ceci aux dépens de la -"rofondeur constante, à moins d'assurer ledit remplissage constant et co teux.Du fait que la densité constante à l'état vert est importante pour réduire ou éliminer la rectification ultérieure à la cote après frittage, une compression hydraulique est nécessaire pour compenser la variation du remplissage de la filière. D'autres variables affectant la densité à l'état vert comprennent la friction intergranulaire et de la paroi de la filière, et l'air emprisonné. La friction intergranulairea pe d'effet sur la variation de la densité à l'état vert en comparaison de la friction de la paroi de la filière, mais les granules sont souvent lubrifiés pour assurer la lubrification nécessaire de la paroi de la filière. Une lubrification séparée de la paroi de la filière est beaucoup plus rentable et n'introduit pas dtimpuretés dans les granules.A condition que le rapport de la profondeur au diamètre ne soit pas trop grand et si l'on dispose d'un temps suffisant pour effectuer un cycle de compression, les variations de la densité à l'état vert dues à l'air emprisonné peuvent être également réduites à des proportions négligeables. En réduisant ou éliminant la variation de la densité à l'état vert, il est possible de réduire ou de supprimer la rectification à la cote qui est une opération coûteuse et longue. En conséquence, la présente invention a pour objet une presse à comprimer une poudre qui n'entraine pas les difficultés et inconvénients mentionnés dans les paragraphes précédents. Selon la présente invention, une presse de façonnage par compression de poudres dans une filière comprend deux plongeurs opposés mobiles axialement par rapport à une filière fixe, un dispositif à une extrémité de la filière pour introduire une poudre à une position d'où elle peut etre dosée et chargée dans la filière par le premier des deux plongeurs, un dispositif destiné à faire avancer le premier plongeur par rapport à la filière jusqu'à une position à l'intérieur de cette dernière de façon que la poudre soit dosée et chargée dans la filière, un dispositif destiné à faire avancer le second plongeur en direction du premier pour comprimer la poudre dans la filière, et un dispositif destiné à faire avancer encore le premier plongeur afin de pouvoir éjecter la poudre compacte de l'autre extrémité de la filière après compression. tes deux plongeurs opposés peuvent être montés sur un élément de support et il peut etre prévu au moins un vérin pour déplacer l'élément de support par rapport à la filière fixe, afin de ccnstituer le dispositif destiné à faire avancer le pre mier plongeur par rapport à la filière et le dispositif destiné à faire avancer davantage le premier plongeur. Il est possible de prévoir deux de ces vérins, un pour constituer le dispositif destiné à faire avancer le premier plongeur et un autre pour constituer le dispositif destiné à faire avancer davantage le premier plongeur. te dispositif destiné à faire avancer le second plongeur vers le premier peut comprendre un vérin d'avance du plongeur pour déplacer le second plongeur par rapport à l'élément de support. Un autre vérin d'avance du plongeur peut être prévu pour déplacer le premier plongeur par rapport à ltélément de support. En variante, le premier plongeur peut entre assujetti à l'élément de support. Dans une forme de réalisation de ltinvention, ltélé- ment de support est en deux parties pouvant être reliées de façon amovible , dont la première comprend le vérin d'avance du plongeur et dont. la seconde supporte les premier-et second plongeurs, le second plongeur étant sollicité à l'écart du. premier de façon que, lorsque les parties de l'élément de support sont reliées, le second plongeur vienne buter contre le vérin d'avance du plongeur. Pour permettre de produire des pastilles annulaires, l'un des plongeurs peut avoir un alésage axial dans lequel se trouve une tige-noyau qui -est poussée jusqu'à une position dans laquelle elle se prolonge au-delà