Brevet FR2629573A1 — publié le 19891006

TETTE DE FUSION COHTIRUR POUR NETAUX OU IUflGES La présente invention concerne une tête de fusion continue pour métaux ou alliages, notamment à haut point de fusion. On connait des têtes de fusion comprenant un creuset en matériau réfractaire entouré par un générateur à induction magnétique. te générateur élève la température du métal ou alliage introduit en continu sous forme dtun barreau solide dans le creuset, jusqu'à sa température de fusion. Le métal fondu se rassemble dans le creuset Jusqu' un orifice inférieur duquel il s'écoule sous forme dtun filet liquide à débit constant lorsque les conditions optimales sont atteintes : température, puissance, vitesse d'alimentation notamment. Le contact du métal liquide sur les parois du creuset entrain malheureusement une pollution du métal par certains composants du matériau -réfractaire constituant les parois du creuset. De plus, la régulation en débit et température du filet liquide est particulièrement difficile à réaliser. Enfin, il est pratiquement impossible de surchauffer le métal liquide de manière appréciable au-dessus de sa température de fusion. On connaît également des torches à plasma et l'homme de métier conçoit aisément la possibilité d'utiliser une torche à plasma afin d'obtenir la fusion continue d'un barreau de métal se déplaçant progressivement devant la torche. Dans la mesure où la direction de la flamme de la torche à plasma, la direction d'introduction du barreau de métal et la direction d'écoulement du filet de métal liquide sont nécessairement différentes, il est très difficile d'obtenir un filet stable à débit et température parfaitement contrôlés. L'avantage de l'utilisation d'une torche à plasma est l'absence de contact du métal liquide avec des parois d'un quelconque creuset. L'invention vise donc à rendre possible l'utilisation d'une torche à plasma pour la fusion en continu de métaux ou alliages, sans contact avec les parois d'un creuset, tout en procurant un filet liquide stable à débit et température parfaitement contrôlées. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à une tête de fusion comprenant une torche à plasma disposée verticalement et produisant un plasma au sein d'un gaz plasmagène en écoulement descendant, le métal ou alliage étant alimenté sous forme d'un barreau introduit en continu verticalement suivant l'axe de la torche. Ainsi, grâce à l'invention, les directions de la flamme de la torche plasma, d'introduction du barreau et d'écoulement du filet liquide sont coincidentes, ce qui permet d'obtenir un filet stable à débit et température parfaitement contrôlées. Selon une autre caractéristique de l'invention, la torche à plasma produit un plasma sensiblement torique présentant une lacune centrale dans l'axe de la torche et le barreau est introduit dans cette lacune centrale du plasma. On observe en effet que dans certaines conditions de fonctionnement, en particulier lorsque la torche est de faible puissance et/ou que l'on utilise de l'hydrogène comme gaz plasmagène, l'introduction du barreau dans un plasma "plein" risque de provoquer l'extinction du plasma. Grâce à cette caractéristique, une telle extinction ne peut se produire, précisément parce que le barreau de métal à fondre est introduit dans la lacune centrale volontairement ménagée dans le plasma. Les paramètres de régulation :,vitesse d'alimentation du barreau, puissance de l'inducteur HF de la torche à plasma, sont également plus aisément contrôlables. Avantageusement, la tête de fusion comprend également un dispositif de préchauffage à induction magnétique placé au-dessus de la torche à plasma et traversé par le barreau de métal à fondre. Ainsi, le barreau pourra être préchauffé, de manière homogène depuis sa périphérie Jusqu'à son centre, jusqu'CL une température voisine de sa température de fusion, limitant la puissance de la torche à plasma à la puissance nécessaire pour obtenir la fusion du métal puis la surchauffe du filet de métal liquide Jusqu'à une température choisie. Une application préférentielle de l'invention est celle de la production de poudres métalliques obtenues par atomisation d'un métal liquide grâce à un disque rotatif, comme décrit dans la demande de brevet No. 85 15429. En effet, la structure, la granulométrie, la dispersion dimensionnelle des poudres ainsi obtenues dépendent daris une large mesure de la constance des paramètres d'écoulement du filet de métal liquide qui atteint le disque d'atomisation. Les détails et avantages de l'invention apparaitront clairement à la lecture de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'une tête de fusion conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une vue schématique d'un appareil de production