Brevet FR2505672A1 — publié le 19821119

La présente invention est relative- a' la fonderie et, plus spécialement elle concerne un procédé et un dispositif pourltobtention des granules à partir du métal fondu. Ltinvention peut être appliquée avec le plus de suc cès pour l'obtention, à partir du métal en fusion, des granules aux besoins de la métallurgie pour la fabrication des alliages à haute concentration de dopage et de matériaux composites. On sait que l'augmentation du taux de dopage des solutions solides pour obtenir une concentration supérieure à la limite de solubilité permet prélever sensiblement la résistance du métal obtenu. La façon la plus efficace pour introduire, dans la solution, une quantité excédente d'éléments d'addition consiste à atomiser la solution sursaturée en soumettant ensuite les particules obtenues à la solidification. Les vitesses importantes de solidification des particules permettent de conserver les concentrations excédentes d'élements d'addition. Cependant, l'uniformité de répartition et les caractéristiques de résistance identiques des particules de métal ne peuvent être obtenues que lorsque les dimensions et la configuration de celles-ci sont identiques. Par conséquent, la condition principale à laquelle doivent satisfaire les particules de métaux à allier, en particulier, et les métaux en granules, en général, est qu'ils doivent être de forme et de dimensions identiques. Les procédés connus de fabrication des granules métal liques sont classés comme : mécanique-où lton obtient des fragments métalliques, par exemple, par concassage ou par fraisage goutte par goutte - où l'on obtient les particules liquides lors de ltécoulement par gouttes du métal fondu à travers les tuyères d'échappement ; chimique - ou l'on réduit le métal à partir des oxydes, sels ou d'autres composés ; par pulvérisation - où lton opère avec des disques, obturateurs, ou pales en rotation pour atomiser le métal fondu dont les particules sont ensuite refroidies en vue d'en obtenir des granules ; par vibration - oU l'on opère avec un piston animé oscillatoirement au sein du métal fondu placé dans un récipient muni d'orifices et enfin, électromagnétique - ou l'on obtient des granules mô- talliques en agissant sur le métal fondu par des forces électromagnétiques. Malgré une telle variété des procédés d'obtention des granules métalliques, aucun desdits procédés ne satisfait aux conditions mentionnées ci-dessus, c'est-à-dire ne permet pas l'obtention des granules dont la configuration et surtout les dimensions seraient identiques. On en est surtout gêné lorsqu'il s'agit de métaux présentant une faible tension superficielle. Pour obtenir un produit à granulométrie désirée, on opère un triage des particules obtenues par procédés susmen tionnés pour en séparer les particules de forme et de dimen sions nécessaires. Les particules restantes sont renvoyées pour un nouveau traitement, & noter que leur part constitue normalement de 0,5 à 0,75 de la masse du produit de départ. Tous les procédés susmentionnés, sauf celui dit élec tromagnôtique, exigent d'ailleurs un appareillage compliqué dont l'animation consomme des quantités importantes d'énergie. Du fait que le procédé type électromagnétique nécessite un équipement plus simple, par rapport à d'autres procô- dés connus, il devient actuellement de plus en plus répandu. On connut un procédé d'obtention de granules à partir d'un métal fondu (voir le certificat d'auteur de LEURS5 N 485824) selon lequel on opère en formant, à partir du mô- tal fondu, un jet libre que l'on soumet ensuite à l'action dùn champ électromagnétique et en refroidissant les granules qui en résultent Pour intensifier le processus, le métal liquide est soumis à l'action du champ électromagnétique impulsif avant la formation du jet de métal. Comme déjà mentionné, malgré certains avantages relevant de la simplicité de l'appareillage indispensable, le procédé en question ne permet pas, lui aussi, d'obtenir les gra nules métalliques de forme et de dimensions identiques. On connaît aussi un dispositif pour l'obtention des granules sphériques à partir des métaux fondus (voir le certificat d'auteur de L'URUS NO 532472) lequel dispositif comprend un récipient pour le métal fondu, dont les parois pré- sentent des buses, et un mécanisme de dispersion de jets qui se présente en forme d'inducteur monté dans le récipient pour le métal fondu lequel est réalisé en forme d'un mélangeur basculant. Malgré quelques traits particuliers qui le distinguent de la technique antérieure, le dispositif considéré serti à mettre en oeuvre toujours le même procédé d'obtention des granules métalliques qui consiste à former un jet libre à partir du métal fondu, à agir sur ce jet libre par un champ électromagnétique envue d'exercer une pression sur le métal fondu et de provoquer l'écoulement de ses gouttes å travers