Brevet FR2391799A1 — publié le 19781222

L'invention concerne un procédé et un dispositif électromagnétique pour la pulvérisation de métaux fondus. Les poudres métalliques ou les granulés de petites dimensions ont de nombreuses applications industrielles dont l'une des plus importantes est la fabrication de pièces par frittage. Cette technique permet en particulier de réaliser des pièces impossibles a réaliser par les autres techniques classiques de mise en forme. Ceci est en particulier le cas d'alliages d'aluminium très chargés susceptibles de présenter des caractéristiques très élevées mais dont la coulée et la transformation sont impossibles ou très difficiles, parce que, en raison précisament de leur taux élevé en élement d'addition, ils ont une tendance à la crique considérable. Parmi les procédés utilisables pour l'obtention de ces poudres, on peut citer l'atomisation et la pulierisation. L'atomisation consiste à disperser en fines gouttelettes le jet de métal liquide par l'action d'un violent courant d'air ou de vapeur d'eau sous pression. Le procédé a l'avantage d'être économique mais il conduit à des poudres qui, surtout dans le cas d'alliages particulièrement oxydables comme les alliages d'aluminium ont des grains élémentaires recouverus d'une relativement importante couche d'oxyde ce qui peut présenter des inconvénients. I1 est évidemment possible dautiliser comme gaz d'atomisation un gaz inerte au lieu de l'air ou de la vapeur d'eau mais cela est défavorable à l'é- conomie du procédé. La pulvérisation consiste à disperser le métal liquide en fines gouttelettes par des moyens mécaniques à la sortie d'un tube étroit. Ces moyens mécaniques consistent le plus souvent à communiquer au métal un mouvement de rotation soit à l'aide d'une tête de pulvérisation tournante, soit en faisant tomber le jet de métal sur un disque muni éventuellement de couteaux tournant à grande vitesse (jusque 10.000 tours/minute). L'inconvénient de ces procédés est la nécessite d'avoir des pièces tournantes qui à ces vitesses doivent être bien équilibrées et qui sont soumises par ailleurs à des conditions difficiles de fonctionnement : corrosion des têtes de palvérisation par les métaux liquides : encrassage des canaux ou des disques, érosion des canaux de pulvérisation, etc... Or, dans ces deux méthodes, il stagit en fait de communiquer à la veine de métal liquide une vitesse suffisante pour que, sous l'action de la force centrifuge et des forces de tension superficielle, elle se résolve en fines gouttelettes. Les déposants ont alors eu l'idée de communiquer au métal liquide son énergie cinétique de rotation sans organe mobile en utilisant le couple électromagnétique fourni par un champ électromagnétique tournant. L'invention concerne donc un procédé et un dispositif permettant l'ob- tention de poudres métalliques par pulvérisation dans lesquels l'énergie de pulvérisation est fournie par un champ magnétique tournant. Mais d'autres applications de ce procédé font également partie de l'invention, dans lesquelles le métal est recueilli avant que les gouttes n'aient eu le temps de se solidifier. Il s'agit d'une part de tous les processus métallurgiques exigeant une grande surface d'échange entre le métal liquide et un gaz, et d'autre part de processus dans lesquels on laisse les gouttelettes individuelles se ressouder inimédiatement avant leur solidification. Ces applications seront décrites plus loin. Le dispositif, objet de l'invention, se compose essentiellement des éléments suivants - un tube de pulvérisation, - un stator permettant d'obtenir un champ magnétique tournant, - l'alimentation électrique de ce stator, - le circuit de refroidissement de ce stator. La figure 1 représente schématiquement l'ensemble tube de pulvérisation stator. La figure 2 représente les schémas d'alimentation électrique ainsi que le circuit de refroidissement du stator. Une coupe du stator avec son circuit de refroidissement d'huile est représenté sur la figure 3. Enfin, les figures 4 et 5 représentent le schéma de deux applications particulières de ce procédé. Le tube de pulvérisation, figure 1, repère 1, est un tube cylindrique de section circulaire, il est ouvert à sa partie supérieure par laquelle on verse dans le tube le métal liquide. Sa partie inférieure est partiellement obturée