Brevet FR2613729A1 — publié le 19881014

La présente invention concerne le raffinage en sole froide par faisceaux électroniques de métaux tels que les alliages de titane qui doivent être totalement exempts d'inclusions non raffinées, et plus particulièrement un nouveau four perfectionné de raffinage à sole froide par faisceaux électroniques qui est spécia- lement adapté pour éviter la contamination du métal raffiné. Dans certaines applications o l'on utilise dans des pièces de moteurs d'avions des métaux tels que des alliages de titane qui ont été raffinés par raffinage en sole froide par faisceaux électroniques, la présence dans le lingot raffiné de quantités même les plus infimes d'inclusions non raffinées est extrêmement nuisible. Comme ces inclusions peuvent conduire, par exemple, à la rupture et à la désintégration de pièces de moteurs d'avions tournant à vitesse très élevée, elles doivent être tota- Lement évitées. Dans le raffinage en sole froide par faisceaux éLectro- niques classique de métaux tels que des alliages de titane, on charge une sole refroidie par l'eau avec des morceaux d'éponge de titane ou de tournures ou copeaux d'usinage d'alliage de titane consistant en déchets de la fabrication de pièces en alliage de titane. Cette matière est introduite par alimentation par gravité à une extrémité d'une sole allongée refroidie dans un four à faisceaux d'électrons dans lequel la matière est fondue et raffinée par le choc de faisceaux d'électrons. La matière fondue raffinée est versée depuis l'extrémité opposée de la sole dans un moule cylindrique o elle forme un lingot cylindrique vertical qui est retiré vers le bas dans un moule à mesure qu'il se solidifie. Dans les fours à sole froide classiques pour le raffinage par faisceaux d'électrons d'alliages de titane, etc., la matière première contient souvent des contaminants ou impuretés vaporisables tels que le chlore dans L'éponge de titane et l'huile ou l'humidité dans les copeaux d'usinage. Comme ces matières sont introduites dans la zone de masse fondue de la sole et sont fondues par le métal fondu et par un faisceau d'électrons, les contaminants vaporisables produisent fréquemment des éruptions relativement violentes du métal en cours de raffinage. On a trouvé que ces éruptions font jaillir ou gicler à la fois la matière fondue et la matière non fondue depuis la-zone de fusion vers d'autres régions du four à faisceaux d'électrons, y compris la zone de coulée o le lingot raffiné est moulé. En conséquence, il est possible que du métal non raffiné contenant des inclusions indésirables telles que nitrures de titane ou carbures de tungstène, par exemple, soit introduit dans le moule et incorporé ainsi dans le lingot coulé et dans un produit final quelconque fabriqué à partir du lingot, comme un disque de compresseur pour moteur à réaction, par exemple. On a proposé jusqu'à présent de disposer un écran vertical au-dessus de la matière fondue à l'extrémité de la sole voisine de la zone de coulée afin de bloquer ces projections de matière dans le moule. Avec ces dispositions, cependant, la matière non fondue projetée par des éruptions et que l'écran empêche de pénétrer directement dans la zone de coulée peut être déviée vers le bas depuis l'écran dans la matière fondue au point o elle passe de la sole dans le moule. En outre, la matière vaporisée et la matière fondue projetée peuvent s'accumuler et se solidifier sur l'écran et des portions de cette matière fondue contenant des inclusions d'impuretés peuvent tomber de temps en temps de l'écran dans la matière fondue raffinée lorsqu'elle passe de la sole dans le moule. En conséquence, un objet de la présente invention est de proposer un nouveau dispositif de raffinage par faisceaux d'électrons à sole froide qui surmonte les inconvénients ci-dessus mentionnés de la technique antérieure. Un autre objet de l'invention est de proposer un nouveau four de raffinage par faisceaux électroniques à sole froide qui donne une plus grande certitude que le métal raffiné sera exempt d'inclusions indésirables. Ces objets de l'invention et d'autres sont atteints en proposant une disposition de sole allongée ayant des segments de sole qui s'étendent à un angle l'un de l'autre, un dispositif d'alimentation pour introduire la matière première