des buses accompagné de la solidification desdites gouttes de métal en raison de leur refroidissement. Le dispositif permet l'obtention des granules métalliques de forme sphérique dont la configuration et les dimensions sont suffisamment identiques. Cependant, comme montre la pratique, il est tout à fait difficile d'obtenir, à l'aide de ce dispositif, des-granules analogues à partir d'un métal présentant une faible tension superficielle. On suppose qu'â l'origine de ce phénomène est la forme sinusordale du courant auquel sont dues les forces électromagnétiques exerçant la pression sur le métal fondu. L'invention vise donc à mettre au point un procédé d'obtention de granules à partir du métal fondu et un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé qui permettraient de fahriquer des granules de forme et de dimensions identiques en agissant sur un jet libre de métal fondu, à son origine, par des forces électrodynakiques dont la fréquence est égale â la fréquence résonante de désintégration dudit jet. Le problème posé est résolu en ce qu'on a mis au point un procédé d'obtention de granules à partir du métal fondu, du type consistant à former, à partir du métal fondu, un jet libre que l'on soumet å l'action d'un champ électromagnétique en vue d'en obtenir des gouttes de métal et à refroidir celles-ci jusqu' & leur solidification,-lequel procédé est caractérisé, selon l'invention, en ce que simultanément avec l'action du champ électromagnétique le jet de métal fondu est traversé, à son origine, par un courant électrique et en ce qu'on impose des lois de variation, dans le temps, du courant électrique et de l'induction du champ électromagnétique en vue d'obtenir des forces électromagnétiques variables agissant sur le métal fondu & une fréquence égale à celle de désintégration naturelle du jet libre, lesquelles forces varient, dans les limites de la période d'oscillation du champ électromagnétique, suivant une courbe dont le tronçon d'élévation, celui de chute jusqutà la valeur négative maximale et celui de retour à zéro constituent, respectivement, de 0,6 à 0,7, de 0,1 à 0,2 et de 0,2 à 0,3 fois ladite période. Le fait d'agir sur le métal fondu par les forces électrodynamiques susmentionnées, qui varient dans les limites de la période d'oscillation suivant une courbe ayant des tronçons (d'élévation, de chute et de retour à zéro) de valeurs susmentionnées, permet d'obtenir des granules de forme sensiblement sphérique et de dimensions identiques à partir des métaux présentant une faible tension superficielle. D'autre part, le problème posé est résolu à l'aide d'un dispositif pour la fabrication des granules métalliques, du type comprenant un récipient pour le métal fondu muni d'une manche circulaire présentant une zone avec des buses disposées dans l'espace d'air d'un électro-aimant dont l'enroulement est relié électriquement à une source de courant électrique sinu soidal, lequel dispositif se caractérise, selon l'invention, en ce qu'il comporte un inducteur embrassé par ladite manche, une source de courant électrique rectangulaire, un bloc de commande et une self de saturation, ladite self étant connectée en série au circuit de l'enroulement de I1 électro-aimant, les entrées du bloc de commande étant connectées aux sorties de la source de courant sinusoldal, la sortie dudit bloc de commande étant connectée à l'entrée de la source de courant rectangulaire et la sortie due celle-ci étant branchée sur l'enroulement de l'inducteur. Cette conception du dispositif permet d'obtenir des forces électrodynamiques alternées agissant sur le métal fondu à une fréquence égale à celle de désintégration naturelle du jet libre et variant, pendant une période, suivant une courbe dont les tronçons d'élévation, de chute jusqu'aulx valeurs négatives et de retour à zéro constituent, respectivement, de 0,6 à 0,7, de 0,1 à 0,2 et de 0,2 à 0,3 fois la période d'une oscillation de forces électromagnétiques. En conformité avec le procédé, c'est justement cette loi de variation des forces électromagnétiques qui permet d'obtenir des granules sphériques de dimensions égales à partir des métaux fondus présentant une faible tension superficielle. Il est possible que la source de courant sinusoldal soit réglable au point de vue fréquence. Alors on peut accorder la fréquence des forces électromagnétiques avec la fréquence de désintégration naturelle (en obtenant leur égalité) du jet libre de métal fondu ce qui permet, à son tour, la fabrication des granules de dimensions identiques. I1 est rationnel que la sel de saturation soit du type commandé. Cela permet de varier la forme de la courbe de l'induction électromagnétique et, par conséquent, d'obtenir une forme sensiblement sphérique des particules lorsquton passe d'une dimension à une autre. Il est également possible que la zone de manche disposée dans l'espace d'air