de poudres métalliques incorporant une telle tête de fusion. La tête de fusion représentée à la figure 1 comprend essentiellement une torche à plasma inductif désignée par la référence générale 10. La torche à plasma comprend un inducteur vertical 12 constitué de plusieurs spires 14 d'un tube métallique refroidi par circulation d'un liquide de refroidissement, alimentées sous une tension électrique haute fréquence. A l'intérieur des spires et coaxialement à ces dernières est-disposé un tube 16. de silice vitreuse, ainsi qu'une cage froide cylindrique 18, formée de canaux verticaux reliés en succession par le haut et par le bas alternativement, dans lesquels circule également un fluide de refroidissement. Les canaux sont séparés par des intervalles rendant ainsi la cage froide perméable au champ électromagnétique produit par l'inducteur. Lorsque l'inducteur est mis sous tension, gracie au générateur 20 (Fig. 2), il produit un champ électromagnétique intense dans le volume intérieur 22 à la cage froide, qui a pour effet d'ioniser le gaz ou mélange de gaz présents dans ce volume à l'état de plasma 24. Dans le cadre de l'invention, ce plasma peut-être volontairement limité à une zone approximativement torique, laissant ainsi une lacune ou cheminée 26 centrale dans le plasma, sensiblement le long de l'axe XX de la tête de fusion. Bien entendu, il convient de choisir et régler les différents paramètres de structure et de fonctionnement de manière appropriée. Par exemple, il est possible de transformer une torche à plasma plein existante en une torche à plasma avec lacune en agissant sur l'un et/ou l'autre des paramètres suivants - diminution de la puissance d'alimentation de l'inducteur - augmentation du diamètre de l'inducteur - réduction du nombre de spires d'inducteur - changement de gaz plasmagène - changement de la fréquence d'alimentation de l'inducteur. Le plasma dont la température atteint 10000 à 30000 degrés chauffe le barreau qui fond ainsi progrèssivement, à une vitesse qui dépend de la puissance thermique qu'il reçoit du plasma, ainsi que des coefficients de chaleur sensible et latente du matériau considéré. Le gaz plasmagène 30, ou mélange de gaz, est alimenté sous un débit contrôlé depuis la partie supérieure de la gaine de silice vitreuse 16 et s'échappe vers le bas, à haute température, après avoir traversé la zone de plasma 24. Un faible débit de gaz est nécessaire, de sorte que l'écoulement des gaz à haute température à l'extrémité inférieure est pratiquement non turbulent et ne risque pas de perturber l'écoulement du filet 32 de métal liquide. De plus, ces gaz à haute température entourant le filet de métal liquide assurent au moins deux fonctions supplémentaires : - élever la température du liquide, ou tout au moins la maintenir à un écart donné au-dessus de la température de fusion - procurer un apport calorifique à un appareil 34 disposé en aval, comme il sera vu ci-après lors de la description de l'installation de la figure 2. Le barreau est de préférence maintenu en rotation (R) permanente autour de son axe afin de compenser les défauts de symétrie du barreau et/ou du plasma. La vitesse de descente (V) du barreau est régulée afin de maintenir un filet de métal liquide 32 stable- à température et débit constants. Cette dernière caractéristique sera vue plus en détail ultérieurement. Si l'on se reporte maintenant à la figure 2, on voit la tête de fusion 10 intégrée à un appareil de production de poudres métalliques pour atomisation de métal liquide. La tête de fusion est fixée au sommet d'une enceinte 36 d'atomisation au milieu de laquelle est montée un dispositif d'atomisation à disque 34, comme par exemple celui qui est décrit dans la demande FR 85 15429 à laquelle on se reportera pour plus amples détails. Le disque d'atomisation 38 est placé à la verticale de l'axe XX de la tête de fusion de manière à recevoir le filet de métal liquide 32 en son centre. Dans ce cas, la fonction de réchauffage du disque d'atomisation est assurée par le flux de gaz 30' chauds sortant du plasma 24 de la tête de fusion autour du filet de métal liquide 32. A cet effet, il est avantageusement prévu une collerette déflectrice 40 destinée à ne diriger qu'une partie des gaz chauds en écoulement convergent vers le disque d'atomisation 38. On comprend donc à la lecture de ce qui précède que le filet de métal liquide 32 n'est en contact avec aucun creuset et ne risque donc aucune pollution par des éléments constitutifs du matériau d'un tel creuset. De plus, étant donné que le gaz plasmagène 30 est admis sous faible débit et constitué par un gaz ou mélange de très haute pureté, le risque de pollution du métal liquide par des impuretés véhiculées par le gaz est extrêmement faible. Egalement, lorsque