Brevet FR2420576A1 — publié le 19791019

La présente invention concerne la métallurgie et a notamment pour objet un four pour la fusion à l'arc sous vide de métaux à haute réactivité, tels que par exemple le titane et le zirconium, lesdits fours pouvant aussi être utilisés pour la fusion de métaux réfractaires tels que par exemple le tungstène et le molybdène. On connaît un four pour la fusion à l'arc sous vide du titane ou des alliages à base de titane, comportant une chambre à vide avec un couvercle dans lequel est fixé un porteélectrode placé au-dessus d'une lingotière refroidie dont le bras est fermé à joint étanche par une plaque de fond refroidie amovible. Les cavités de refroidissement de la lingotière, de la plaque de fond et du porte-électrode sont remplies de métal caloporteur liquide (alliage eutectique NaK). L'agent de refroidissement utilisé dans la chambre à vide est l'eau, qui circule dans un premier circuit de refroidissement. Les cavités de refroidissement de la lingotière et de la plaque de fond communiquent entre elles et avec une chambre d'expansion, et sont raccordées par des tubes à un échangeur thermique à air ou à eau installé séparément et faisant partie d'un second circuit de refroidissement. La cavité de refroidissement du porte-électrode est raccordée par des tubes à un second échangeur thermique qui lui est spécialement destiné et qui fait partie d'un troisième circuit de refroidissement. En prévision de la dilatation thermique du métal caloporteur liquide, le four est équipé de deux capacités d'expansion remplies de gaz neutre (argon). En outre, dans le circuit de refroidissement comprenant la lingotière et la plaque de fond, il est prévu un dispositif pour l'élimination des oxydes du métal caloporteur liquide. Dans un tel système, par suite de la destruction des conduites par la corrosion et l'érosion provoquées par le métal caloporteur liquide en circulation, il peut se produire,pendant l'exploitation, des éJections de métal alcalin liquide de la partie extérieure du circuit. Les possibilités de prévision et de contrôle de ce genre de destruction sont extrêmement limitées. En outre, en cas de perturbation du processus d'épuration de l'alliage eutectique, les conduites du circuit de refroidissement comprenant la lingotière et la plaque de fond refroidies peuvent être fortement obstruées par les oxydes du caloporteur, ce qui peut entratiier des troubles dans le fonctionnement du four. En conséquence, l'exploitation de la partie extérieure du circuit de métal liquide présente des risques qui réduisent considérablement la fiabilité du four de fusion. En outre, la destruction des tubes dans l'échangeur thermique à air ou à eau entrain un risque d'explosion et dtincendie. Les auteurs de la présente invention avaient mis au point un dispositif pour la fusion à l'arc sous vide en garnissage de titane ou de ses alliages, dans lequel il nty avait pas de partie extérieure du circuit de métal liquide. Dans ce dispositif, l'agent de refroidissement (alliage eutectique NaK) se trouvait seulement dans la cavité de refroidissement du creuset, mise en communication avec une chambre d'expansion. Dans ladite cavité, remplie d'agent de refroidissement, était placé un échangeur thermique refroidi par eau, adapté pour émettre un signal si une fuite d'eau ou d'alliage eutectique NaK apparaissait par suite d'un défaut dans les tubes de l'échangeur thermique. Toutefois, les tentatives faites pour supprimer l'éventua- lité du contact de l'eau et de l'alliage NaK à l'aide d'éléments de construction spécialement prévus à cet effet, et pour assurer un contrôle continu de l'étanchéité de l'échangeur thermique pendant la fusion, ont entratné certaines complications de la conception du four et n'ont pas assuré une complète fiabilité du four. Le but de l'invention est de supprimer les complications indiquées. On s'est proposé pour cela de créer un four pour la fusion à l'arc sous vide de métaux à haute réactivité, dont la conception serait telle qu'elle assurerait sa sécurité vis-à-vis des explosions, élèverait