de ltélectro-aimant soit isolée élec triquement et réalisée en forme de boucle dont les deux branches se raccordent par leurs côtes, ladite boucle étant dispo sée dans l'espace d'air de l'électro-aimant de sorte que le courant traverse ladite manche dans un sens perpendiculaire aux forces électromagnétiques existant dans l'espace d'air dudit électro-aimant. Cela exclut l'interaction des champs magnétiques de l'aimant et du courant électrique induit par l'inducteur dans la manche et, d'autre part, cela facilite la correction de la force des particules à obtenir lorsqu'on passe d'une dimension à une autre. I1 est rationnel que les branches formant boucle de la manche et se trouvant dans ltespace d'air de l'électro-ai- mant présentent une section rectangulaire et que le grand côté de chacune desdites branches se trouve dans le plan desdites buses. Cela permet de diminuer l'espace d'air de ltélectro- aimant. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation du procédé d'obtention des granules métalliques avec référence aux dessins annexés dans lesquels t - la Fig. 1 représente schématiquement le dispositif pour l'obtention de granules à partir du métal en fusion - la Fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1 - Ss Fig. 3a, 3b et 3c {epresentent les diagrammes des courants I, de l'induction magnétique W et des forces électromagnétiques Et - les Fig. 4a et 4b représentent les phases de formation des gouttes conformes aux portions caractéristiques du diagramme des forces électromagnétiques. Le dispositif pour l'obtention des granules métalliques comprend un récipient 1 (figure 1) pour le métal en fusion. On voit fixée au récipient 1 une manche circulaire 2 communiquant avec celui-ci et présentant une zone 3 munie de bu ses 4, lesquelles buses servent à l'écoulement libre des jets de métal en fusion. La zone 3 de la manche 2 est disposée dans l'espace d'air d'un électro-aimant 5 dont l'enroulement 6 est relié électriquement à une source 7 de courant électrique si nusoSdal. Selon l'invention, le dispositif comprend un inducteur 8 embrassé par la manche 2, une source 9 de courant é- lectrique rectangulaire, un bloc 10 de commande et une self 11 de saturation. La self 11 de saturation est connectée en série au circuit de ltenroulement 6 de l'électro-aimant 5. Les entrées du bloc 10 de commande sont reliées aux sorties de la source 7 de courantsinusoidal. La sortie dudit bloc 10 de commande est connectée à l'entrée de la source 9 de courant rectangulaire et la sortie de cette dernière est connectée à l'enroulement de l'inducteur 8. Selon un des modes de réalisation de l'invention, la source 7 de courant sinusoïdal est réglable au point de vue fréquence. Selon un autre mode de réalisation de l'invention la self 11 de saturation est commandée. Un autre mode de réalisation se caractérise en ce que la zone 3 (figure 2) de la manche 2, celle qui est disposée dans ltespace d'air de l'électro-aimant 5, présente sur sa surface extérieure un isolant électrique 12 et est réalisée en forme d'une boucle 13. La boucle 13 de la manche 2 se compose de deux branches 14 et 15 qui se raccordent par leurs côtés. La boucle 13 de la manche 2 est disposée dans l'espace d'air de l'électro-aimant 5 (figures 2 et 3) de sorte que, le métal fondu se trouvant dans la manche 2 étant traversé par un courant I, le sens de celui-ci soit perpendiculaire å la direction des forces électromagnétiques existant dans l'espace d'air dudit électro-aimant 5 Selon un autre mode de réalisation, les branches 14 et 15 de la manche 2 présentent leur section transversale de forme rectangulaire.Le grand côté de chacune des branches rectangulaires 14 et 15 se trouve dans le plan des buses 4 susmentionnées. Le dispositif fonctionne comme suit. La tension sinusoidale produite par la source 7 passe par la self 11 de saturation pour s'appliquer à ltenrou- lement 6 de ltélectro-aimant 5. On voit apparattre dans le circuit un courant alternatif I (figure 3) dont la courbe a une forme déterminée par les paramètres de la self 11 de saturation et de ltélectro-aimant 5. Le courant électrique crée dans l'espace dtair de l'électro-aimant 5 un champ magnétique alternatif t. La forme de la courbe de 11 induction électromagnétique W est déterminée, elle aussi, par les parametres de la self 11 de saturation et de ltélectro-aimant 5. La tension sinusoldale de la source 7 est aussi amenée au bloc 10 de commande qui sert à contrôler le fonctionnement de la source 9 de courant rectangulaire. La source 9 de courant rectangulaire alimente l'inducteur 8 qui, à son tour, induit un courant I rectangulaire dans la manche circulaire 2. Le courant I traversant le métal fondu abrité dans la boucle 13 de la manche 2 est orthogonal par rapport au vecteur de l'induction électro-magnétique B et à l'axe de l'orifice de la manche 2. La force électromagnétique