Brevet FR2487854A1 — publié le 19820205

La présente invention concerne un dispositif de préparation d'un mélange contenant une phase solide et une phase liquide d'un alliage métallique, du type utilisé dans les procédés de formage à l'état "semi-liquide". On sait, en métallurgie, que les alliages métalliques ont un inter- valle de température dans lequel ils se solidifient et dont la largeur est caractéristique de l'alliage lui-même. Au- dessus de l'extrémité supérieure de cet intervalle. (tempé- rature de liquidus), l'alliage est totalement à l'état li- quide, alors que au-dessous de l'extrémité inférieure de cette plage (température de solidus), l'alliage est à l'état solide. Deux phases sont présentes dans l'intervalle de solidification, l'une liquide et l'autre solide, leurs quantités relatives étant fonction de la température et de la composition de l'alliage lui-même. Dans les conditions habituelles de solidification, la phase solide est présente sous forme dendritique, c'est- à-dire sous forme de squelette ramifié caractérisé par des ramifications principales dont partent perpendiculairement des ramificationssecondaires, tertiaires, etc. Lorsque la fraction solide atteint 20 %, les dendrites présentent un squelette ramifié continu qui accroît la valeur de la vis- cosité au-delà des limites acceptables dans une opération de moulage. On connaît des procédés permettant la préparation d'un mélange contenant une phase solide et une phase liqui- de de la matière métallique qui a les propriétés caractéris- tiques d'un liquide et en particulier une viscosité relati- vement faible bien que la concentration de phase solide soit relativement élevée. Ces procédés connus ont tendance à provoquer un glissement entre les diverses particules du mélange maintenu en mouvement de manière que les connexions dendritiques qui se forment au cours de la solidification du mélange soient rompues, entre certaines limites, et de manière que l'accrois- sement des dendrites elles-mêmes soit empêché; de cette ma- nière, les fragmentsdendritiques restent indépendants les uns des autres et ont tendance à prendre des formes sphéroldales sous l'action de chocs mécaniques continus. Ce glissement qui peut être estimé à l'aide du gradient relatif de vitesse, peut être obtenu d'une manière interne à la fois par un écoulement turbulent et par un cou- rant de fluide laminaire et fixe, telsque les diverses par- ticules du mélange se déplacent avec une vitesse prédétermi- née d'après la position qu'elles ont par rapport aux parois de la cavité qu'elles parcourent. On connaît déjà un dispositif comportant un réci- pient sensiblement cylindrique dans lequel un courant du mélange est formé et qui contient des dispositifs de sépara- tion et de transport sous forme d'ailettes hélicoïdales, destinées chacune à diviser le courant passant sur elles en au moins deux courants et à donner à chacun de ces courants un trajet sensiblement hélicoïdal; dans ce dispositif, le mélange subit des effets de glissement et des chocs très élevés si bien que le mélange qui est dans le dispositif a un pourcentage plus élevé de phase solide alors que la vis- cosité du mélange lui-même est relativement faible. On a déterminé que, bien que le dispositif précité donne des résultats totalement satisfaisants, lorsque le mélange doit avoir une viscosité prédéterminée et qui n'est pas particulièrement élevée, par exemple lorsqu'il doit être utilisé pour un moulage ultérieur par mise en oeuvre des techniques de coulée en coquille, le pourcentage de phase solide ne peut pas dépasser une certaine valeur, limitée à 60 % environ, lorsque le dispositif a des dimensions tel- les qu'il donne un débit relativement élevé de mélange, par exemple nécessaire dans une installation industrielle de productivité élevée. L'invention concerne un dispositif du type décrit mais qui permet l'obtention d'un mélange de faible viscosi- té et ayant un pourcentage très élevé de phase solide, no- tamment supérieur aux limites indiquées précédemment et qui simultanément donne un débit quelconque de mélange, même très élevé. Le dispositif selon l'invention se caractérise par le fait qu'il comporte plusieurs conduits qui sont parcourus par un courant de l'alliage et qui communiquent chacun avec un réservoir d'alimentation en alliage, plu- sieurs ailettes hélicoïdales étant disposées le long de chacun des conduits avec des axes longitudinaux qui coin- cident avec ceux des conduits eux-mêmes, chaque ailette étant destinée à diviser le courant associé de matière en au moins deux courants et à faire circuler ceux-ci selon des trajets sensiblement hélicoïdaux, le diamètre de chacun des conduits étant compris entre 2 et 10 mm. