Brevet FR2646859A1 — publié le 19901116

"Procédé et appareil pour régler les isothermes d'électrode dans une refonte d'électro-laitier." La présente invention concerne la refonte d'électrodes consommables dans un électro-laitier pour fabriquer des lingots de métal raffinés présentant une forme prédéterminée. Plus particulièrement, l'inven- tion concerne un procédé et un appareil pour régler avantageusement les formes d'isothermes à l'intérieur de l'électrode dans une opération de refonte d'élec- tro-laitier. La refonte d'électro-laitier (ESR) est un procédé de raffinage secondaire des métaux. L'ESR est utilisée pour obtenir une purification supplémentaire du métal lorsque les opérations d'extraction primaire et de raffinage sont terminées. L'ESR utilise généra- lement un matériau brut se présentant sous la forme d'une électrode consommable solide soit moulée, soit forgée, soit constituée de résidus métalliques. Une couche d'un matériau sous forme de laitier contenu dans un moule refroidi, est chauffée par une résistan- ce et fondue par un courant électrique passant entre l'électrode et une plaque de base refroidie située à l'intérieur du moule. Lorsque la température de la couche de laitier monte au-dessus du point du fusion du métal, des gouttelettes fondent et se détachent à l'extrémité de l'électrode puis tombent à travers le laitier et se rassemblent en un bassin sur la plaque de base. le bassin de métal en fusion est refroidie par la plaque de base et les parois du moule pour se solidifier en formant un lingot. L'électrode est in- troduite dans la couche de laitier avec le lingot so- lidifié qui se comporte maintenant comme une électrode secondaire et se construit progressivement par un re- froidissement supplémentaire. Dans une opératibn d'ESR, le raffinage s'ef- fectue grace à une réaction entre le métal et le lai- tier pendant la formation des gouttelettes au bout de l'électrode. Les gouttelettes se détachent, tombent à travers le laitier et se rassemblent en un bassin au sommet du lingot. Dans la plupart des opérations d'ESR, il est préférable que le bassin de métal en fu- sion soit peu profonde. Une telle condition permet d'obtenir un lingot sain qui ne présente pas de poro- sité et de conduits, et qui fournit également un ren- dement de production élevé. Une augmentation du cou- rant passant dans l'électrode augmente typiquement la profondeur du bassin. Un taux de fusion insuffisant de l'électrode produit un lingot présentant une surface rugueuse et ondulée conduisant à un mauvais rendement de production. Un taux de fusion trop élevé conduit à une grande profondeur du bassin et augmente la porosi- té et les conduits. La présente invention concerne une opération d 'ESR qui modifie avantageusement la fusion du bout de l'électrode et produit un meilleur lingot. L'inven- tion prévoit des moyens pour refroidir la surface de l'électrode de manière à modifier les isothermes à l'intérieur de l'électrode, et à modifier la forme de la configuration de fusion au bout de l'électrode. Cette modification des isothermes et de la forme de l'électrode au moment de la refonte, améliore l'opéra- tion de raffinage. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de refonte d'électro-laitier, procédé ca- ractérisé en ce qu'il comprend les différentes étapes consistant à; immerger une extrémité d'une électrode consommable dans une couche de laitier se trouvant à l'intérieur d'une cavité de moule, - chauffer la ouche de laitier par résistan- ce en faisant passer un courant électrique entre l'é- lectrode et la base de la cavité de moule, - faire fondre progressivement l'extrémité de l'électrode, et - retarder la fusion d u pourtour du bout de' l'électrode par rapport au centre de ce bout d'élec- trode en dirigeant un courant d'agent de refroidisse- ment sur la surface exposée de l'électrode consomma- ble. L'invention concerne également un appareil mettant en oeuvre ce procédé pour le raffinage par électro-laitier d'une électrode consommable à l'inté- rieur d'un moule refroidi comportant une couche de laitier à l'intérieur de celui-ci et un dispositif pour chauffer par résistance la couche de laitier à une température supérieure à la température de fusion de l'électrode, appareil caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens pour diriger un agent de refroidisse- ment sur la surface de l'électrode au voisinage de son point d'immersion d ans la couche de laitier, ces moyens retardant la fusion du pourtour du bout de 1 électrode par rapport au centre de ce bout d'électro- de, de façon que la coulée de métal en fusion obtenue partant du bout de l'électrode pour pénétrer dans le moule, s'effectue essentiellement au centre de l'élec- trode vers le pourtour du bout de cet électrode. Une forme de réalisation de la présente in- vention consiste à entourer l'électrode, au voisinage de