F, agissant le long de l'axe de ltorifice de la manche 2, sera proportionnelle au produit résultant de la multiplication des valeurs momentanées du courant dans la manche circulaire 2 par l'induction électromagnétique dans l'espace d'air de l'é- lectro-aimant (figure 3 a, b, c). Du fait que le métal fondu est soumis à l'action de la force électromagnétique F variable, la vitesse d'6- coulement du métal fondu par la buse varie, laquelle vitesse détermine la forme des particules. Au cas où les tronçons de la courbe de la force électromagnétique t diffèrent de ceux de la figure 3 les particules obtenues présentent une forme non sphérique. La figure 4 b représente les phases de forma tion des gouttes, relatives aux différents tronçons de la courbe illustrant le changement des forces électromagnétiques w (fig. 4 a). Lors de l'élévation desdites forces à partir du zéro jusqu'à la valeur positive maximale, ce qui constitue de 0,6 & 0,7 fois la période, on assiste à ltécou- lement du métal fondu de la buse.Alors, la bouche de la buse est le siège de la formation de la surface sphérique avant de la goutte. Lors de la phase suivante constituant de 0,1 à 0,2 fois la période, on assiste à la chute des forces électromagnétiques jusqu'aux valeurs négatives maximales, d'où résulte la formation de la surface sphérique arrière de la goutte. Et lors de la troisième phase, la dernière, on assiste à un net arrêt du métal fondu dans la buse, d'où résulte le décrochage de la goutte dont la forme est parfaitement sphérique. EXEMPLE 1. Le procédé de l'invention a été mis en oeuvre en vue de fabriquer des grenailles à partir d'un alliage contenant 98 % de Pb et 2 % de Sn. Propriétés physiques de l'alliage utilisé densité, kg/m ............................ 11,29.10 conductibilité électrique, milliohm 0,89.106 tension superficielle, N/m......................... 0,38-0,42 température de fusion K........................... 602. Régimes de traitement s puissance consommée, kWt o 3-4 type de courant électrique alternatif sinusoïdal fréquence de courant, Hz............................ 50 système d'alimentation triphasé grandeur du courant dans le métal fondu, A......... 120 induction du champ magnétique , T ................ 0,2-0,3 température de l'alliage, K....................... 0 680 conditions de refroidissement chute libre dans une fosse profonde de 30m dimensions des particules, mm fréquence de courant de 50 Hz ...... 2 fréquence de courant de 10 Hz............ 4 pourcentage de particules de dimensions prédéterminées 96 rendement, kg/h.................................. 250 Au cours de ce procédé, le métal fondu a été admis dans le récipient 1 et, de ce fait, dans la manche 2 avec une température de 20-25 K supérieure à la température de fusion de l'alliage. Une tension étant appliquée à l'inducteur 8 et à l'électro-aimant 5, le processus a été suivi à l'aide d'un tube stroboscopique (non représenté) en réglant, à l'aide des organes appropriés sur le tableau de la source 9 de courant électrique, la forme de la courbe pour obtenir les particules de forme sphérique désirée. Les particules obtenues sont tombées librement dans une fosse (non représentée) en vue de leur refroidissement et solidification, au fond de laquelle elles ont été accumu- lées dans un récipient d'eau. EXEMPLE 2. Le procédé conforme à l'invention a été mis en oeuvre en vue de fabriquer des granules de brasure à partir d'un alliage métallique contenant 39 % de Sn et 61 % de Pb. Propriétés physiques de l'alliage utilisé densité, kg/m ............................. 9,81.10 conductibilité électrique, milliohm 1,07.106 tension superficielle dans un milieu de refroidissement, N/m................ 0,02-0,1 température de fusion , K ................... 456 diamètre des particules, mm................... 2 Les paramètres du processus de fabrication ont été les mêmes que dans exemple 1, exception faite pour le couc rant dont la grandeur dans le métal fondu a constitué 1200 A et pour le milieu de refroidissement qui était en ltoccurren- ce une solution alcoolique à 25 % de colophane. Les particules liquides ont été admises dans un récipient (non représenté) de liquide de refroidissement (pâte à souder). Les granules solides ont été retirés du récipient et soumis au séchage. EXEMPLE 3. Le procédé de l'invention a été mis en oeuvre en vue de fabriquer un matériau en granules à partir d'un alliage d'aluminium dopé de magnésium et de fer en concentration supérieure, par exemple, de deux fois à la limite de solubilité. Propriétés physiques de l'alliage utilisé densité, kg ................................. 2,8.10 conductibilité électrique, milliohm.......... 2,4.106 tension superficielle, N/m .................. 0,38 température de fusion, K.................... 953 Régimes de traitement puissance consommée, kWt........................ 2-3 diamètre intérieur des buses, mm................ 2,03 courant électrique, A dans l'inducteur 45 dans le métal fondu..................... 