de l'extrémité du premier plongeur cité faisant face à l'autre plongeur. Il est possible de pBvoir un dispositif associé à l'un des plongeurs pour assurer la lubrification de la filière une fois au cours dechaque cycle de fonctionnement de la presse. Des éléments flexibles tels que des soufflets reliant la filière fixe aux parties mobiles de la presse peuvent retenir la poudre de façon à l'empêcher d'atteindre l'atmosphère environnant cette dernière. Ce dernier point est particulièrement important lorsque la poudre à comprimer est une matière céramique fissile. L'invention concerne également un procédé de façonnage par compression de poudres dans une filière,qui consiste à distribuer une poudre à une position située à une extrémité d'une filière, à faire avancer un premier plongeur pour doser et charger la poudre dans la filière, à faire avancer un second plongeur axialement en direction du premier pour tasser la poudre dans la filière et à faire avancer encore le premier plongeur pour éjecter la poudre compacte de autre extrémité de la filière. te procédé peut consister en outre à faire avancer le premier plongeur simultanément à l'avance du second plongeur pour assurer la compression de la poudre dans la filière. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels - la figuretest une vue de coté en partie en coupe médiane d'une première presse de compression d'une poudre; - les figures 2 à 6 sont des vues schématiques illus trant chacune une étape d'un cycle de fonctionnement de la presse de la figure 1; - la figure 7 est une coupe transversale d'une seconde presse de tassement de poudres; et - les figures 8 à il sont des coupes suivant la ligne II-II de la figure 7 illustrant chacune une étape du cycle de fonctionnement de la presse de la figure 7. e va examiner tout d'abord la figure 1 qui représente une presse destinée à comprimer ou tasser une poudre sous forme d'éléments compacts La forme de réalisation particulière représentée s'applique à une presse convenant pour produire des éléments compacts en forme de cylindres droits, appelés pastilles en pratique, à partir d'une poudre d'non combustible nucléaire céramique, par exemple le bioxyde d'uranium (U02) ou des oxydes mixtes, par exemple U02 plus bioxyde de plutonium (Pu22). La presse comprend un plateau 1 supportant un étrier 3 dans des glissières 2. l'étrier constitue ltélément de support de plongeurs 11, 14. Un bloc 4 de filière est monté de façon à être immobile et il en est de même du plateau 1. te bloc 4 de filière comporte une filière cylindrique 5 constituée par un tube rapporté 6 en matériau dur tel que du carbure de tungstène, supporté d'une façon amovible dans le bloc 4. Ce dernier comporte également une trémie 7 débouchant dans une chambre d'alimentation 8 à une extrémité de la filière 5 et communiquant avec elle, et une zone 9 d'enlèvement des pastilles à l'autre extrémité de 7,a filière, de laquelle les pastilles formées dégagées de la filière peuvent tomber à l'écart de l'axe de cette dernière et être évacuées dans un récipient (non représenté) de façon à ne pas gêner la formation des pastilles ultérieures. te bloc 4 de filière comporte également un orifice de portée 10 pour un plongeur Il qui peut coulisser de façon à passer dans et à travers la chambre d'alimentation 8, dans et à travers la filière 5 et dans la zone 9. Deux bagues toriques d'étanchéité 12 sont prévues dans l'orifice 10 du plongeur 11. le bloc 4 de filière présente également un orifice de portée 13 pour un plongeur 14 et deux bagues toriques d'étanchéité 15 du plongeur 14, ce dernier coulissant de façon à occuper diverses positions dans la filière 5, la zone 9 et l'orifice 17. Cet orifice 13 comporte également uu réservoir 16 pour un lubrifiant provenant d'un- orifice d'admission 17 et servant à imprégner une bague absorbante 18 du plongeur 14 lorsque ladite bague est alignée avec le réservoir 16 (voir figure 6 et la description ultérieure). L'étrier 7 supporte