la surface supérieure de la couche de laitier, par une enceinte ou une tubulure qui dirige un agent de refroidissement sur la surface de l'électrode pour ré- duire sa température de surface et retarder ainsi la fusion, à l'intérieur de la couche de laitier, du pourtour de l'électrode par rapport à son centre. Le taux de refroidissement voulu oblige - l'électrode à fondre dans une forme concave. Du fait de cette confi- guration de fusion, le métal en fusion tend à passer sur la surface de l'électrode pour se diriger vers le pourtour extérieur sous l'effet de la pesanteur. La présente invention diminue de préférence la transmission de chaleur au centre du lingot en cours de formation, tout en augmentant la transmission de chaleur au voisinage de son bord extérieur. Ce ré- sultat est obtenu par la redistribution du débit de métal en fusion à partir du pourtour de l'électrode, plutôt qu'à partir du centre du bout d'électrode, et par la formation d'un bassin de métal en fusion rela- tivement moins profonde. De plus, la distribution de courant dans le laitier doit être influencée par la formation modifiée du bout d'électrode. Dans le pro- cessus d'ESR classique, le fait de faire varier la distance entre le bout de l'électrode et le bassin de métal en fusion conduit à une densité de courant plus élevée dans la zone centrale du laitier que dans la zone périphérique de celui-ci. La présente invention permet d'obtenir une redistribution du courant et de la chaleur associée produite dans le laitier du centre du bassin vers le bord extérieur de celle-ci. Cette redistribution favorise la circulation de la chaleur et par conséquent la formation du lingot. L'invention sera décrite en détails en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 représente un appareil d'ESR typique en cours de fonctionnement; - la figure 2 représente une forme de réali- sation de la présente invention; - la figure 3 est une vue agrandie du bout d'électrode utilisé dans la présente invention; - la figure 4 est une vue en coupe de l'ap- pareil représenté sur la figure 2, la coupe étant ef- fectuée suivant la ligne 4-4 de cette figure 2; et - la figure 5 est une variante de réalisa- tion de la partie de 1 'appareil illustrée sur la fi- gure 4. Les figures dans lesquelles les mêmes réfé- rences désignent les mêmes éléments, représentent un appareil de raffinage d'ESR comportant un moule 10 re- froidi par une circulation d'eau 12 et reposant sur une plaque de base 14. L'eau de refroidissement 12 est introduite dans les parois latérales 16 du moule 10 par l'orifice d'entrée 18, et évacuée du moule 10 par l'orifice de sortie 20. L'électrode 22 est introduite dans une ouverture supérieure centrale 24 du moule 10. A l'intérieur de la cavité définie par le moule 10 on forme un lingot 26 comportant un bassin de métal en fusion 28 sur sa surface supérieure. le bassin 28 est recouvert d'une couche de laitier 30. L'électrode 22 pénètre dans le laitier 30 et vient se placer au voi- sinage immédiat de la surface supérieure du bassin 28. La figure 1 illustre une opération d'ESR ty- pique bien connue de l'art antérieur. Le laitier 30 est chauffé, à l'intérieur du moule refroidi 10, par un courant électrique passant entre l'électrode 22 et 1 plaque de base refroidie 14. (La source de courant électrique n'est pas représentée). Lorsque la tempéra- ture du laitier 30 monte au-dessus du point de fusion du métal constituant l'électrode 22, des gouttelettes fondues se détachent du bout de l'électrode et tombent a travers le laitier 30 pour se rassembler dans le bassin 28 sur la plaque de base 14. le bassin 28 formé par les gouttelettes se solidifie du fait du refroi- dissement du moule 10. L'électrode 22 est progressive- ment introduite dans la cavité de façon que son extré- mité reste immergée dans le laitier 30. Lorsqu'on fait croître progressivement le lingot 26 celui-ci se com- porte comme une électrode secondaire pour poursuivre le chauffage du laitier 30. Dans la forme de réalisation représentée à la figure 1, la formation du bout de l'électrode 22 est légèrement convexe ou pointue. Le métal fond au bout de 1 'électrode sous la forme de gouttelettes qui se détachent du centre de la surface convexe et tom- bent dans le bassin 28 formé sur le dessus du lingot 26 en cours de croissance. La direction de la coulée de métal partant du bout de l'électrode 22 est in- fluencée par la pesanteur. Le métal s'écoule en des- cendant vers le centre ou le sommet du bout de l'élec- trode. Un autre effet du bout pointu de l'électrode est que la densité de courant dans le laitier 30 est plus élevée au-dessous du centre de l'électrode 22. Ce point est plus proche du sommet du lingot 26 que des bords extérieurs de l'électrode 22. Par suite, on ob- tient un chemin de passage de courant plus court au- dessous du centre de l'électrode 22. Cette densité