sa fiabilité et rendrait aisoe son utilisation. La solution consiste en un four pour la fusion à l'arc sous vide de métaux à haute réactivité, comprenant une lingotière refroidie, fermée à Joint étanche à sa partie inférieure par une plaque de fond refroidie amovible, et à sa partie supérieure, par une chambre à vide refroidie dans le couvercle de laquelle est monté mobile un porte-électrode refroidi, les cavités de refroidissement de la lingotière, de la plaque de fond et du porte-électrode étant remplie de métal de refroidissement liquide et mises en communication avec une chambre d'expansion, et doté d'un circuit d'échange thermique à circulation comprenant un échangeur thermique à eau,- four dans lequel, d'après l'invention, sont prévus des échangeurs thermiques tubulaires placés à raison d'un dans chacune des cavités de refroidissement de la lingotière, de la plaque de fond, du porte-électrode et de la chambre à vide, et raccordés audit circuit d'échange thermique, ce dernier étant rempli d'un fluide de refroidissement chimiquement neutre vis-à-vis du métal de refroidissement liquide et de l'eau, un écran sous la forme d'une paroi cylindrique creuse étant placé entre la paroi intérieure de la lingotière refroidie et son échangeur thermique tubulaire, tandis qu'à la partie supérieure et à la partie inférieure de la lingotière refroidie, entre l'écran et la paroi extérieure de celle-ci, sont fixés des plats métalliques disposés suivant des hélices à plusieurs spires par pas, de façon à former des canaux au droit desquels, extérieurement à la lingotière refroidie, sont montés des dispositifs de refoulement électromagnétiques. La disposition d'échangeurdthermiques tubulaires dans les cavités de refroidissement de la lingotière, de la plaque de fond, de la chambre à vide et du porte-électrode a permis de simplifier la conception du circuit d'échange thermique du four en réduisant le nombre nécessaire d'appareils de robinetterie, de tubes et de pompes pour la circulation de l'alliage NaK liquide. En cas de dégradation de la paroi de l'échangeur thermique tubulaire, aucun risque d'explosion ne peut surgir, car l'alliage NaK est neutre vis-à-vis du mélange diphénylique remplissant lesdits échangeurs tubulaires. La réalisation de l'écran avec une cavité remplie d'argon permet d'obtenir un signal d'urgence en cas de percement de la paroi de l'écran par l'arc électrique. L'écran placé dans la cavité de refroidissement de la lingotière constitue dans cette cavité, en-commun avec ses parois extérieure et intérieure, un circuit d'échange thermique assurant les meilleures conditions de refroidissement de la paroi intérieure (active) de la lingotière par l'alliage NaK. La présence de canaux hélicoldaux à plusieurs spires par pas à la partie supérieure et à la partie inférieure de la cavité de refroidissement de la lingotière et la disposition de dispositifs de refoulement électromagnétiques en regard de ces canaux permet d'organiser la circulation de l'alliage NaK dans le sens voulu, à savoir, le long de la paroi de la lingotière, ce qui assure son refroidissement avec une intensité suffisante. Le refroidissement de la lingotière par le fluide chimiquement neutre vis-à-vis du métal liquide de refroidissement et vis-à-vis de l'eau, assure une sécurité complète vis à- vis des explosions et améliore par conséquent la fiabilité du circuit de refroidissement à circulation. Une telle réalisation du four exclut les entrées d'eau dans la chambre de fusion du four et dans l'alliage NaK, assure la fiabilité du circuit de circulation et simplifie sa conception. I1 est avantageux de fixer à la partie inférieure de l'écran creux un indicateur de fuite, constitué par un dispositif à contacts électriques. De cette façon, en cas de dégradation de l'intégrité de l'écran, le métal pénétrant dans sa cavité cause la fermeture de l'indicateur de fuite qui fournit alors un signal d'urgence. I1 est souhaitable de monter sur l'écran creux un capteur de pression relié électriquement à un avertisseur d'urgence. La présence, sur l'écran, de ce