dans une zone de fusion (ou masse fondue) à une extrémité de l'un des segments de sole, un moule pour recevoir la matière raffinée depuis l'extrémité opposée d'un autre segment, et un écran disposé dans l'angle entre les segments de sole dans une position telle qu'une ligne droite s'étendant entre la zone de fusion et le moule coupe l'écran dans une position écartée latéralement des deux segments de sole. Dans une disposition préférée, les deux segments de sole sont des soles séparées disposées à angle droit l'une de l'autre à des niveaux différents, de sorte que le métal fondu raffiné provenant de la première sole est versé dans l'extrémité voisine de la seconde sole. D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à La Lecture de la description qui suit en référence aux dessins annexes, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitu- dinale illustrant un dispositif classique de raffinage par faisceaux d'électrons à sole froide; et - la figure 2 est une vue en plan schématique illustrant un dispositif typique de raffinage par faisceaux d'électrons à sole froide selon la présente invention. Dans le dispositif classique à sole froide de raffinage par faisceaux d'électrons représenté à la figure 1, une sole 10 comprend un fond de creuset 11 contenant des conduites réfrigé- rantes 12 à travers lesquelles on peut faire circuler de l'eau ou un autre liquide réfrigérant. A l'extrémité d'entrée de la sole, une goulotte 13 envoie les morceaux 14 de la matière première à raffiner, tels qu'éponge de titane ou copeaux d'usinage d'alliage de titane, dans la sole et une série de canons à faisceaux d'élec- trons 15 disposés au-dessus de la sole produit des faisceaux élec- troniques réglables 16 qui peuvent être dirigés sur des zones désirées de la sole pour chauffer la matière à raffiner de la manière souhaitée. L'un des faisceaux 16 est concentré sur la matière première 14 dans la zone de fusion 17 de la sole de manière à fondre la matière première et d'autres faisceaux électroniques 16 sont réglés pour raffiner le métal fondu pendant son passage de la zone de fusion 17 à un bec de coulée 18 à l'autre extrémité de la sole. En conséquence, la matière première introduite dans la sole forme une masse liquide 19 qui s'écoule de la zone de fusion 17 au bec de coulée 18. Du fait que le fond de creuset (Lit de la sole) 11 est refroidi par le liquide circulant à travers les cana- lisations 12, un fond de moule refroidi solide 20 de la matière fondue 19 dans la masse liquide se forme sur la surface interne du fond de la sole, en le protégeant de la dégradation par la matière fondue. A mesure que la matière fondue 19 s'écoule à travers la sole, elle est totalement fondue et raffinée, produisant un courant 21 de matière raffinée fondue qui se déverse du bec de coulée 18 dans un moule vertical 22 contenant des conduites de réfrigération 23. Le métal fondu se refroidit alors dans le moule 22, en formant un lingot 24 qui est progressivement déplacé vers le bas dans le moule de manière classique comme indiqué par la flèche. Un autre canon à faisceau d'électrons 25 envoie un faisceau d'électrons 26 de manière réglée vers la surface de la matière fondue 27 dans le moule de manière à régler de la manière souhaitée le refroidis- sement et la solidification de cette matière. Tout le dispositif est bien entendu contenu dans une enceinte fermée (non représentée) et maintenu sous vide poussé de manière classique. Lorsque la matière première 14 est introduite dans la zone de fusion de la sole, elle entraîne fréquemment avec elle certains contaminants qui sont volatils à la température de la matière fondue 19 et qui sont donc séparés pendant le procédé de raffinage. Par exemple, les particules d'éponge de titane peuvent contenir du chlore et les copeaux d'alliage de titane peuvent entraîner des liquides tels qu'huile et eau lorsqu'ils sont versés de la goulotte 13 dans la zone de fusion 17. Fréquemment, l'intro- duction de ces matières volatiles dans la matière fondue 19 provoque une vaporisation rapide de la matière volatile à la surface de la matière fondue ou au-dessous, en produisant des éruptions qui projettent à la fois la matière fondue et la matière non fondue dans toutes les directions. Dans des dispositifs à sole classiques, ces éruptions