de courant plus élevée conduit à une augmentation du chauffage du laitier 30 au-dessous du centre de l'é- lectrode 22, par rapport à sa périphérie. La plus grande quantité de chaleur produite dans le laitier 30 au-dessous du centre de l'électrode 22, combinée à la coulée de métal chaud tombant du bout de l'électrode, forme une concentration d'injection de chaleur au cen- tre du bassin de métal liquide 28. Cela contribue à retarder la solidification du centre du lingot 26 et conduit à un bassin de liquide 28 relativement pro- fond. Les figures 2 à 5 représentent l'opération d'ESR telle qu'elle est prévue par la présente inven- tion. Dans cette forme préférée de réalisation, l'é- lectrode 22' est entourée par une enceinte 32. L'en- ceinte 32 comprend un tuyau d'entrée 34 qui alimente une chambre annulaire 36 munie d'une série de buses 38 dirigées radialement vers l'intérieur en direction du pourtour de l'électrode 22'. L'enceinte 32 est placée de manière à diriger sur l'électrode un agent de re- froidissement tel qu'un gaz, un gaz liquéfié ou un li- quide, au voisinage du sommet de la couche de laitier 30. Le débit d'agent de refroidissement est dirigé de manière à réduire la température de surface de l'élec- trode 22' et à retarder la vitesse de fusion de la partie de son pourtour qui se trouve à l'intérieur du laitier 30. Dans la présente invention, l'agent de re- froidissement produit un refroidissement de surface suffisamment intense de l'électrode 22' pour que les isothermes à l'intérieur de celle-ci soient modifiées d'une manière avantageuse pour le processus d'ESR. L'agent de refroidissement est de préférence dirigé sur l'électrode 22' au voisinage de l'extrémité en cours de fusion, ce qui conduit à une remise en forme de la configuration de fusion de l'électrode 22' com- parativement à l'opération d'ESR typique représentée à la figure 1. Comme illustré plus particulièrement à la figure 3, le refroidissement de la surface de l'élec- trode 22' retarde la fusion du pourtour du bout de 1 électrode et conduit à une configuration de fusion présentant une forme concave. Lorsque le métal fond, la courbure de la forme concave tend à diriger le mé- tal fondu au bout de l'électrode, vers le pourtour ex- térieur de l'électrode 22'. Un refroidissement de surface intense de l'électrode 22' utilisé pour modifier de la manière voulue les isothermes à l'intérieur de celle-ci, est obtenu en faisant couler l'agent de refroidissement par rapport à l'électrode à une vitesse de débit dé- passant environ 30 mètres par minute à la surface de l'électrode. La limite supérieure de cette vitesse de débit de gaz devrait être une question de degré sui- vant les paramètres du processus d'ESR. Cependant, des vitesses de débit plus rapides devraient conduire à un retour en diminution à certains niveaux suivant les - paramètres de l'opération d'ESR. Dans tous les cas, le choix des vitesses de débit pour obtenir le refroidis- sement de surface intense, est prévu pour se situer dans les niveaux connus des spécialistes de la ques- tion. Une variante de réalisation du dispositif de refroidissement est représentée à la figure 5. L'en- ceinte 32' comprend des jets à buses directives 38'. Les jets 38' sont prévus pour produire un débit d'a- gent de refroidissement plus puissant vers la surface d'électrode 22' de manière à améliorer encore l'effet de refroidissement sur le pourtour de l'électrode 22'. Ces jets 38' sont prévus pour diriger un débit de gaz à une vitesse plus rapide que celle fournie par les buses 38 illustrées à la figure 4. Un avantage supplémentaire est obtenu en re- formant le bout de 1 'électrode. La concentration de courant au-dessous du centre de l'électrode 22 dans le processus classique (figure 1) a été replacée dans la zone située au-dessous du pourtour de l'électrode 22' (figures 2 et 3). Par suite, on a supprimé la concen- tration de chaleur centrale dans le laitier 30 du processus classique. L'injection de chaleur réduite dans le laitier 30' et l'absence de coulée de métal dans le haut du lingot 26' au centre de celui-ci, se combinent dans le processus perfectionné selon l'in- vention, pour produire une réduction de l'injection de chaleur au centre du bassin de liquide 28'. Par sui- te, le bassin de métal 28' du processus perfectionné selon l'invention, est nettement moins profonde que celle du processus classique. Un bassin moins profond peut être utilisé comme moyen permettant d'obtenir un lingot 26' de qua- lité supérieure à celle du lingot obtenu par le pro- cessus classique. En variante, on peut utiliser le processus perfectionné selon l'invention en augmentant le taux de fusion pour produire un lingot présentant la même profondeur de bassin et la même qualité que dans le cas du processus classique. Une telle augmen- tation du taux de fusion améliore le rendement de pro- duction