capteur de pression relié électriquement à une signalisation d'urgence permet d'obtenir en temps opportun le signal indiquant la destruction de la paroi de l'écran creux. Pour une meilleure compréhension de l'invention, un exemple non limitatif de réalisation du four est décrit dans ce qui suit avec référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un four conforme à l'invention, (vue en coupe par un plan vertical passant par l'axe longitudinal du four); - la figure 2 représente la partie inférieure de l'écran avec un indicateur de fuite et un voyant lumineux (vue en coupe par un plan vertical); - la figure 3 représente une vue en perspective, avec coupe, de la partie supérieure de la lingotière avec l'écran et les plats métalliques disposés suivant des hélices à plusieurs spires par pas et formant des canaux. Le four pour la fusion à l'arc sous vide de métaux à haute réactivité comporte une lingotière refroidie 1 (figure 1),fermée à Joint étanche à sa partie inférieure par une plaque de fond refroidie 2. La partie supérieure de la lingotière refroidie 1 est fermée par une chambre à vide 3 avec un couvercle 4 dans lequel est monté mobile un porte-électrode refroidi 5 auquel est fixée une électrode consommable 6. La lingotière refroidie 1 comporte une cavité 7 pour la fusion du métal,et une cavité 8 pour la circulation d'un agent de refroidissement entre la paroi intérieure 9 et la paroi extérieure 10.Dans la cavité 8 est placé un échangeur thermique tubulaire 11.Entre l'échangeur Il et la paroi intérieure 9 est disposé un écran 12 (figures 2 et 3) réalisé sous la forme d'une paroi cylindrique creuse.Entre l'écran 12 et la paroi extérieure 10 de la lingotière refroidie 1,à la partie supérieure et à la partie inférieure de celle-ci,sont fixés des plats métalliques 13 disposés suivant des hélices à plusieurs spires par pas et formant des canaux 14 au droit desquels sont montés extérieurement à la lingotière refroidie 1, des dispositifs de refoulement électromagnétiques 15 (figure i), par exemple des stators à courant alternatif, engendrant un champ électromagnétique tournant ayant pour effet de faire circuler l'alliage NaK suivant les canaux hélicoldaux 14 (figure 3) et par conséquent dans tout le circuit.Dans la partie inférieure de l'écran 12 (figure 2) est monté un indicateur de fuite 16 constitué par un dispositif à contacts électriques (bougie d'automobile), relié électriquement à un voyant lumineux 17 et à une source d'alimentation électrique 18. Le métal liquide arrivant éventuellement sur les contacts de l'indicateur de fuite 16, en cas de fuite du métal caloporteur liquide, aurait pour effet de fermer le circuit électrique, ce qui serait signalé par le voyant lumineux 17. En outre, sur l'écran 12 (figure 1) est monté un capteur de pression 19 relié électriquement à un avertisseur d'urgence (non représenté sur les dessins). L'écran 12 constitue un circuit fermé d'échange thermique, rempli d'argon (Ar) jusqu'à une pression absolue de 1,1 atm. Il protège l'échangeur thermique tubulaire 11 contre l'action destructrice de l'arc électrique en cas de percement de la paroi intérieure 9 de la lingotière refroidie 1. L'argon arrive dans 'écran 12 par un tube 20, et le capteur de pression 19 (manomètre) est réglé de façon à fonctionner quand la pression absolue devient inférieure à 1,05 atm. Dans la partie méaiane de la paroi extérieure 10 de la lingotière refroidie 1, est prévu un compensateur 21 qui supprime les charges déformantes axiales apparaissant lors de la dilatation de la lingotière refroidie 1 au cours de la fusion du métal dans le four. La cavité 8 de refroidissement de la lingotière 1 est remplie de métal caloporteur liquide, par exemple d'alliage eutectique NaK, ayant un point de fusion au-dessous de zéro (-12 C). L'échangeur thermique tubulaire 11, placé dans la cavité 8 de refroidissement de la lingotière 1, est rempli d'un fluide de refroidissement (caloporteur) chimiquement neutre vis-à-vis de l'alliage NaK et de liteau. En tant qu'agent de refroidissement de ce genre, on peut utiliser