l'appareil de production de poudres métalliques est du type dans lequel le refroidissement et la collecte des poudres produites par le disque d'atomisation sont assurés par un liquide cryogénique, comme décrit dans la demande FR 86 037.65, le faible débit de gaz très chauds provenant depuis la torche à plasma n'impose pas un surdimensionnement exagéré des installations annexes de liquéfaction et la consommation de puissance supplémentaire reste raisonnable. Dans l'installation illustrée, la tête de fusion comprend en outre un dispositif de préchauffage 42 du barreau métallique, placé immédiatement au-dessus de l'inducteur à plasma 10, 12. Ce dispositif de préchauffage consiste en une série de spires 44 alimentées par un générateur 46 sous une tension à moyenne fréquence et produisant un échauffement du barreau métallique par induction magnétique. De préférence, ce dispositif sera dimensionné et régulé afin de porter le barreau de métal 28 à une température voisine de sa température de fusion. Le dispositif de préchauffage 42 peut-être, disposé dans la même enceinte que l'inducteur à plasma, comme illustré à la figure 2, ou encore être placé dans une chambre distincte (non représentée) par exemple la chambre par laquelle le gaz plasmagène est introduit dans l'appareil. Les avantages d'un tel dispositif de préchauffage sont - le barreau est échauffé de manière pratiquement homogène, aussi bien dans ses couches superficielles que ses couches les plus profondes - le rendement énergétique est extrêmement bon puisque la quasi-totalité de l'énergie émise par les spires d'induction 44 est convertie en énergie calorifique directement au sein du barreau, les seules- pertes étant les pertes par rayonnement et conduction depuis la surface du- barreau ainsi échauffé. En réduisant la distance qui sépare le dispositif de préchauffage 42 de la tête à plasma 10, on limite également cette déperdition calorifique par rayonnement-conduction à une valeur faible. Le barreau qui pénètre dans la tête de fusion présente une température pratiquement homogène et voisine de la température de fusion, de sorte que cette fusion se produit dans des conditions optimales dans la tête à plasma 10. La puissance que doit fournir le plasma est limitée à celle qui est nécessaire à la fusion, ce qui permet de réduire dans une certaine mesure le dimensibnnement des spires 14 de l'inducteur à plasma et la part d'énergie non-utile du plasma qui est absorbée par la cage froide 18, ou évacuée dans le courant de gaz plasmagène 30 vers le bas. Au-dessus du dispositif de préchauffage, l'appareil comprend enfin un mécanisme d'alimentation 46 du barreau métallique, comprenant un entraînement rotatif 48 du barreau autour de son axe, et un entraînement axial 50 destiné à assurer un mouvement descendant du barreau au fur et à mesure de la. fusion. L'entraînement axial est sous la commande d'une unité de commande 52 comme il sera yu plus en détail ci-après. L'ensemble du mécanisme d'alimentation 46 est abrité dans un boîtier tubulaire 54, ou puits, de longueur suffisante pour contenir le barreau 28 en entier et les deux entraînements 48, 50 sus-mentionnés. On maintien dans le puits 54 une atmosphère formée de gaz neutre ou mélange de gaz neutres. Ce puits est fixé sur le sommet d'un boîtier 56 abritant la tête à plasma 10 -et le dispositif de préchauffage 42, avec interposition d'un joint 58 d'étanchéité autour du barreau, afin d'isoler le volume intérieur du puits du volume intérieur du boîtier, volume dans lequel on maintient le courant de gaz plasmagène par un conduit d'alimentation 31. En fait, le courant de gaz plasmagène 30 est confiné dans une cheminée définie par la gaine protectrice de silice vitreuse 16. Dans le reste du volume intérieur du boîtier, c'est-à-dire autour de la gaine en silice vitreuse, on maintient une circulation de gaz de refroidissement. 60, depuis un plenum de soufflage 62 jusqu'à un plénum d'aspiration 64. Dans un prototype de l'invention, on a utilisé un générateur à plasma 20 fournissant aux spires de l'inducteur 10 à plasma une puissance de 60 KW sous une fréquence de 3,4 MHz. Le gaz plasmagène 30 est de l'Argon, sous un débit de 40 litres par minute. L'inducteur 12 à plasma a une hauteur de 55 mm, il est constitué de trois spires 14 de tube de cuivre, enroulées au dimaètre, de 80 mm de diamètre intérieur, et refroidies par un courant d'eau interne. La puissance thermique transmise au plasma 24 est de 36 KW, dont 7,5 KW sont cédés au barreau 28 et 1 KW est cédé au gaz plasmagène 30 en aval du plasma 24-pour assurer le préchauffage du disque d'atomisation ; le reste de la puissance est évacuée par la cage froide 18. Des essais menés avec les barreaux d'alliages à base de nickel, cabalt, chrome