un vérin 19 qui se trouve sur le même axe que la filière 5, les plongeurs 11, 14 et les orifices 1O, 17 et qui peut être ajusté axialement à des fins de réglage au moyen d'un goujon fileté 20 traversant un orifice 22 d'un bras 23 de l'étrier 3, et fixé par des écrous 21 l'autre bras 24 de l'étrier 3 est équipé de la meme manière d'un vérin réglable axialement 25 sur le meme axe que le vérin 19 et comportant également un goujon fileté 26 traversant un orifice 27 du bras 24 et fixé par des écrous 28. la tige 29 du piston du vérin 19 est fixée par un raccord démontable 30 au plongeur 11,et un soufflet 31 fixé hermétiquement par une extrémité au bloc 4 des filières et par l'autre extrémité par une partie 32 de l'ensemble du vérin 19 et du plongeur 11, sert à empêcher toute fuite de la poudre précieuse etwsouvent dangereuse pour l'atmosphère environnante hors de la chambre d'alimentation 8 qui peut passer au-delà des bagues toriques 12 Egalement, la tige 33 du piston du vérin 25 est fixée par un accouplement démontable 34 au plongeur 14, et un soufflet 35 fixé hermétiquement par une extrémité au bloc 4 de filière et par l'autre extrémité à une partie 36 de l'ensemble du vérin 25 et du plongeur 14, remplit la meme fonction que le soufflet 31. te plateau 1 comprend un vérin 37 fixé à une patte 38 dudit plateau 1 et la tige 39 du piston du vérin 37 est fixée à un autre vérin 40 dont la tige 41 du piston est fixée à une patte 42 de l'étrier 3. te vérin 37 présente un goujon fileté 43 et des écrous 44 qui permettent de le régler dans une position correcte et la tige 41 du piston du vérin 40 présente une région extrême filetée qui est vissée dans la patte 42 et fixée en position axiale voulue lors du réglage par des écrous 45 dont un seulement est visible. il est évident qu'en faisant fonctionner les vérins 19, 25, 7 et 40 (chaque vérin étant du type à deux positions qui seront appelées ci-après "position rétractée" ou "position avancée" selon le cas) dans un ordre particulier, les plongeurs 11 et 14 peuvent être mis dans diverses positions à la fois dans le bloc 4 des filières et l'un par rapport à l'autre. On va décrire maintenant une séquence de fonctionnement, en se référant non seulement à la figure 1 mais aussi aux figures 2 à 6, ces dernières illustrant cinq étapes de la séquence de fonctionnement. Tout d'abord, le vérin 19 est rétracté, le vérin 25 est rétracté, le vérin 37 est avancé et le vérin 40 est avancé. Ensuite, les plongeurs 11 et 14 occupent les positions représentées sur la figure 2 dans lesquelles le plongeur 1 1 est sur le côté de la chambre d'alimentation 8, ce qui permet à la poudre provenant de la trémie 7 de remplir la chambre 8, et le plongeur 14 occupe presque la totalité de la filière 5. Dans cette position, la position axiale du plongeur peut etre ajustée dans une faible mesure pour faire varier la quantité de poudre qui doit être comprimée.Ce réglage est effectué d'une façon générale pour une production complète et non pas entre les séquences de fonctionnement, à moins que les éléments compacts sortent des limites de tolérance. te degré de réglage est représenté par "A" sur la figure 2. étape suivante consiste à rétracter le vérin 37, les autres vérins restant dans leur position. Ceci sert à déplacer le piston Il dans la filière 5, en repoussant la charge de poudre 46 devant lui, et à déplacer le plongeur 14 de façon qu'il sorte presque de la filière 5, la distance séparant les plongeurs étant cependant la même que dans la première étape. Ceci est représenté sur la figure 3. l'étape suivante consiste à faire avancer le vérin 19 simultanément au vérin 25, alors que les vérins 37 et 40 restent dans leur position. Ceci provoque le déplacement des plongeurs 11 et 14 l'un vers l'autre en comprimant la charge de poudre 46 sous forme d'une pastille 47, ce qui est représenté sur la figure 4. La pastille compacte 47, comme on le voit sur la figure 5, est alors éjectée dans la zone collectriee 