et diminue la consommation de puissance spéci- fique du processus perfectionné selon l'invention. Dans certains cas, on produit des lingots au taux de fusion le plus bas possible pour obtenir le bassin de métal liquide la moins profonde possible et la qualité la plus élevée possible. Dans ces cas là, on évite de réduire le taux de fusion au-dessous d'un niveau particulier du fait d'une détérioration de la surface des lingots. Cette détérioration est produite lorsque le pourtour extérieur du sommet du lingot com- mence à se solidifier vers l'intérieur et en s'écar- tant des parois du moule. Lorsqu'on ajoute du métal liquide au centre du lingot, le niveau du métal liqui- de devient plus élevé que celui du solide, le métal liquide étant supporté-par la tension superficielle. Lorsqu'on a ajouté plus de métal liquide que ce qui peut être supporté par les forces de tension superfi- cielle, le métal "s'écoule" vers l'extérieur en pas- sant sur le dessus du pourtour du lingot solide puis se solidifie lorsqu'il approche des parois du creuset. Ce processus se répète de lui-même en formant un lin- got présentant une surface rugueuse et ondulée avec des coupes froides profondes. Un tel lingot, s'il doit être utilisé d'une façon quelconque, nécessite un traitement de surface très coûteux. Grâce au processus perfectionné selon l'in- vention, la tendance à la solidification vers l'inté- rieur de la surface supérieure du lingot est réduite par la configuration de redistribution de la chaleur. En particulier, l'injection de chaleur supplémentaire dans les zones périphériques du sommet du lingot ré- sultant du processus perfectionné de l'invention selon lequel le métal tombe du pourtour extérieur de l'élec- trode tandis qu'on applique également une plus grande quantité de chaleur au laitier dans cette zone, permet non seulement d'abaisser les températures au centre du processus, mais encore d'augmenter les températures dans la zone périphérique. Cela permet de réaliser avantageusement des lingots à surface lisse avec des taux de fusion plus faibles que ceux qu'on pouvait ob- tenir par le processus classique. La présente invention peut être mise en oeu- vre sous d'autres formes spécifiquesans sortir du ca- dre du dispositif ainsi décrit. R E V E N D I C A T I 0 N S 1) Procédé de refonte d'électro-laitier, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les différen- tes étapes consistant à: immerger une extrémité d'une électrode (22), consommable dans une couche de laitier (30) se trou- vant à l'intérieur d'une cavité de moule,(10) chauffer la couche de laitier par résistance en faisant passer un courant électrique entre l'élec- trode et la base (14) de la cavité de moule, faire fondre progressivement l'extrémité de l'électrode (22) et retarder la fusion du pourtour du bout de l'électrode par rapport au centre de ce bout d'élec- trode en dirigeant un courant d'agent de.refroidisse- ment sur la surface exposée de 1 'électrode consomma- ble. 2) Procédé de refonte d'électro-laitier se- lon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il com- prend les différentes étapes consistant à: utiliser une électrode consommable,(22) former une couche de laitier dans une cavité de moule, chauffer la couche de laitier (30) par ré- sistance en faisant passer un courant électrique entre l'électrode (22) et la base (14) de la cavité de mou- le, immerger une extrémité de l'électrode dans la couche de laitier (30), faire fondre progressivement- l'extrémité de 1 'électrode (22) et former un bassin (28) de métal en fusion dans la cavité de moule au-dessous de la couche de laitier, refroidir la cavité de moule pour produire une solidification continue de le bassin de métal en fusion, et contrôler la configuration de la fusion de l'électrode en refroidissant la surface exposée de cette électrode au voisinage de son point d'immersion dans la couche de laitier (30) de façon que le bout de l'électrode présente une forme concave. 3) Procédé selon l'une quelconque des reven- dications i et 2, pour le raffinage par électro- laitier, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les différentes étapes consistant à: utiliser une électrode consommable(22, 22'), former une couche de laitier dans une cavité de moule (10), immerger une extrémité de l'électrode dans la couche de laitier (30), faire fondre progressivement l'extrémité im- - mergée de l'électrode (22, 22') et former un bassin de métal en fusion dans la cavité de moule au-dessous du laitier, diriger un agent de refroidissement sur la surface exposée de 1 'électrode consommable au voisi- nage de la surface supérieure de la couche de laitier, modifier les isothermes de température à l'intérieur de l'électrode au voisinage de l'extrémité immergée, tout en retardant la configuration de fusion du pourtour du bout de l'électrode par rapport au cen- tre de ce bout d'électrode, de manière à obtenir une coulée de métal en fusion partant essentiellement du pourtour de l'électrode pour pénétrer dans le bassin de métal en fusion, et refroidir progressivement le bassin de mé- tal en fusion pour former un lingot de métal raffiné à l'intérieur de la cavité. 