et molybdène, d'un diamètre de 13,5 mm, ont permis d'obtenir un débit discontinu de liquide de l'ordre de 7,5 g/seconde. On a également utilisé comme gaz plasmagène 30 un mélange de 80% d'hélium et 20% d'argon, ou encore un mélange d'hydrogène et d'argon. Il en résulte un accroissement des échanges thermiques entre le gaz plasmagène et le barreau métallique et du débit de métal fondu. Ce prototype était dépourvu de dispositif de préchauffage 42. Il est estimé que l'adjonction à ce prototype d'un dispositif de préchauffage 42 constitué d'un inducteur de 20 à 40 KW sous une fréquence de 30 KH permettra de préchauffer le barreau Jusqu'à une température de l'ordre de 13000C. Compte tenu des pertes par rayonnement, conduction et convection entre le dispositif de préchauffage 42 et la zone de plasma 24, la température du barreau chute à environ 11000C à l'entrée du plasma. Le débit de métal liquide peut alors atteindre 20 g/s et il est alors continu. Il est également estimé qu'en augmentant le nombre de spires 14, par exemple à cinq, l'allongement de la zone de plasma 24, et donc de la surface d'échange thermique avec le barreau, permettra d'atteindre un débit de 30 g/s. On notera que la quasi-absence de turbulences des gaz chauds en aval de la torche évite de déstabiliser le filet de métal liquide 32. Il en résulte divers avantages - alimentation régulière du disque d'atomisation 38 - absence d'entraînements de constituants volatils du barreau dans le courant de gaz, qui appauvriraient l'alliage en certains constituants et conduiraient à des dépôts intempestifs de ces constituants dans les autres parties de l'appareil 34, 36. La régulation de l'appareil est assurée de la manière suivante, dans l'hypothèse d'un appareil comprenant un dispositif de préchauffage 42 - le générateur plasma 10 est alimenté à pleine puissance, sans modulation - des capteurs appropriés 66 permettent la mesure de paramètres liés à l'écoulement du filet de métal liquide, notamment sa température et son débit. Les informations délivrées par ces capteurs sont traitées par l'unité de commande 52, qui module la puissance du générateur de préchauffage 46 et la vitesse d'avance 50 du barreau en conséquence. En règle générale, les capteurs précités 66 pourront être de tous types connus de ltétat de la technique - optique - opto-électronique - électrique. En particulier pour s'affranchir des champs électromagnétiques haute fréquence on utilisera des capteurs optiques, et la mesure de température sera avantageusement effectuée à l'aide d'un capteur pyrométrique dirigé sur le métal liquide, soit sur le filet en écoulement, soit sur le disque d'atomisation. Dans le cas où l'appareil est dépourvu de dispositif de préchauffage 42, l'unité de commande sera conçue de manière à moduler la puissance du générateur à plasma 20 (traits en pointillés à la figure 2). Dans le cadre de l'invention, il est également prévu d'ajouter au gaz plasmagène 30 un ou plusieurs gaz dits d'affinage, destinés à réagir avec le métal ou l'alliage du barreau métallique, par des réactions physico-chimiques. Il pourra s'agir soit de diminuer la teneur en certaines impuretés, soit au contraire de réaliser un apport en certains composants. Dans le premier cas, il pourra s'agir de diminuer la teneur en oxygène, ou en oxydes métalliques, inévitablement présents sous formes de traces dans le barreau et l'on utilisera à cet effet un gaz réducteur, comme par exemple l'hydrogène. Dans le second cas, il pourra s'agir d'un corps gazeux simple ou composé apportant un élément qui par réaction avec le matériau du barreau conduit à un composé à valeur technique déterminée (nitrure, carbure ...) et est susceptible par la formation d'embryons solides de permettre le contrôle de la cristallisation ultérieure de gouttelettes fondues (dopage ou inoculation). Ces exemples ne sont bien entendu aucunement limitatifs. De plus, au lieu d'un barreau métallique 28 plein et homogène, on pourra également utiliser un barreau composite constitué d'une enveloppe tubulaire en un métal ou alliage de métaux et contenant une charge plus ou moins compactée d'une ou plusieurs poudres métalliques et éventuellement une ou plusieurs poudres d'autres composants choisis soit en vue de leur intégration dans l'alliage final, soit en tant que composants d'affinage comme il a été vu précédemment à propos du gaz plasmagène. Dans ce cas, on observera un véritable traitement du métal ou des métaux aussi bien lors du passage dans le dispositif de préchauffage 42 que lors du passage dans la zone de plasma ?4. Notamment, à la traversée du dispositif de préchauffage 42 par induction électromagnétique, la poudre métallique contenue dans le tube-enveloppe extérieur subira un frittage, complété le cas