par un fond muni d'un orifice central par où s'écoule le jet de métal liquide pulvérisé. Les parois du tube sont en matériau réfractaire résistant au métal liquide à pulvériser. A titre d'exemple, non limitatif et dans le cas de l'aluminium liqaide, la partie active du tube réfractaire (1), c'est-à-dire celle se trouvant à l'in térieur du stator, peut être comprise entre 10 cm et 25 cm seulement. Le diamètre intérieur du tube est de l'ordre de 3 à 4 cm; l'épaisseur de paroi du tube atteignant 1,5 cm à 2 cm. L'orifice de sortie a un diamètre de 6 à 10 an. Dans le cas de l'acier liquide, à tItre d'exemple également non limitatif, ce tube de pulvérisation peut comporter deux parties distinctes. Une première partie de section circulaire constante est réalisée en matériau réfractaire ordinaire et comporte le tronçon actif à l'intérieur du stator ; sa longueur pflt être de l'ordre de 50 cm ; le diamètre intérieur du tube réfractaire peut aller de 4 à 10 cm, l'épaisseur de paroi du tube atteignant 1,5 à 3cm sui vant le matériau utilisé. L'orifice de sortie constitue la seconde partie du pulvérisateur ; il peut être réalisé en matériau spécial, par exemple en oxyde de zirconium, de façon à résister assez bien à l'érosion mécanique dûe à l'é- coulement très rapide de l'acier liquide à son contact.L'avantage d'avoir prévu de réaliser ce tube en deux parties distinctes tient à la possibilité ainsi offerte de ne remplacer périodiquement, par exemple entre deux coulées, que l'orifice lui-même, sans que l'ensemble du tube réfractaire ne soit changé. Ce tube de pulvérisation est placé à l'intérieur d'un stator (2) représenté en coupe sur la figure 3. Pour des appareils de dimensions relativement petites, comme celles données à titre d'exemple pour l'aluminium, ce stator se présente extérieurement comme un cylindre creux muni d'une enveloppe extérieure (3) et d'un fond (4). A l'intérieur de cette enveloppe sont placés les bobinages (5) et le circuit magnétique (6). Les bobinages sont alimentés par les arrivées de courant (7) reliées à des bornes (8), fixées sur un couvercle (9). Ce couvercle est fixé de façon étanche sur le cylindre car l'ensemble du stator est plongé dans de l'huile en circulation afin de dissiper les calories provenant principalement des courants de Foucault prenant naissance dans les circuits magnétiques du stator. Pour assurer cette circulation d'huile, le cylindre étanche contenant le stator est muni d'une tubulure d'arrivée (10) et d'une tubulure de sortie (11). Le cylindre est muni d'un orifice central cylindrique (12) à l'intérieur duquel est placé le tube de pulvérisation. L'enveloppe extérieure du stator de même que les parois du tube central sont de préférence exécutées en acier inoxydable. Enfin, les bornes-de connexion électrique sont protégées par un capot (13) percé d'un trou pour le passage du tube de pulvérisation. Pour des appareils de dimensions nettement plus importantes, comme celles données ci-dessous à titre d'exemple pour l'acier liquide, le circuit magnétique (6), analogue à eelui des moteurs asynchrones, peut être complètement supprime. Dans ce cas, en effet, le volume de l'entrefer non magnétique est tellement grand qu'il contrôle l'ensemble des pertes électromagnétiques de l'appareil ; il n'est plus avantageux alors de chercher à réduire ces pertes à l'aide d'un cercuit feuilleté de faible réluctance : il peut par contre devenir avantageux d'utiliser l'espace en augmentant le nombre de spires des bobinages, c'est-à-dire d'occuper avec du cuivre inducteur le volume occupé par du fer dans les appareils de petites dimensions. Pour ces gros appareils, le bobinage peut être réalisé en tube de cuivre creux à l'intérieur duquel est fore une circulation d'huile de façon à évacuer les calories dissipées par les courant de Foucault et par effet Joule. Il peut alors ne pas être nécessaire de prévoir un cylindre étanche pour contenir ce stator ; la seule protection des tubes de cuivre peut être un dépôt isolant (émail, ou matièreJplastique ou autre, destiné essentiellement à éviter des amorçages d'arc électriques. Le stator est alimenté en énergie électrique selon le schéma de la figure 2. Le stator doit être alimenté en courant alternatif polyphasé, par exemple triphasé comme représenté sur le schéma à une fréquence supérieure à