peuvent projeter la matière non raffinée directement de la zone de 2.613729 fusion 17 de la sole dans le moule 22 comme indiqué par les trajec- toires en trait interrompu 28 à la figure 1. Bien que le canon à faisceau d'électrons 25 envoie un faisceau d'électrons 26 à la surface de la matière fondue 27 dans le moule, cette matière est en général à une température inférieure à la matière dans la sole et le faisceau d'électrons 26 n'est normalement pas suffisant pour raffiner toute matière non raffinée à l'intérieur du moule. En conséquence, le métal non raffiné projeté, contenant des inclusions telles que nitrures de titane ou carbures de tungstène, peut être incorporé dans le lingot 24, en contaminant le produit final fabriqué à partir de ce lingot, avec des résultats nuisibles pour ce produit. Dans certains fours à sole froide classiques de raffinage par faisceaux d'électrons, un écran peut être placé au-dessus de l'extrémité de sortie de la sole, comme indiqué par le profil en tirets 29 à la figure 1, pour empêcher la matière projetée depuis la zone de fusion de passer directement dans le moule 22. Avec ces dispositifs, cependant, la matière non raffinée projetée depuis la zone de fusion 17 vers le moule qui frappe l'écran 29 est fréquemment déviée vers le bas en direction de la surface de la matière fondue 19 qui est versée dans le moule, de sorte qu'elle est entraînée directement dans le moule avec la matière fondue. En outre, la matière vaporisée et la matière fondue projetée se solidifient sur la surface de l'écran et des portions de cette matière solidifiée peuvent s'en détacher, de sorte qu'elles tombent directement dans la masse fondue qui est versée, avec le même résultat nuisible. Selon la présente invention, la possibilité d'introduire cette matière non raffinée dans un moule est éliminée au moyen d'une sole segmentée de la manière représentée à la figure 2. Dans cette disposition, un premier segment de sole 30 a la forme d'une sole allongée ayant une extrémité d'entrée par laquelle on intro- duit la matière première, par exemple éponge de titane ou tournures ou copeaux d'alliage de titane 14, depuis une goulotte 13 dans la zone de fusion 17. Des canons à faisceau d'électrons, semblables au canon 15 représentés à la figure 1 mais non représentés à la figure 2, sont disposés au-dessus du segment de sole 30 pour faire fondre la matière première dans la zone de fusion 17 et pour raffiner la matière fondue 31 à mesure qu'elle passe vers un bec de couLée 32 à l'extrémité de sortie du segment de sole 30. Un second segment de sole allongé 33, disposé à un niveau inférieur au segment de sole 30 et à angle droit du segment 30, reçoit la matière fondue 34 par le bec de coulée 32. Un ou plusieurs canons à électrons supplémentaires semblables au canon 15 de la figure 1, mais non représentés à la figure 2, envoient des faisceaux d'électrons vers la surface de la matière fondue dans une zone de raffinage 35 de ce segment de sole pour terminer le raffinage de la matière à mesure qu'elle s'écoule à travers le segment de sole. A son extrémité de sortie, le segment de sole 33 comporte un bec de coulée 36 par lequel le métal fondu raffiné 37 est versé dans un moule 38 pour produire un lingot raffiné de la même manière que décrit ci-dessus en rapport avec la figure 1. Le moule 38, comme illustré à la figure 2, a une section droite circulaire mais il peut encore avoir toute autre configuration désirée de section droite, par exemple une section droite rectangulaire. Pour empêcher l'introduction de matière non raffinée dans le moule 38 selon l'invention, un écran plein 39 est monté dans l'angle entre les premier et second segments de sole 30 et 33 de telle manière qu'une ligne directe tracée entre la zone de fusion 17 à l'extrémité d'entrée du segment de sole 30 et soit la zone de raffinage du second segment de sole, soit le moule 38 coupe l'écran 39. En outre, comme indiqué à la figure 2, l'écran 39 est déplacé latéralement depuis les segments de sole de sorte que la matière fondue projetée contre lui ou la matière vaporisée ou projetée qui s'est solidifiée sur sa surface ne tombe pas dans la matière fondue soit dans le premier segment de sole 30, soit dans le second segment de sole 33. Bien que deux segments de sole seulement soient