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une coupe longitudinale schéma- tique d'un dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une perspective d'une ailette hélicoïdale faisant partie du dispositif lui- même; et - la figure 3 est un graphique représentant une famille de courbes illustrant le comportement du dispositif en cours d'utilisation. Le dispositif comporte essentiellement plusieurs éléments superposables 1 sous forme de plaques dans lesquels une série de trous 2 est formée, les trous traversant la plaque elle-même et étant disposés avec une configuration prédéterminée quelconque. En conséquence, lorsque ces élé- ments sont superposés comme indiqué sur la figure 1, deux surfaces étant en contact, les divers trous délimitent plu- sieurs conduits 3 qui traversent toute la pile formée par les éléments. Les éléments superposables peuvent être délimités par une surface latérale quelconque, par exemple cylindrique, et des dispositifs éventuels de positionnement et de centra- ge d'un type quelconque peuvent les maintenir en position relative convenable, par exemple à l'aide de paires de sur- faces cylindriques 4 qui peuvent être couplées mutuellement comme indiqué sur la figure 1, ou à l'aide de goujons, de rivets ou analogue. Les divers conduits 3 communiquent avec un réser- voir 5 qui peut contenir une quantité prédéterminée d'un alliage à l'état liquide; celui-ci peut provenir d'un four convenable de fusion et, entre ce dernier et le réservoir, un dispositif peut assurer la mise sous pression de l'a- liage, de façon continue ou intermittente, et peut être cons- titué par exemple dans le premier cas par une pompe à en- grenage et dans le second cas par un dispositif de poussée à piston. L'ensemble des éléments superposés 1 est refroidi par un dispositif convenable afin que la matière qui s'écou- le dans les conduits 3 soit progressivement refroidie et qu'il existe, dans ceux-ci, un gradient prédéterminé de température AT/L défini comme étant la variation de tempé- rature AT en fonction de la distance L parcourue par la matière elle-même dans le conduit. A cet effet, les trous convenables 6 peuvent être formés dans les éléments 1 afin qu'ils constituent des conduits faisant partie d'un circuit de refroidissement. L'extrémité inférieure du conduit 3 peut communi- quer, par l'intermédiaire d'un dispositif non représenté,, avec une machine destinée à utiliser le mélange, par exemple une presse de coulée en coquille ou un moule dans lequel la matière peut être rassemblée. Un dispositif de séparation de courant et de transport est disposé dans chaque trou 2 de l'élément 1 et est destiné à être parcouru par la matière qui s'écoule longitudinalement dans les trous eux-mêmes. Ces dispositifs sont formés par plusieurs ailettes 7 qui apparaissent clai- rement sur la figure 2 et qui ont chacune pour rôle de sé- parer le courant de matière reçue depuis l'amont en au moins deux courants indépendants 8 et 9 (figure 2) et à provoquer 'l'écoulement de ces courants suivant un trajet tel que chaque courant formé par une ailette suivante com- prenne des parties des courants provenant de l'ailette qui la précède immédiatement. A cet effet, chaque ailette peut avoir avantageu- sement la configuration indiquée sur la figure 2, c'est-à- dire obtenue par torsion en hélice d'une plaque parallèlement à l'axe du trou 2. La longueur axiale de chaque ailette et le pas de l'hélice sont choisis de manière que les bords des extrémités, à savoir le bord avant 10 et le bord arrière 11 de chaque ailette soient décalés l'un par rapport à l'autre de 90 . Il est évident que, dans ces conditions, le courant de matière qui circule dans le trou 2 est séparé par cha- que ailette 7 en deux courants pratiquement égaux 8 et 9, chacun de ces courants tournant d'un angle de 900 lorsqu'il s'écoule le long de l'ailette elle-même. Les diverses ailettes successives 7 sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres de 90 comme l'indique clairement la figure 1 de manière que le bord ar- rière il de chaque ailette soit pratiquement perpendiculai- re au bord avant 10 de celle qui la précède immédiatement. Les ailettes peuvent être formées d'une matière quelconque possédant la résistance physique et chimique con- venable à l'alliage qui s'écoule sur elles, par exemple de carbure de tungstène, d'acier revêtu d'une matière céramique, de graphite ou analogue; ces ailettes sont fixées à l'élé- ment associé 1 de toute manière commode, par un dispositif convenable de raccordement, ou elles peuvent même être for- mées en une seule pièce avec l'élément lui-même. Bien que, dans le mode de réalisation représenté, les diverses ailettes 7 aient toutes des pas de même sens, le dispositif peut comprendre des ailettes disposées alter- nativement avec des pas à droite et à gauche. Selon l'invention et dans un but décrit plus en détail dans la suite, le diamètre de chaque trou 2 est rela- tivement petit et est compris entre 2 et 10 mm, le rapport de la longueur axiale du trou lui-même à son diamètre étant de l'ordre de l'unité. Le fonctionnement du dispositif décrit précédem- ment est le suivant. Un alliage métallique mis à l'état liquide par fusion, est transmis à un réservoir 5 à une pression conve- nable, choisie de manière qu'elle soit supérieure à celle qui correspond aux résistances à l'écoulement de la matière fluide elle-même dans sa circulation dans les conduits 3, afin que la matière