celle du courant industriel, 400 hertz par exemple. Ce courant est fourni de façon classique par un groupe comprenant - une génératrice de courant continu (14) - un moteur a courant continu (15) entraînant un alternateur (16) disposé sur le même arbre et délivrant du courant à 400 périodes/seconde par exemple. Ce courant triphasé est ensuite envoyé aux bornes du stator, sur chacune de ses trois phases. Afin de compenser le déphasage du a l'impédance pratiquement purement inductive du stator, des batteries de condensateurs (17) sont montées en parallèle sur chacune des trois phases du circuit d'alimentation. Des indications sur les valeurs des principaux paramètres électriques de fonctionnement de ce stator seront données plus loin à titre d'exemple non limitatif. Le circuit de refroidissement du stator comprend, comme cela a 4éj a été indiqué une circulation d'huile a l'intérieur du cylindre contenant le stator ; à la sortie du stator, l'huile chaude est envoyée dans un échangeur (18) dans lequel elle est refroidie par une circulation dteau (19), puis elle retourne dans un récipient (20) d'oft une pompe (21) la renvoie dans le stator ar la tubulure d'alimentation (10). Le dispositif ainsi décrit fonctionne de la façon suivante : le métal liquide est versé à la partie supérieure du tube de pulvérisation.Durant sa traversée du stator, le fluide est mis progressivement en rotation rapide par le couple d'entraînement dû au champ magnétique tournant. La rotation du métal liquide croît durant la traversée de l'entrefer ce qui fait que le glissement s, différence relative des vitesses de rotation Q du champ tournant et X du métal liquide décroît avec z, distance du point considéré de l'entrée du stator. A la distance z, le glissement peut être représenté par la formule #B#z#R s = # - # = C e 2 Q # avec Bo = amplitude de l'induction magnétique, Q = débit du fluide, p = masse volumique du métal, v = conductivité électrique du fluide, R = rayon intérieur du tube de pulvérisation. Le coefficient C permet d'adapter la loi exponentielle théorique cidessus (C = 1) qui suppose négligeables le frottement et le champ électrique. La valeur C = 1 donne une approximation par excès de la rotation du fluide, elle permet cependant une première approche du dimensionnement. En outre, cette formule n'est valable que pour le champ magnétique bipolaire et pour des valeurs du glissement assez élevées ( > 20 %). L'efficacité des bobinages a plusieurs paires de pôles est moindre que celle des bobinages bipdlaires, la pénétration du champ magnétique dans le liquide devenant d'autant plus faible que le nombre de pôles est plus élevé. La vitesse de rotation est encore augmentée par un phénomène annexe qui est le confinement de la veine de métal liquide au passage & travers l'orifice de sortie du tube de pulvérisation. Ce confinement ou diminution de la section de la veine conduit corrélativement à l'augmentation de la vitesse dans la section. Le métal liquide s'échappe alors du tube de pulvérisation à travers l'orifice de sortie de ce tube et sous l'action de la force centrifuge ainsi acquise, il éclate presque instantanément. D'une façon générale, et compte tenu des règles de similitude qui gouvernent le phénomène, on peut indiquer les lois approximatives suivantes a) la puissance nécessaire est proportionnelle au carré du diamètre du tube b) elle est proportionnelle à la longueur du stator c) la vitesse de rotation du fluide à une distance z de l'entrée du stator ne dépend du métal liquide utilisé que par le rapport d) pour des vitesses d'éjection V élevées, le diamètre des gouttelet T tes obtenues varie comme le rapport pV2 où T désigne la tension superficielle du métal liquide. Les expériences réalisées ont mis en évidence deux types de jets - pour des vitesses de rotation faibles : on obtient un jet en cône plein dont le demi-angle au sommet peut atteindre la valeur limite de 450. Dans toute section droite du jet, les particules fluides sont réparties de façon sensiblement homogène. - pour des vitesses de rotation élevées : oh obtient un jet en cône creux dont l'angle au sommet peut atteindre 140". Dans toute section droite du jet, les gouttelettes métalliques n'occupent qu couronne externe de faible lar- geur. Au voisinage de l'orifice de sortie, l'écoulement se présente sous