9 par le fonctionnement du vérin 40 qui est rétracté. Au début, le vérin 25 est maintenu dans sa position avancée de façon qu'il continue à serrer la pastille 47 pendant son éjection, mais à la fin de la rétraction du vérin 40, le vérin 25 est rétracté, ce qui relâche la prise sur la pastille 47 qui peut alors tomber dans la zone 9. Ceci est représenté sur la figure 6. te dernier mouvement du vérin sert également à rétracter le plongeur 14 de façon que sa bague absorbante 18 se place en regard du réservoir t6 de lubrifiant. Finalement, le vérin 19 est rétracté et les vérins 37 et 40 sont avancés, ce qui ramène les plongeurs il et 14 aux positions qu'ils occupaient au début de la séquence, en lubrifiant en même temps la--filière 5 au fur et à mesure que la bague 18 la parcourt. Ensuite, on-répète la séquence. Un homogénéiseur 48 (représenté seulement sur la figure 2) peut être éventuellement prévu pour faciliter 1'ob- tention de conditions uniformes dans la poudre. les extrémités des plongeurs 11, 14 sont de préférence protégées par un embout en matériau dur tel que du carbure de tungstène. Ces embouts peuvent être remplaçables. En outre, il est possible.de faire en sorte que le tube rapporté 6 puisse être éjecté dans la trémie 7 à des fins de remplacement. La séparation de la chargo et du produit et l'isolement des opérations de compression par rapport au système hydraulique sont des caractéristiques particulières de la presse décrite plus haut. En examinant maintenant la figure 7, une presse destinée à comprimer ou tasser des poudres sous forme d'éléments compacts comprend un bâti interne 50 coulissant dans unb:t;i externe fixe 51, ce dernier supportant un bloc fixe 52 d'une filière d'une façon amovible. le bEti interne 50 est déplacé dans le bâti externe 51 par un vérin pneumatique 57 à double effet. te bâti interne 50 supporte un plongeur fixe 54 et comporte un plongeur mobile 55 qui est déplacé axialement de façon à se rapprocher et s'éloigner du plongeur fixe 54 dans le bâti interne, par un vérin hydraulique à double effet 56 placé à l'intérieur d'un carter 57 qui est relié d'une façon amovible au bâti interne 50 par un accouplement à baSonnette 58. Un soufflet flexible 59 relie le bSti externe fixe au carter 57. le bati interne 50 et le carter 57 constiten-t'l'elément de support des plongeurs 54, 55. le bloc 52 comporte une filière cylindrique 60 dans laquelle peuvent s'ajuster les plongeurs fixe et mobile 54,55, ladite filière étant constituée par un tube rapporté 61 en matériau dur tel que le carbure de tungstène. le tube rapporté peut être remplacé en cas d'usure. le bloc de filière comporte également une trémie 62 par laquelle la poudre à comprimer est introduite dans la filière. Le plongueur fixe 54 présente un alésage axial 63 dans lequel se trouve une tige-noyau 64 qui est poussée en direction du bloc 52 par un ressort 65. La tige-noyau 61 permet d'utiliser la presse pour produire des pastilles annulaires, comme on le verra plus bas. Le plongeur mobile 55 est poussé à l'écart du bloc 52 et au contact d'un prolongement 66 du piston 57 du vérin hydraulique 56 par un ressort 68. Le prolongement 66 s'etend à partir du carter 57 dans un trou borgne de l'accounlement à balolmette 58 du baAti interne 50 et le ressort h8 pousse le bloc 69 à l'bxtré- mité du plongeur mobile 55 qui est éloigné du bloc 52 au contact de l'extrémité du prolongement 66. Ce dernier présente un joint 70 pour empêcher l'entrée de la poudre de la région de compression dans le carter 57.Ce dernier présente des orifices 71, 72 permettant au fluide hydraulîque de passer dans les chambres 73, 74 du vérin hydraulique à double effet et de sortir de ces dernières, et une butée réglable 75 pour limiter le déplacement du piston 67. La forme de réalisation particulière représentée sur la figure 7 convient pour comprimer des poudres d'un combustible nucléaire céramique (tel que les oxydes d'uranium et/ou de plutonium) sous forme d'éléments