échéant d'un premier affinage si des composants additionnels sont incorporés à cet effet dans le mélange de poudres initial. Lors de la fusion dans la zone de plasma 24, le tube-enveloppe et la poudre intérieure ainsi frittée fondent ensemble en produisant un alliage affiné de composition choisie et pratiquement exempt des impuretés non désirées, évacuées sous forme de composants volatils au cours de l'affinage. Bien qu'un exemple de réalisation de l'invention ait été décrit plus haut, il va de soi que les valeurs numériques ne sont pas- limitatives. Ces valeurs pourront se trouver comprises dans les plages suivantes - fréquence de l'inducteur plasma (10) : 1 à 10 MHz - fréquence de l'inducteur préchauffage (42) : 10 à 50 KHz. Les puissances seront calculées en fonction du débit de métal liquide désiré. Selon une variante non représentée, l'invention prévoit que l'alimentation en métal de la torche steffectue non pas en phase solide mais en phase liquide. A cet effet, le dispositif de préchauffage 42 et le dispositif d'alimentation 46 du barreau sont purement et simplement remplacés par un dispositif de fusion préalable (non représenté) par exemple un creuset électromagnétique. Dans ce cas, le plasma 24, torique ou non comme dans ce qui précède, est traversé par un filet de métal liquide et a pour rôle de le réchauffer Jusqu'à une certaine température au-dessus de sa température de fusion, tout en maintenant la stabilité du filet, sa température et son débit. REVENDICATIONS 1. Tête de fusion continue pour métaux ou alliages caractérisée en ce qu'elle comprend une torche à plasma (10) disposée verticalement et produisant un plasma (24) au sein d'un gaz plasmagène en écoulement descendant, le métal ou alliage étant alimenté sous forme d'un barreau (28) alimenté en continu verticalement suivant l'axe de la torche (xx). 2. Tête de fusion selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite torche (10) produit un plasma (24) sensiblement torique et présentant une lacune centrale (26) dans l'axe de la torche, et en ce que le barreau (28) est introduit dans la lacune centrale du plasma. 3. Tête de fusion selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite torche comprend plusieurs spires (14) d'inducteur (12) alimentées par un générateur (20) haute fréquence et un tube (16) de silice vitreuse intérieur auxdites spires et formant gaine d'écoulement du gaz plasmagène (30). 4. Tête de fusion selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite torche comprend une cage froide cylindrique (18) intérieure audit tube (16) et refroidie par circulation de fluide, ladite - cage étant perméable au champ électromagnétique produit par l'inducteur (12). 5. Tête de fusion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'alimentation (46) du barreau (28) de métal, situé au-dessus de ladite torche à plasma (10), comprenant au moins un moyen d'entraînement axial (48) de barreau en direction verticale descendante, et une unité de commande (52) destinée à réguler la vitesse du moyen d'entraînement axial. 6. Tête de fusion selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite unité de commande (52) est également destinée à réguler la puissance du générateur d'alimentation (20) de l'inducteur à plasma (12). 7. Tête de fusion selon la revendication 5, caractérisée en ce que le dispositif d'entraînement comprend également un moyen d'entraînement rotatif (50) du barreau. 8. Tête de fusion selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que ledit inducteur (12) de torche à plasma est alimenté sous une tension alternative de fréquence comprise entre 1 et 20 MHz. 9. Tête de fusion selon l'une-quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comprend également un dispositif de préchauffage (42) du barreau par induction électromagnétique. 10. Tête de fusion selon la revendication 9, caractérisée en ce que le dispositif de préchauffage (42) comprend un inducteur (44) placé au-dessus de la torche à plasma (10) et traversé par ledit barreau (28). 11. Tête de fusion selon la revendication 10, caractérisée en ce que le dit inducteur de préchauffage (44) est alimenté sous une tension alternative de fréquence comprise entre 10 et 50 KH3. 12. Tête de fusion selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, prises en dépendance de la revendication 4, caractérisée en ce que ladite unité de commande (52) est également destinée à réguler la puissance du dispositif de préchauffage (42). 13. Tête de fusion selon la revendication 5 ou l'une quelconque des revendications qui en dépendent, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capteur (66) destiné à saisir au moins l'un des paramètres liés à l'écoulement de métal liquide (32) et relie à ladite unité de commande (52).