forme d'un voile,.dont l'épaisseur diminue lorsque la vitesse de rotation augmente. Dans ce dernier type de fonctionnement, la dimension des gouttelettes est comparable à l'épaisseur du voile ; ceci explique la faible dispersion observée de la granulométrie. Il est possible dans une certiine mesure d'agir sur la taille du grain de pulvérisation en modifiant la vitesse de rotation du fluide - soit par variation de la fréquence des courants inducteurs, - soit plus facilement par variation de l'amplitude du champ magnétique tournant. L'évolution du jet en cône plein vers le jet creux est du à l'accroissement de la dépression dans l'orifice de sortie quand la rotation du fluide augmente. Suivant l'application souhaitée, l'une des configurations en cône plein ou en cône creux sera préférable à l'autre. A titre d'exemple, un appareil pour la pulvérisation de l'aluminium et de ses alliages liquides a été réalisé avec les caractéristiques suivantes le tube de pulvérisation, en alumine a une longueur utile (à l'intérieur du stator) de 25 cm, un diamètre intérieur de 3 cm et une épaisseur de 1,5 cm. Il est percé à sa base d'un orifice de 6 mm de diamètre. Le stator, est alimenté en courant triphasé 400 hertz par l'intermédiaire d'un alternateur. A pleine puissance, la tension par phase est de 167 volts, et la résistance du circuit étant de 8,32 10-3Q et sa self de 2,71 10-4 henry, on doit donc insérer en parallèle une capacité de 585pu pour compenser complètement le déphasage inductif de la self. La puissance dissipée dans ces conditions par courants de Foucault atteint alors environ 10 kw. A cette puissance, qui doit être évacuée par le circuit d'huile s'ajoute celle beaucoup plus faible (de l'ordre de 1 kw) transmise du métal liquide au travers du tube de pulVérisation. Le circuit de refroidissement se compose d'un échangeur de 10 m2 de surface d'échange destiné à refroidir l'huile circulant dans le carter. Les essais à demi-puissance de ce prototype ont été réalisés avec le mercure comme métal liquide : on a alors noté avec un débit d'huile de 0,25 1/ seconde et un débit d'eau de 0,55 1/seconde, une élévation de température de l'eau de 2,2 C. Dans Ces conditions, on obtient un cône de pulvérisation creux avec un angle au sommet de 900 et un débit de métal liquide de 50 cm3/sbconde (environ 450 kg de métal à l'heure), sous une charge de métal liquide (hauteur de métal dans le tube) de 1 mètre environ. Le grain moyen des gouttelettes, d'ailleurs très homogène est de l'ordre de 0,3 mm à 0,4 mm. La stabilité du jet et son angle d'ouverture augmentent avec le diamètre de l'orifice de sortie. Cependant, la mise en charge du tube de centrifugation devient en même temps plus difficile. D'une manière générale, les éléments donnés ci-dessus permettent de déduire la configuration d'un appareil efficace, pour une application donnée, à partir de deux indications essentielles : le diamètre souhaité des gouttes, et le débit du fluide. On préfèrera en général un pulvérisateur à grand orifice de sortie, à la fois plus stable sur le plan hydrodynamique, et soumis à une érosion mécanique plus faible. La fréquence de 400 hertz indiquée ci-dessus, est relative à une expérience précise.Il va de soi que ce paramètre peut notamment être amené à 50 hertz dans le cas des gros appareils pour ne pas réduire leur efficacité p4r un effet de peau important ; dans ce cas, on pourra compenser cette réduction de la vitesse de synchronisme par une augmentation du courant électrique, grâce à l'utilisation de conducteur creux en cuivre mentionnée plus haut. Le premier domaine d'applications de ce procédé est la pulvérisation traditionnelle des métaux : fabrication de poudre ou de grenaille. Dans ce domaine, les avantages spécifiques de ce procédé sont : la possibilité de contrôler le diamètre des gouttes (en changeant la valeur du courant électrique dans l'inducteur, ou bien en changeant la fréquence de ce courant), la réduction de la dispersion des granulométries par rapport aux techniques traditionnelles. Les gouttes de métal liquide sont alors solidifiées soit par convection dans l'at- mosphère ambiante soit en les faisant tomber dans un liquide froid. Un second domaine d'applicstions est offert par tous les processus qui exigent une grande surface d'échange entre le métal liquide et