2300 induction électromagnétique du champ, T ........ 0,2 type de courant................................. alternatif /50-60 Hz/ diamètre des particules, mm ;;. 2 rendement, kg/h................................ 200 Introduit dans le récipient 1 et, ainsi, dans la manche 2, le métal fondu a été intimement malaxé par les forces électromagnétiques d'où une répartition uniforme des éléments d'addition au sein de l'alliage. Les particules liquides se décrochant des buses sont tombées dans une fosse verticale (non représentée) pourvue d'un gaz de refroidissement dont la vitesse d'ascension était de 20-30 % inférieure à la vitesse de descente des particules. EXEMPLE 4. Lors du processus de granulation on a modifié le diamètre de particules qui a augmenté de 2 mm à 3 mm. L'alliage à granuler ainsi que les paramètres du processus ont été analogues à ceux de l'exemple 2. Le diamètre des buses était de d = 1,8 mm. o A cet effet, la vitesse moyenne d'écoulement du métal fondu étant invariable, on a procédé à la diminution de la fréquence du courant électrique dans la source 7 de tension sinusordale de a 1,5 - 1,16 fois. Pour correction définitive (dans les limites de +5-10 % de la dimension de la sphère), on a fait varier des forces électromagnétiques a l'aide de la self 11 réglable. Vis-à-vis les paramètres mentionnés dans l'exemple 2, la résistance dtinduction de la self a été augmentée de 1,3 ohms jusqu'à 1,8 ohms. Ainsi, les particules obtenues selon le procédé conforme à l'invention peuvent être modifiées au point de vue dimension et forme, ctest- & dire on peut corriger leur forme de sorte & obtenir une sphère parfaite. Bien entendu, l'invention ntest nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qutà 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. Procédé d'obtention de granules à partir du métal fondu, du type consistant en ce qu'on opère en formant, à partir du métal fondu, un jet libre soumis ensuite à l'action d'un champ électromagnétique en vue d'en obtenir des gouttes de métal et en refroidissant celles-ci jusqu'à leur solidification, lequel procédé est caractérisé en ce que si multanément, avec l'action du champ électromagnétique le jet de métal fondu est traversé, à son origine, par un courant électrique et en ce qu'on impose des lois de variation, dans le temps, du courant électrique et de l'induction du champ électromagnétique en vue obtenir des forces électromagnétiques variables agissant sur le métal fondu à une fréquence égale à celle de désintégration naturelle du jet libre, lesquelles forces varient, dans les limites de la période d1os- cillation du champ électromagnétique, suivant une courbe dont le tronçon d'élévation, celui de chute jusqu'à la valeur négative maximale et celui de retour à zéro constituent, respectivement, de 0,6 à 0,7, de 0,1 à 0,2 et de 0,2 à 0,3 fois ladite période. 2. Dispositif pour fabrication des granules métalliques, du type comprenant un récipient pour le métal fondu muni d'une manche circulaire présentant une zone avec des buses disposée dans l'espace d'air d'un électro-aimant dont l'enroulement est relié électriquement à une source de courant électrique sinusoidal, lequel dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte un inducteur embrassé par ladite man che, une source de courant électrique de forme rectangulaire, un bloc de commande et une self de saturation, ladite self étant connectée en série au circuit de l'enroulement de l'électro-aimant, les entrées du bloc de commande étant connectées aux sorties de la source de courant sinusodal, la sortie dudit bloc de commande étant connectée à l'entrée de la source de courant de forme rectangulaire et la sortie de celle-ci étant connectée à l'enroulement de l'inducteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source de courant électrique dinusoidal est réglable au point de vue fréquence. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la self de saturation est du type commandé. 5. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la zone de la manche, celle qui est disposée dans l'espace d'air de l'électro-aimant, a sa surface extérieure isolée électriquement et est réalisée en forme d'une boucle dont les deux branches se raccordent par leurs côtés, ladite boucle étant disposée dans l'espace d'air de l'électro-ai- mant de sorte que le courant traverse ladite manche dans un sens perpendiculaire à la direction des forces électromagnétiques ainsi créées dans ltespace d'air dudit électro-aimant. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les branches formant boucle et se trouvant dans ltespace d'air de ltélectro-aimant présentent une section transversale rectangulaire, le grand ctté de chacune desdites branche étant disposé dans le plan des buses susmentionnées.