représentés dans la figure 2, on peut utiliser un nombre quelconque de segments de sole, bien entendu, pour autant qu'une disposition d'écrans soit prévue pour empêcher la matière projetée depuis la zone de fusion d'atteindre le moule. Avec cette disposition, on peut raffiner des métaux tels qu'un alliage de titane dans un four à faisceaux électroniques à sole froide se préoccuper des inclusions possibles qui pourraient' être projetées dans le moule à l'extrémité de la sole par l'introduction de matières contenant des contaminants vaporisables dans la zone de fusion de la sole. En outre, lorsque l'on utilise deux ou plusieurs segments de sole à des niveaux différents, comme dans le mode de mise en oeuvre représenté à la figure 2, deux fonds de moule refroidis se forment de sorte que la dilatation et la contraction thermiques des fonds de moule peuvent se produire dans chaque segment de sole indépendamment des conditions dans l'autre segment de sole. En conséquence, on peut utiliser des conditions de raffinage différentes dans les segments de sole et une agitation améliorée de la matière en cours de raffinage est fournie par la chute en cascade de la matière fondue d'un segment dans l'autre, de sorte qu'on peut obtenir un raffinage amélioré de la matière. Il est entendu que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés décrits ci-dessus à titre d'illus- tration et que l'homme de l'art peut y apporter diverses modifi- cations et divers changements sans toutefois s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Four de raffinage par faisceaux électroniques, caracté- risé en ce qu'il comprend une sole ayant un premier segment de sole (30) et un second segment de sole (33) allongés disposés à un angle l'un par rapport à l'autre, un moule (38) pour recevoir la matière fondue après passage à travers les premier et second segments de sole (30, 33), des moyens d'alimentation (13) pour introduire la matière à raffiner dans une zone de fusion (17) voisine d'une extrémité du premier segment de sole (30), des moyens de liaison (34) assurant l'écoulement de la matière fondue entre l'extrémité opposée (32) du premier segment de sole (30) et une extrémité du second segment de sole (33), des moyens (37) pour transférer la matière raffinée depuis l'extrémité opposée (36) du second segment de sole (33) dans le moule (38), et un écran (39) disposé entre la zone de fusion (17) du premier segment de sole (30) et le moule (38), de sorte qu'une ligne droite s'étendant entre la zone de fusion (17) du premier segment de sole (30) et le moule (38) coupe l'écran (39) en une position latéralement écartée des premier et second segments de sole (30, 33). 2. Four de raffinage par faisceaux électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier segment de sole (30) est à un niveau plus élevé que le second segment de sole (33) et les moyens de liaison (32) comprennent un bec de coulée (34) à l'extrémité (32) du premier segment de sole (30) voisine du second segment de sole (33). 3. Four de raffinage par faisceaux électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second segment de sole (33) comprend une zone de raffinage (35) et l'écran (39) est disposé de telle sorte qu'une ligne droite s'étendant entre la zone de fusion (17) du premier segment de sole (30) et la zone de raffinage (35) du second segment de sole (33) coupe l'écran (39) en une position écartée latéralement des premier et second segments de sole (30, 33). 4. Four de raffinage par faisceaux électroniques selon la revendication 1, dans lequel les premier et second segments de sole Z613729 allongés (30, 33) sont disposés à peu près à angle droit l'un de l'autre, la zone de fusion (17) du premier segment de sole (30) est à l'extrémité du segment (30) éLoignée du second segment de sole (33), le moule (38) est disposé au voisinage de l'extrémité du second segment de sole (33) éLoignée du premier segment de sole (30) et l'écran (39) est disposé dans l'angle formé entre les premier et second segments de sole (30, 33). 5. Four de raffinage par faisceaux électroniques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier et second segments de sole (30, 33) sont disposés de manière à soumettre la matière fondue passant à travers eux à des conditions de raffinage différentes.