4) Appareil mettant en oeuvre le procédé se- lon l'une quelconque des revendications i à 3 pour le raffinage par électro-laitier d'une électrode consom- mable à l'intérieur d'un moule refroidi comportant une couche de laitier à l'intérieur de celui-ci et un dis- positif pour chauffer par résistance la couche de lai- tier à une température supérieure à la température de fusion de l'électrode, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour diriger un agent de re- froidissement sur la surface de l'électrode au voisi- nage de son point d'immersion dans la couche de lai- tier, ces moyens retardant la fusion du pourtour du bout de 1 'électrode par rapport au centre de ce bout d'électrode, de façon que la coulée de métal en fusion obtenue partant du bout de l'électrode pour pénétrer dans le moule, s'effectue essentiellement du centre de l'électrode vers le pourtour du bout de cet électrode. ) Appareil selon la revendication 4, pour le raffinage par électro-laitier d'une électrode cons- ommable, appareil caractérisé en ce qu'il comprend: un moule comportant des parois latérales, une base et une extrémité supérieure ouver- te, ce moule définissant une cavité à l'intérieur de celui-ci, des moyens pour refroidir les parois latéra- les et la base du moule, des moyens pour former une couche de laitier à l'intérieur du moule, des moyens pour introduire progressivement l'électrode dans le moule, des moyens pour chauffer par résistance la couche de laitier à une température supérieure à la température de fusion de l'électrode, et des moyens pour contrôler la configuration de fusion de l'électrode au moment de son introduction dans la couche de laitier en retardant la fusion du pourtour du bout de 1 'électrode, de façon que la con- figuration de fusion du bout de l'électrode conduise à une densité de courant plus élevée dans le laitier au- dessous du pourtour du bout de l'électrode, par rap- port à la densité de courant au-dessous du centre du bout de l'électrode, et qu'une coulée de métal en fu- sion parte essentiellement du centre du bout de l'é- lectrode pour aller vers le pourtour de celui-ci et tomber dans un bassin de métal formée au-dessous de la couche de laitier. 6) Appareil selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les moyens de contrôle de la configu- ration de fusion comprennent en outre des moyens pour diriger un agent de refroidissement sur les surfaces périphériques exposées de l'électrode au voisinage de son point d'introduction dans la couche de laitier. 7) Appareil selon la revendication 4, carac- térisé en ce que l'agent de refroidissement est soit un gaz soit un gaz liquéfié soit un liquide. 8) Appareil selon la revendication 4, carac- térisé en ce que les moyens de refroidissement com- prennent en outre une enceinte entourant l'électrode et comportant une série de buses dirigeant l'agent de refroidissement radialement vers l'intérieur en direc- tion des surfaces périphériques de l'électrode. 9) Appareil selon la revendication 8, carac- térisé en ce que les buses comprennent des jets direc- tifs. ) Appareil selon la revendication 4, de refonte par électro-laitier d'une électrode consomma- ble à des fins de raffinage, appareil caractérisé en ce qu'il comprend: un moule comportant des parois latérales et une base de manière à définir une cavité ouverte dans celui-ci, des moyens pour refroidir les parois latéra- les et la base du moule, des moyens pour former une couche de laitier à l'intérieur de la cavité de moule, des moyens pour immerger progressivement le bout de l'électrode dans la couche de laitier se trouvant à l'intérieur du moule, des moyens pour faire passer un courant électrique entre l'électrode et la base du moule, et pour chauffer la couche de laitier par résistance jusqu'à une température suffisamment élevée pour faire fondre le bout immergé de l'électrode, et des moyens pour diriger un agent de refroi- dissement sur les surfaces exposées de l'électrode au voisinage de la surface supérieure de la couche de laitier, ces moyens de direction de l'agent de refroi-. dissement étant conçus pour modifier les isothermes de température à l'intérieur de l'électrode et pour re- tarder la fusion du pourtour du bout de l'électrode par rapport au centre de ce bout de l'électrode, de manière à obtenir une coulée de métal en fusion par- tant du centre de l'électrode, ce métal en fusion tom- bant du pourtour du bout de l'électrode pour passer à travers la couche de laitier et former de façon conti- nue un bassin de métal en fusion à l'intérieur de la cavité de moule.