compacts qui sont appelés pastilles en pratique. Lorsqu'il s'agit de comprimer des matières fissiles, il est nécessaire de contenir toute poudre afin d'evi- ter une contamination de la zone entourant la presse. A cet effet, le bAti externe 51 est monté dans une enceinte définie par des parois 76, 77 et des joints 78, 79 sont prévus sur le bâti interne 50 et le carter 57 à l'endroit ou ces derniers sont en contact avec des surfaces de portée 80, 81 du bAti externe 51. Les joints 78, 79 ainsi que le joint 70 du prolongement 66 empêchent que la poudre s'échappe de l'enceinte. L'accouplement à baTonnette 58 permet de séparer le bEti interne 50 du carter 57. Avant que le bâti interne puisse être enlevé, la tige-noyau 64 doit castre retirée et le bloc 52 de filière doit être séparé du båti externe 51. La rotation du bati interne 50 dégage l'acoouplement à balon- nette et permet d'enlever le hssti interne 50 et le bloc 52 de filière. Après l'avoir enlevé, il est possible d'effectuer toute opération de maintenance nécessaire sur le bati interne 50, le bloc 52 de filière et les plongeurs 54, 55. On va décrire maintenant le fonctionnement de la presse pour produire des pastilles annulaires en se référant en particulier aux figures 7 à il. Le cycle de fonctionnement commence alors que le båti interne 50 occupe la position représentée en traits mixtes sur la figure 7. Comme on le voit sur la figure 8, l'extrémité du plongeur fixe 54 est alors alignée avec une paroi de la trémie 62. Le ressort 65 pousse la tigenoyau 64 de façon qu'elle se prolonge au-delà de la face du plongeur fixe 54 pour entrer en contact avec le plongeur mobile 55 qui se trouve dans le bloc 52 de filière.Le bâti interne 50 est ensuite déplacé dans la direction de la flèche X (figure 7) par le vérin pneumatique 53 sans modifier la position du piston 67 du vérin hydraulique 56 de façon qu'une charge de poudre soit entrainée de la trémie 62 dans la filière 60 (comme on le voit sur la figure 9). Lorsque le plongeur mobile 55 est déplacé dans la filière, le ressort 65 continue à pousser la tige-noyau 64 au contact du plongeur mobile 55. Le fluide hydraulique est alors admis dans la chambre 74 du vérin hydraulique 56 pour faire avancer le plongeur mobile 55 en direction du plongeur fixe dans la filière (figure 10) pour comprimer la poudre sous forme d'une pastille annulaire. Le vérin pneumatique est ensuite entièrement rétracté dans la direction de la flèche X de la figure 7 jusqu'à la position représentée en trait plein sur cette figure 7 et sur la figure 11. La pastille. compacte est par conséquent extraite de la filière. La position du piston 67 par rapport au vérin hydraulique 56 ne change pas et la pastille compacte est donc maintenue sous compression lorsqutelle est sortie de la filière. La tige-noyau 64 ne peut se prolonger sous l'influence du ressort 65 que jusqu'à l'extrémité de la filière 60 et,par conséquent,la pastille annulaire peut être enlevée par un vérin collecteur 82 animé d'un mouvement alternatif, lorsque la force compressive appliquée par les plongeurs est relachée. Le cylindre pneumatique est ensuite avancé au maximum de façon qu'un autre cycle de compression puisse commencer. la description ci-dessus ne concerne qu'une seule presse. Toutefois,il est possible de monter ensemble-plusieurs de ces presses pour former une unité de production lorsqu'un débit supplémentaire est nécessaire. Ges presses peuvent être actionnées par un vérin pneumatique commun remplissant la fonction du vérin 53 décrit plus haut. En variante, la fonction du vérin 53 peut être remplie par un dispositif mécanique ou électrique qui déplace le bâti interne 50 dans le bâti externe 51. Chacune des presses serait toutefois commandée d'une façon indépendante, car chaque presse comporterait son propre vérin hydraulique tel que celui désigné par 56. le vérin pneumatique 53 peut être rempli d'huile et actionné par une pression pneumatique exercée sur des réservoirs