Brevet FR2676672A1 — publié le 19921127

Traitement de profilés quasi finis. La présente invention se rapporte à un procédé pour fabriquer un profilé métallique à partir d'une pièce coulée fondue au plasma d'arc et elle concerne plus particulièrement un procédé pour fabriquer des profilés en zirconium et hafnium à partir de pièces coulées de dimensions quasi finales. Dans la fabrication de produits semi-finis en zirconium et en hafnium tels que enveloppes tubulaires, billettes et tôles plates pour profilés en U, la pratique industrielle courante comprend de manière caractéristique une série d'opérations à haute température qui nécessitent des vides poussés ou des atmosphères protectrices non oxydantes D'une manière générale, les lingots sont fondus en groupes soit par fusion à arc multiple sous vide ou par fusion au faisceau d'électrons On traite ensuite les lingots thermomécaniquement en les chauffant largement au dessus de la température de transformation alpha- bêta et en les forgeant à haute température jusqu'à ce qu'on obtienne des profilés intermédiaires (fréquemment avec une ou plusieurs trempes en phase bêta) qui permettront un travail mécanique ultérieur dans la plage des températures alpha Il est utile de pouvoir traiter le zirconium et l'hafnium dans la plage des températures alpha dans l'air, alors qu'on doit les protéger par une atmosphère non oxydante lorsqu'on travaille dans la plage des températures bêta. On a récemment proposé de fondre le zirconium par des procédés au plasma d'arc Voir par exemple D Apelian et autres, "Fusion au faisceau d'électrons comparée à la fusion au plasma: revue critique", compte- rendu de la Conférence intitulée "Fusion et affinage au faisceau d'électrons, état de l'art 1984 ", pages 18 à 48 Cet article indique, entre autres, que le zirconium peut être fondu au plasma d'arc à l'aide d'électrodes au carbone et que les riblons et les mousses de titane peuvent être fondus au plasma d'arc pour former des électrodes en vue d'une refusion ultérieure à l'arc sous vide Cet article décrit également brièvement une installation japonaise de production de brames de titane dans laquelle de la mousse de titane est fondue au plasma d'arc dans un four et le titane fondu est ensuite versé dans un moule doté d'un mécanisme de soutirage continu permettant de produire des brames (représenté sur la figure 19) Une installation de fusion au plasma pour traiter les riblons et les mousses de titane est décrite par G Sick, "Essais à grande échelle de fusion et refusion au plasma", compte-rendu de la Conférence sur la métallurgie sous vide, 1986, et "Fusion au plasma pour le titane et les superalliages", compte- rendu de la Conférence sur la métallurgie sous vide, 1989. Comme ces descriptions l'indiquent de manière générale, les procédés au plasma d'arc utilisent des installations nécessitant une immobilisation importante de capitaux et des coûts élevés de fabrication Dès lors, ils ne sont pas industriellement appropriés à la production de zirconium et d'hafnium. C'est un objet de la présente invention de fournir un procédé au plasma d'arc d'un meilleur rapport coût/efficacité pour la production de zirconium et d'hafnium Un autre objet de la présente invention est d'éliminer le stade de forgeage à haute température (phase bêta) qui suit le stade de coulée des procédés actuels. La présente invention utilise un stade de fusion au plasma d'arc dans la production de profilés en zirconium et en hafnium, y compris des enveloppes tubulaires, de billettes, des brames, des tubes et des tôles pour profilés en U De manière utile, les métaux et alliages fondus au plasma sont directement coulés pour donner des profilés quasi finis que l'on doit ensuite travailler seulement en phase alpha pour obtenir les profilés finis Il est préférable que les profilés quasi finis soient traités thermiquement en phase bêta et trempés avant d'être travaillés en phase alpha Un réchauffage ultérieur et un forgeage à haute température en atmosphères non oxydantes ne sont donc pas nécessaires Tel qu'il est utilisé dans la présente description, le terme "profilé quasi fini" signifie un profilé que l'on peut réduire à ses dimensions finales tout en maintenant la surface du profilé en dessous de la température de transformation alpha-bêta. Dans la mise en oeuvre de la présente invention, le zirconium, l'hafnium ou un de leurs alliages comprenant au moins 90 % environ (pourcentage en poids) de ces métaux est fondu au plasma d'arc pour former un bain de métal liquide Le métal liquide est versé du bain dans un moule pour former un profilé quasi fini On réduit ensuite le profilé quasi fini à sa dimension finale tout en maintenant sa température en dessous de la température de transformation alpha- bêta pendant tout le stade de réduction. Dans une mise en oeuvre préférée, on peut traiter en phase bêta un profilé quasi fini comprenant au moins 90 % environ en poids de zirconium, le tremper en dessous de 670 O C environ et le réduire à un profilé final tout en le maintenant en dessous de 670 OC environ. D'autres objets, avantages et bénéfices de la mise en oeuvre de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'une mise en oeuvre préférée de l'invention. Dans la mise en oeuvre préférée de la présente invention des particules broyées de