sorte par les extrémités inférieures de ceux-ci avec une vitesse prédéterminée. La matière présente à l'extrémité de chaque con- duit et qui est encore à l'état totalement liquide, subit un refroidissement progressif lorsqu'elle s'écoule dans le conduit lui-même, ce refroidissement étant assuré par le dispositif décrit précédemment. La matière qui rencontre la première ailette 7 de l'un quelconque des conduits se divise en deux courants 8, 9 repérés par les flèches indi- quées sur la figure 2; pendant son écoulement le long de la première ailette, chaque courant 8, 9 tourne de 900 envi- ron si bien que, lorsqu'il parvient à l'ailette suivante, il est séparé par celle-ci en deux autres courants. Il est donc évident que chaque courant qui circule dans l'un des deux canaux formés par la seconde ailette 7 du conduit est en réalité constitué par une matière provenant des deux cou- rants 8 et 9 qui ont circulé dans les deux canaux formés par l'ailette immédiatement précédente; de manière analogue, lorsque chacun des courants ainsi constitués s'écoule le long de la troisième ailette, il est à nouveau divisé en deux courants. En conclusion, lorsque la matière s'écoule le long de chacune des ailettes 7, elle est divisée en deux courants indépendants obtenus chacun par prélèvement de matière des deux courants provenant de l'ailette précédente. Lorsque l'alliage s'écoule longitudinalement dans le conduit 3 en se refroidissant sous l'action du dispositif précité, il tend à former un mélange contenant une phase so- lide et une phase liquide dans lequel la teneur en phase so- lide a tendance à augmenter au cours du refroidissement, c'est-à-dire progressivement lorsque la matière progresse le long des conduits 3. Les particules de matière apparte- nant à un courant élémentaire de chacun des courants qui s'écoulent le long de chaque ailette 7 prend une vitesse prédéterminée qui dépend évidemment de la position du courant élémentaire lui-même par rapport aux surfaces qui délimitent le courant associé (les surfaces de l'ailette 7 et du trou 2); en conséquence, lorsque les courants s'écoulent le long de chacune des ailettes,ils subissent un effet de glissement qui dépend évidemment de la répartition des vitesses des divers courants élémentaires de chaque cou- rant séparé; ce glissement peut être estimé d'après le gradient de glissement, défini sous forme du rapport de la variation de vitesse entre deux courants élémentaires et de leur distance. Etant donné ce glissement entre les di- verses particules, plus important lorsque le gradient asso- cié est plus grand, les liaisons dendritiques qui tendent à se former dans le mélange de la matière sont progressi- vement rompues lorsque la matière avance le long de l'ai- lette, et la formation de nouvelles liaisons est empêchée. Dès que la matière quitte une ailette et par- vient à la suivante, elle se trouve dans une plage de vi- tesses totalement différente étant donné que les diverses particules se trouvent alors dans des courants élémentaires dont la position par rapport aux surfaces qui délimitent le courant associé est totalement différente de celle des cou- rants élémentaires qui les contenaient, au niveau de l'ai- lette précédente. En fait, si l'on considère que, par exem- ple, un courant élémentaire qui, dans la première ailette, se trouve à proximité immédiate de la surface-de l'ailette elle-même et non au centre et qui a donc une très faible vitesse (presque nulle) étant donné sa grande proximité de la surface, lorsque le courant élémentaire parvient à l'ailette suivante, se trouve pratiquement au centre du courant formé par cette ailette, c'est-à-dire à une dis- tance beaucoup plus grande de la surface de l'ailette elle- même, il est évident qu'un courant élémentaire ayant cette position a une vitesse beaucoup plus élevée que celle du courant élémentaire correspondant au niveau de l'ailette précédente. Cette variation très forte de vitesse subie par les diverses particules qui passent d'une ailette à la sui- vante, provoque une augmentation importante du gradient de glissement, avec l'avantage d'accroître notablement le glis- sement et les chocs mutuels des diverses particules des différents courants élémentaires, avec rupture importante des liaisons dendritiques qui ont tendance à se former dans la phase solide de la matière qui s'écoule lelong de chaque conduit 3. Lorsque le courant de matière avance le long de chaque conduit 3, il est soumis à un gradient de tempéra- ture AT/L, c'est-à-dire une variation de température AT pour une variation de distance L parcourue par l'alliage le long de chaque conduit 3, donnant une idée de la vitesse de refroidissement le long du conduit lui-même. On a déterminé par des essais effectués sur des dispositifs analogues à ceux de 1 Dinvention, ayant des con- duits 3 de diamètres différents et travaillant dans diverses conditions, que la relation entre la viscosité du mélange ob- tenu et la concentration c de la phase solide dans le mélange lui-même pouvait être exprimée sous forme de courbes ayant la forme représentée