un caloporteur ionique ou silicone, par exemple un mélange-diphénylique contenant 26,5 % en poids de diphényle et 73,5 96 en poids d'éther diphénylique, dont le point de fusion est de +12,30C. La plaque de fond refroidie amovible 2 comporte une cavité 22 pour la circulation d'un fluide de refroidissement.Dans la cavité 22 est placé un échangeur thermique tubulaire 23. La cavité de refroidissement 22 de la plaque de fond 2 est raccordée à la cavité de refroidissement 8 de la lingotière 1 par un flexible 24. A son tour, la partie supérieure de la cavité de refroidissement 8 de la lingotière 1 est raccordée par un autre flexible 25 à une chambre d'expansion 26, comportant un manomètre 27. Le manomètre 27 est réglé de façon à fonctionner quand la pression absolue devient inférieure à 1,05 atm en cas de dégradation de l'intégrité de la paroi 9 de la lingotière refroidie 1, de la paroi de la plaque de fond 2 ou de la paroi de la chambre à vide 3, et quand la pression absolue atteint une valeur comprise entre 1,6 et 1,7 atm en cas de défaut d'étanchéité de leurs échangeurs thermiques tubulaires. La chambre à vide 3est raccordée à la chambre d'expansion 26 par une tubulure 28. La cavité de refroidissement 29 de la chambre à vide 3 est remplie d'alliage NaK, et un échangeur thermique tubulaire 30 y est placé. La cavité de refroidissement 31 du porte-électrode 5 est remplie aux-2/3 de métal caloporteur liquide dans lequel est immergé un échangeur thermique tubulaire 32 placé dans cette cavité. Pour le contrôle de la pression du matelas de gaz 'argon) dans l'espace 31 rempli de gaz du porte-électrode 5, il est prévu un manomètre 33 réglé de façon à fonctionner quand la pression absolue devient inférieure à 1,05 atm Les échangeurs thermiques 11, 23, 30 et 32 sont raccordés entre eux par des tubes 34 qui sont reliés à un échangeur thermique 35 assurant le refroidissement par eau du mélange diphénylique circulant dans le circuit sous l'action de la pompe 36. Il est prévu dans le circuit une capacité d'expansion 37 remplie d'azote ou d'argon dont la pression est mesurée par un manomètre 38 à contacts électriques, réglé de façon à fonctionner quand la pression descend de 0,2 à 0,3 atm au-dessous de la valeur fixée,etàfournir alors un signal de défaut d'étanchéité du circuit de mélange diphénylique, y compris les échangeurs thermiques des organes du four. Pour la vidange du circuit de mélange diphénylique, est prévue une capacité de vidange 39. L'eau est amenée dans l'échangeur thermique à eau 35 par une pompe 40, à partir d'une capacité 41. Le four conforme à l'invention fonctionne de la façon suivante. Après fixation de l'électrode à refondre 6 (figure 1) sur le porte-électrode 5 et création dans le four du vide prescrit, on met le four sous tension et on procède à la fusion du métal. Au fur et à mesure que l'électrode 6 fond et- le lingot croit, la zone de fonctionnement de l'arc descend progressivement. La paroi intérieure 9 de la lingotière refroidie 1, les parois de la plaque de fond 2, de la chambre à vide 3 et du porteélectrode- 5 absorbent la chaleur produite par l'arc électrique et la transmettent au métal caloporteur liquide; ensuite, dans les échangeurs thermiques des organes du four, cette chaleur est transmise au mélange diphénylique circulant dans le circuit fermé d'échange de chaleur. Le mélange diphénylique refroidi dans l'échangeur thermique à eau 35 est renvoyé par la pompe 36 dans les échangeurs thermiques des organes du four par l'intermédiaire des tubes 34. La transmissioe chaleur dans le porte-électrode 5, la chambre à vide 3 et la plaque de fond 2 s'effectue par convection naturelle de l'alliage NaK dans leurs cavités de refroidissement. Dans la lingotière I, qui est l'organe du four le plus soumis aux constantes thermiques, et dans laquelle la convection naturelle est insuffisante pour maintenir la température à la paroi intérieure 9 à la valeur prescrite (250 à 5000C),le mouvement du métal caloporteur liquide est assuré par les dispositifs de refoulement électromagnétiques 15. Ceux-ci en faisant tourner