mousse de zirconium, provenant par exemple d'un traitement de réduction Kroll ou d'une source de recyclage acceptable, et des agents d'alliage sont amenés sur la sole d'un four à plasma d'arc o les matières solides sont fondues et brassées par un arc pour former un bain métallique liquide homogénéisé Des alliages de zirconium contenant de l'étain, du fer, du nickel et (ou) du niobium tels que, par exemple, les alliages Zircaloy 2, Zircaloy 4 et Zirlo disponibles chez le cessionnaire de la présente invention, peuvent être fondus de cette manière Il est préférable qu'un gaz inerte tel que l'argon ou l'hélium soit utilisé dans le four à plasma pour former une atmosphère inerte et également pour fondre et pour brasser le bain Il est préférable que la pression dans le four à plasma soit légèrement supérieure à la pression atmosphérique Ainsi la pression dans le four peut être d'environ 6,9 à 34,5 k Pa La pression relativement haute dans le four (comparée aux fours à faisceau d'électrons) réduit avantageusement la vaporisation des composants métalliques de l'alliage présentant des tensions de vapeur élevées. Le métal du bain est versé dans un moule de coulée par exemple par écoulement à travers une busette de coulée ou au-dessus d'un dispositif à barrage depuis la sole Il est préférable que le moule de coulée fonctionne en continu et utilise un mécanisme de soutirage pour soutirer le profilé coulé Dans la fabrication d'enveloppes tubulaires pour des tubes sans soudures et autres produits analogues, le moule de coulée peut comprendre un mandrin refroidi par eau au centre d'un moule allongé Une billette creuse est alors obtenue par la solidification du métal dans la cavité comprise entre le mandrin et l'empreinte du moule Des billettes pleines pour des barres, des tiges et d'autres produits analogues peuvent être produites lorsque le mandrin est retiré Des tôles pour profilés en U et d'autres produits analogues peuvent être coulés en continu dans un moule sans fond ayant une section transversale rectangulaire dans son ensemble dont le rapport approximatif de la largeur à l'épaisseur est de 4/1 ou davantage. Les profilés quasi finis sont refroidis jusqu'à une température inférieure à la température de transformation alpha-bêta dans le moule de coulée ou ultérieurement La plupart des alliages industriels de zirconium présentent une température de transformation supérieure à 670 'C Il est préférable que les profilés soient trempés en phase bêta à une température abaissée à 670 OC environ ou moins avant l'opération de réduction des dimensions. Les profilés quasi finis sont ensuite réduits en dessous de leurs températures de transformation pour donner des profilés finals (qui peuvent être des produits industriels semi-finis) Les réductions peuvent varier d'une opération de dimensionnement d'environ 1 % à une réduction mécanique de plusieurs centaines de pourcents Le travail en phase alpha des profilés de zirconium et d'hafnium peut s'effectuer, de manière avantageuse dans l'air sans oxydation du métal. Le traitement des surfaces est donc normalement inutile à condition d'utiliser un lubrifiant approprié. On verra donc que la mise en oeuvre de la présente invention a pour résultats des économies importantes de matière, d'énergie et de maind'oeuvre Les profilés obtenus suivant la présente invention permettent un réglage correct de la composition chimique et une bonne homogénéité tout en exigeant peu d'opérations de finition, dans la mesure o elles sont nécessaires La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Procédé pour produire un profilé métallique, caractérisé en ce qu'il comprend les stades de: a) fusion au plasma d'arc d'un métal sélectionné parmi le zirconium, l'hafnium et leurs alliages comprenant au moins 90 % en poids de ces métaux afin de former un bain liquide; b) versement du métal du bain dans un moule afin de former un profilé quasi fini; et c) réduction du métal de sa forme quasi finie à des dimensions finales tout en maintenant la température du métal en dessous de la température de transformation alpha-bêta pendant toute l'opération de réduction aux dimensions. 2 Procédé suivant la revendication le profilé final est une enveloppe tubulaire. 3 Procédé suivant la revendication le profilé final est une billette creuse. 4 Procédé suivant la revendication le profilé final est une billette pleine. 5 Procédé suivant la revendication le procédé final est une tôle. 6 Procédé suivant la revendication le profilé final est une brame. 7 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que 1, caractérisé en ce que 1, caractérisé en ce que 1, caractérisé en ce que 1, caractérisé en ce que 1, caractérisé en ce que la température du profilé brut de coulée est maintenue en dessous d'environ 670 'C pendant que le profilé brut de coulée est réduit au profilé final. 8 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le profilé quasi fini est chauffé à une température supérieure à la température de transformation alpha-bêta avant le stade de réduction. 9 Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que le profilé quasi fini chauffé au-dessus de la température de transformation alphabêta est trempé à une température inférieure à la température de transformation avant le stade qui est l'objet de la présente invention.