l'atmosphire pour réaliser des conditions favorables à une opération de transfert physique ou chimique. Exemples - dégazage des métaux liquides sous vide : la la grandeur échangée est alors le gaz dissous dans le métal liquide, - oxydation des métaux dissous et séparation ultérieure de ces oxydes par décantation ou filtration ou centrifugation (nettoyage du mercure). Un troisième domaine d'applications est celui dans lequel les gouttes sont reçues sur un support refroidi avant qu'elles ne soient solides : elles ont la possibilité de se ressouder les unes aux autres en formant une surface continue. À titre d'exemple, on peut obtenir des tôles en utilisant le dispositif schématiquement représenté sur la figure 4. Une surface refroidie (22) se déplace sous le dispositif de pulvérisation schématisé simplement par le tube de pulvérisation (1). La distance entre la surface refroidie est choisie de telle façon que les gouttelettes projetées par l'orifice à la base du-tube arrivent encore liquides sur la surface (22). Elles se ressouvent alors puis se solidifient rapidement et on obtient en utilisant éventuellement plusieurs pulvérisateurs parallèles ou disposés en quinconce une tôle continue. Dans le système représenté sur la figure 5, la surface refroidie (23) est une surface de révOlution animée d'un mouvement relatif par rapport au tube de pulvérisation parallèle à son axe. On peut obtenir ainsi un tube moulé directement sur la coquille en acier refroidie sans avoir à faire tourner ni la c quille ni le pulvérisateur. Il est clair que, dans ce cas, il est avantageux d'utiliser un jet en cône creux. Parmi les avantages des produits tôles ou tubes obtenus par ces derniers procédés, on peut citer - la possibilité d'obtenir des tôles ou tubes en des alliages que l'on ne sait pas couler ni transformer par les techniques classiques, - la possibilité d'utiliser des alliages très chargés dans lesquels les éléments d'addition bien qu'au-dessus de leur limite de solubilité sont susceptibles de rester cependant en solution solide sursaturée. REVENDICATIONS 10) Procédé de pulvérisation d'alliages métalliques liquides dans lequel le métal liquide, introduit dans un tube fixe muni sur son axe d'un orifice à la partie inférieure, est mis en rotation rapide à l'intérieur du tube par l'effet d'un champ tournant créé par un stator fixe entourant le tube de pulvérisation, avec une vitesse suffisante pour que, à sa sortie par l'orifice inférieur du tube, le métal se résolve en fines gouttelettes en formant un cône dont le sommet est l'orifice du tube. 29) Dispositif de pulvérisation de métal liquide comprenant - un tube de pulvérisation dont le fond, à la partie inférieure est percé d'un orifice calibré, - un stator entourant au moins une partie de la longueur du tube de pulvérisation muni de bobinages alimentés en courant triphasé créant à l'intérieur du tube de pulvérisation un champ magnétique tournant et muni éventuellement de circuits magnétiques. 30) Dispositif de pulvérisation de métal liquide selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube de pulvérisation est réalisé en deux parties : le corps du tube et l'extrémité avale munie de l'orifice calibré interchangeable. 40) Dispositif de pulvérisation de métal liquide de grandes dimensions selon la revendication 2 ou 3 ne comprenant aucun circuit magnétique, caractérisé en ce que les bobinages sont réalisés en conducteurs tubulaires dont l'épaisseur est adaptée à la fréquence utilisée parcourus par une circulation d'huile pour évacuer l'énergie dissipée en chaleur. 50) Application du procédé de la revendication 1, à la fabrication de poudres métalliques, ou de grenaille, de granulométrie contrôlée, en laissant refroidir et solidifier les gouttelettes de métal liquide, soit dans l'atmosphère ambiante par convection, soit en les laissant tomber dans un liquide froid. 60) Application du procédé de la revendication 1 à l'obtention de tôles ou de tubes métalliques par réception de gouttelettes encore liquides sur un support plan ou cylindrique refroidi. 70) Application du procédé de la revendication 1, au contrôle des opérations de transfert physique ou chimique en réglant la surface d'échange entre le métal liquide et l'atmosphère ambiante par l'intermédiaire d'une variation de la dimension des gouttelettes formées.