le métal caloporteur liquide dans les canaux hélicoldaux 14 à plusieurs spires par pas, assurent sa circulation forcée dans le circuit. De la sorte, le processus d'échange thermique est intensifié dans la cavité de refroidissement de la lingotière. Grâce aux dispositifs de refoulement électromagnétiques 15 montés aux deux extrémités de la lingotière refroidie 1, on exclut l'influence du champ électromagnétique sur le processus de refusion à l'arc et sur le processus de solidification du lingot. Au début de la fusion, quand l'arc fonctionne dans la partie inférieure de la lingotière refroidie 1, c'est le dispositif de refoulement électromagnétique 15 supérieur qui fonctionne. Quand le foyer de fusion montant dépasse le milieu de la lingotière refroidie 1, les dispositifs de refoulement élentr magnétiques 15 se substituent automatiquement l'un à l'autre le dispositif 15 inférieur est mis en action, tandis que le dispositif 15 supérieur est mis au repos. A la fin de la fusion, le four est mis hors tension, mais le système de refroidissement continue à fonctionner. En cas de percement, par l'arc de la paroi antérieure 9 de la lingotière refroidie 1 ou de la paroi de la plaque de fond 2, le manomètre 27 à contacts de la chambre d expansion 26 fonctionne et provoque la coupure automatique du four. S'il se produit une détérioration de l'écran protecteur 12, l'indicateur de fuite 16 à contacts électriques fonctionne et envoie un signal provoquant la coupure automatique du four, tandis que le manomètre 19 indique la pression correspondante. Le manomètre à contacts électriques 33 émet un signal en cas de perte d'étanchéité ou de détérioration du porteélectrode 5. Le four proposé dans la présente invention pour la fusion à l'arc sous vide de métaux à haute réactivité, en association avec les avertisseurs à contacts électriques dont il est doté, prévient les explosions en cas de percement de la paroi de la lingotière refroidie 1 par l'arc électrique, élève la sécurité d'utilisation et la fiabilité du four. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné 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 pour la fusion à l'arc sous vide de métaux à haute réactivité, du type comprenant une lingotière refroidie, fermée à joint étanche à sa partie inférieure par une plaque de fond refroidie amovible, et à sa partie supérieure, par une chambre à vide refroidie dans le couvercle de laquelle est monté mobile un porte-électrode refroidi, les cavités de refroidissement de la lingotière, de la plaque de fond et du porte-électrode étant remplies d'un métal de refroidissement liquide et mises en communication avec une chambre d'expansion, ledit four étant équipé en outre d'un circuit d'échange thermique à circulation comprenant un échangeur thermique à eau, caractérisé en ce qu t il comporte des échangeurs thermiques tubulaires placés à raison d'un dans chacune des cavités de refroidissement de la lingotière, de la plaque de fond, du porteélectrode et de la chambre à vide, et raccordés audit circuit d'échange thermique à circulation qui est rempli d'un fluide de refroidissement chimiquement neutre vis-à-vis du métal de refroidissement liquide et de l'eau, un écran sous la forme d'une paroi cylindrique creuse disposée entre la paroi intérieure de la lingotière refroidie et son échangeur thermique tubulaire, et des plats métalliques fixés à la partie supérieure et à la partie inférieure de la lingotière refroidie, entre l'écran et la paroi extérieure de celle-ci, et disposés suivant des hélices à plusieurs spires par pas, de façon à former des canaux au droit desquels, extérieurement à la lingotière refroidie sont montés des dispositifs de refoulement électromagnétiques. 2.- Four selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un indicateur de fuite monté dans la partie inférieure de l'écran creux et se présentant sous la forme d'un dispositif à contacts électriques. N 3.- Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur de pression monté sur l'écran creux et relié électriquement à un avertisseur d'urgence.