sur la figure 3, chacune des courbes correspondant à un gradient prédéterminé AT/L (ou à une vitesse de refroidissement prédéterminée) considéré comme constant; le gradient de température est une fonction qui dépend essentiellement du diamètre des conduits 3 ainsi que des conditions de fonctionnement du dispositif (rendement de refroidissement, vitesse de l'alliage, etc.), et il a tendance à augmenter lorsque le diamètre diminue. Les di- verses courbes de la famille, repérées par les références G1, G2, G3 correspondent à des gradients de température décroissant progressivement; il est donc évident d'après ces courbes que, lorsque l'on veut obtenir un mélange de très faible viscosité prédéterminée n0 (figure 2) avec en même temps une concentration très élevée de phase solide c3, ces conditions ne peuvent être satisfaites qu'avec un dispositif avec lequel on peut obtenir le gradient de tem- pérature (ou la vitesse de refroidissement) qui est aussi très faible àT/L correspondant à la courbe G3 (un dispo- sitif dans lequel on peut obtenir les gradients de tempé- rature G2, G1 peut donner un mélange ayant la même visco- sité -0 mais uniquement avec une concentration de phase solide c2, cl bien inférieure à la concentration c3). Il est donc évident, d'après la description qui précède que l'obtention des conditions favorables préci- tées nécessite le déplacement de la matière dans les con- duits avec une faible vitesse de glissement; cependant, le dispositif permet aussi l'obtention d'un débit très éle- vé de mélange, celui-ci ne dépendant que du nombre de con- duits 3 (et en conséquence de trous 2) formés dans les élé- ments superposables 1. En conséquence, comme le dispositif selon l'in- vention permet la formation de mélanges ayant à la fois une très faible viscosité et une très grande concentration de phase solide, bien supérieure à celles qu'on peut obtenir avec les dispositifs connus, simultanément à un débit très élevé, ces dispositifs présentent un grand intérêt pour la mise en oeuvre d'opérations industrielles. Enfin, le dispositif a une construction très simple et il se prête facilement à une adaptation à diffé- rentes conditions de mélange, par addition ou enlèvement d'éléments superposables 1. Il est bien entendu que l'invention n'a été dé- crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son ca- dre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de préparation d'un mélange contenant une phase solide et une phase liquide d'un alliage métalli- que dans lequel la concentration de la phase solide a une valeur prédéterminée, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs conduits (3) qui peuvent être parcourus par un courant de l'alliage, chaque conduit (3) communiquant avec un réservoir (5) d'alimentation en alliage, plusieurs ai- lettes hélicoïdales (7) étant disposées le long de chacun des conduits (3) et ayant des axes longitudinaux qui coin- cident avec ceux des conduits, chaque ailette (7) étant destinée à diviser le courant associé de matière en au moins deux courants et à provoquer le déplacement de chacun de ceux-ci suivant un trajet sensiblement hélicoïdal, le dia- mètre de chacun des conduits (3) étant compris entre 2 et mm. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des ailettes (7) a une longueur axiale telle que chacun des courants subit une rotation de 900. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les ailettes (7) disposées dans cha- cun des conduits (3) sont décalées angulairement les unes par rapport aux autres de 90 si bien que le bord (11) de sortie de chaque ailette est pratiquement perpendiculai- re au bord d'entrée (10) de l'ailette qui la suit immédia- tement. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la longueur axiale de chacune des ailettes (7) et du diamètre du conduit associé (3) est pratiquement égal à l'unité. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un dis- positif (6) destiné à donner une variation prédéterminée de température à la matière le long de l'axe de chaque conduit (3) de manière que le mélange obtenu ait une concentration de phase solide de valeur prédéterminée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- il tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend plu- sieurs éléments superposables (1) sous forme de plaques ayant chacune une première série de trous (2) qui débou- chentayant une configuration prédéterminée, les trous cor- respondants (2) des éléments superposables (1) formant les conduits (3) lorsque les éléments eux-mêmes sont superposés. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que certains aux moins des éléments superposables (1) comportent une seconde série de trous (6) qui les traver- sent et qui, lorsque les éléments (1) sont superposés, forment des circuits de circulation d'un fluide maintenu à unetempérature prédéterminée et destinés à donner la va- riation prédéterminée de température le long de l'axe de chaque conduit (3). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que chaque ailette (7) est formée par une plaque tordue en hélice.