d'hurle pour permettre un réglage précis des vitesses. l'utilisation de l'un des plongeurs pour doser et charger la poudre à comprimer dans la filière et l'utilisation d'une compression hydraulique pour tasser la poudre dans les formes de réalisation décrites ci-dessus facilitent la production de pastilles dont la densité à l'état vert varie peu ou pas du tout. Il va de sos que la presse et le procédé décrits peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICAS'IOTiS 1 - Presse de façonnage par compression de poudre dans une filière, caractérisée en ce qu'elle comporte deux plongeurs opposés mobiles axialement par rappcrt à une filière fixe, un dispositif à une extrémité de la filière distribuant une poudre à une position où elle peut être dosée et chargée dans la filière par un premier des deux plongeurs, un dispcsitif destiné à faire avancer le premier plongeur par rapport à la filière jusqu'à une position à l'intérieur de cette dernière de façon que la poudre soit dosée et chargée dans la filière, un dispositif destiné à faire avancer le second plongeur vers le premier pour tasser la poudre dans la filière et un dispositif destiné à faire avancer davantage le premier plongeur de façon que la poudre compacte puisse être éjectée de l'autre extrémité de la filière après compression. 2 - Presse selon la revendication 1,caractérisée en ce que les deux plongeurs opposés sont montés sur un élément de support et en ce qu'elle comporte au moins un vérin pour déplacer l'élément de support par rapport à la filière fixe pour constituer le dispositif destiné à-faire avancer le premier plongeur par rapport à la filière et le dispositif destiné à faire avancer davantage le premier plongeur. 3 - Presse selon la revendication 2,caractérisée en ce qu'elle comporte deux vérins destinés à déplacer l'élé- ment de support par rapport à la filière; l'un deux constituant le dispositif destiné à faire avancer le premier plongeur et l'autre le dispositif destiné à faire avancer davantage le premier plongeur. 4 - Presse selon la revendication 2,caractérisée en ce que l'élément de support est en deux parties pouvant être reliées de façon amovible, dont la première constitue le vérin d'avance du plongeur et dont la seconde supporte les premier et second plongeurs, le second plongeur étant poussé à l'écart du premier de façon que lorsque les parties de l'élément de support sont reliées, le second plongeur vienne buter contre le vérin d'avance du plongeur. 5 - Presse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'un des plongeurs présente un alésage axial dans lequel se trouve une tige-noyau qui est poussée jusqu'à une position dans laquelle elle se prolonge au-delà de l'extrémité du plongeur cité en premier lieu et fait face à Autre plongeur. 6 - Presse selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisée en ce quelle comporte un dispositif associé à l'un des plongeurs pour assurer la lubrification de la filière une fois au cours de chaque cycle de fonctionnement de la presse. 7 - Presse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une enceinte destinée à empêcher la poudre d'atteindre l'atmosphère environnant la presse est constituée par des éléments flexibles reliant la filière fixe aux parties mobiles de la presse. 8 - Procédé de façonnage par compression de poudres dans une filière, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à distribuer une poudre à une position située à une extrémité d'une filière, à faire avancer un premier plongeur pour doser et charger la poudre dans la filière, à faire avancer un second plongeur axialement -en direction du premier pour comprimer la poudre dans la filière et à faire avancer davantage le premier plongeur pour éjecter la poudre compacte de l'autre extrémité de la filière. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à faire avancer le premier plongeur simultanément à l'avance du second plongeur pour assurer la compression de la poudre dans la filière.