Brevet FR2687691A1 — publié le 19930827

L'invention concerne un dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein avec un bac pour la réception d'une masse fondue de métal ou d'alliag'e métallique, qui est fondue au moyen d'un faisceau d'électrons à partir d'un corps métallique ou d'alliages métalliques solides, et avec un recouvrement de couche protectrice pour la surface de la masse fondue ainsi qu'un procédé pour la préparation d'un métal ou d'un alliage métallique de haute pureté. Dans la fusion par bombardement électronique et à trop-plein, on fond en continu un bloc d'une matière déterminée, par exemple d'un super- alliage ou d'un alliage de titane, au moyen d'un faisceau d'électrons ou au moyen de plusieurs faisceaux d'électrons La matière fondue tombe ensuite dans un bac qui présente un trop-plein. Lorsque le niveau de la matière fondue atteint le trop- plein du bac, elle s'écoule dans un moule métallique ou dans un autre dispositif en vue du traitement ultérieur. Comme les constituants d'un alliage ont souvent des températures d'évaporation différentes, il peut arriver que quelques uns des constituants de la masse fondue du bac se volatilisent De ce fait, les propriétés d'un alliage peuvent être considérablement modifiées Par exemple, dans le cas d'un alliage nickel-chrome ayant une teneur en chrome de 30 %, à une température moyenne du bain de 1700 'C, 30 % environ de la teneur en chrome sont perdus. Pour éviter cet effet négatif de l'évaporation involontaire, il est déjà connu de prévoir sur la masse fondue se trouvant dans le bas une couche protectrice de laitier (DE-A-3 827 074) Le laitier constitue ici, non seulement une barrière pour l'échappement de constituants e 2 2687691 de l'alliage, mais il sert également à débarrasser le métal ou l'alliage métallique liquide des oxydes, sulfures et autres impuretés Pour que le laitier ne s'écoule pas dans le moule métallique en même temps que la masse fondue, il est prévu une barrière refroidie à l'eau, qui retient le laitier dans le bac. Dans le cas du procédé connu, deux inconvénients sont apparus: d'une part, la couche de laitier appliquée une seule fois ne suffit pas pour effectuer une opération de refonte sur une durée prolongée et, d'autre part, un lingot disposé de manière rigide ne convient pas pour l'adaptation à des matières à fondre, à des laitiers et à des vitesses de fusion différents. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif avec lequel il soit possible d'effectuer une opération de fusion par bombardement électronique sur une durée plus longue et avec des paramètres variables. Ce but est atteint en ce qu'il est prévu un dispositif d'alimentation qui distribue sur la surface de la masse fondue, la matière pour un recouvrement par la couche de protection. L'avantage obtenu au moyen de l'invention consiste en particulier en ce que la matière à fondre reste revêtue sur toute la durée de l'opération d'une couverture continue de laitier, de telle sorte qu'aucun élément d'alliage ne peut s'échapper Les pertes de laitier qui se produisent par évaporation lorsque le faisceau d'électrons tombe sur le laitier ou lorsque des parties du laitier tombent sur le bord du bac sont remplacées en continu. L'apport de laitier nouveau s'effectue ici en maintenant une épaisseur déterminée de la couche de laitier Pour que le laitier ne s'écoule pas avec la matière fondue qui déborde, il est prévu une barrière connue en soi, qui peut cependant être déplacée verticalement, de telle sorte qu'elle peut être adaptée aux diverses matières et à leurs -2687691 vitesses d'écoulement. Un exemple de réalisation de l'invention est représenté sur le dessin et sera décrit plus en détail ci- après. La figure représente une chambre de fusion sous vide 1 à laquelle est fixé, par bride, un canon à électrons 2 avec le faisceau électronique 3 duquel l'extrémité d'un lingot de métal ou d'un alliage métallique est fondue La matière fondue tombe dans un bac en cuivre 5 refroidi à l'eau et elle y forme une masse fondue 6 dont le niveau s'élève toujours plus haut, jusqu'à ce qu'elle atteigne un trop plein 7 du bac 5, d'o elle passe dans un moule métallique refroidi 8 Dans celui-ci, la masse fondue se solidifie en un bloc 9 Sur la masse fondue 6, il est prévu une couche 10 de laitier liquide, une barrière verticale 11 l'empêchant de s'écouler, avec la masse fondue 6, dans le moule métallique 8 En plus de cette barrière supérieure 11, il est également prévu une barrière inférieure 12 au fond du bac en cuivre 5. La barrière supérieure 11 peut être déplacée verticalement au moyen d'un mécanisme d'entraînement 13, qui est disposé sur un support 14 Ceci peut être réalisé par exemple en faisant glisser le mécanisme d'entraînement 13 sur des rails non représentés. Sur le bac 5 se trouve l'extrémité d'un tube 15 par lequel un granulat de laitier 16 peut être répandu sur la surface de la masse fondue 6 Ce tube peut pivoter verticalement autour d'un axe 17 Cet axe 17 repose de son côté sur un arbre non représenté, qui repose de manière à pouvoir tourner dans un support 18, de telle sorte que le tube 15 peut également tourner horizontalement Dans le tube 15 fait saillie l'extrémité 19 d'un dispositif de transport hélicoïdal vibrant 20, qui est mis en vibration par un mécanisme d'entraînement non représenté, de telle sorte que la matière en vrac qui est versée au-dessous sur le dispositif d'alimentation 20 passe, grâce à des chocs par impulsions, à l'extrémité supérieure du dispositif d'alimentation 20 Une trémie d'alimentation pour le granulat de laitier, qui contient la quantité de granulés nécessaire pour une opération de refusion prolongée, est désignée par le repère numérique 21. Le bac en cuivre 5 repose sur une balance 22 qui détermine le poids total du bac 5, de la matière fondue 6 et du laitier 10, et l'envoie à un régulateur 23 Dans le régulateur, le poids total déterminé est comparé à un poids théorique et le dispositif d'alimentation 20 est commandé de telle sorte que le poids réel corresponde au poids théorique Le poids théorique est déterminé ici de telle manière qu'il se forme toujours sur la masse fondue une couverture complète de laitier d'une épaisseur déterminée Comme la masse spécifique de la masse fondue et du laitier ainsi que le volume du bac 5 sont connus jusqu'au bord déversoir, il est possible de déterminer, par le calcul, l'épaisseur de la couche de laitier présente à chaque fois. Il est également possible d'observer la surface du contenu du bac avec une thermo-caméra ou une vidéo-caméra, et de continuer à pousser le granulat de laitier lorsque la couche de laitier fermée se déchire Lorsqu'il est parvenu sur la surface de la masse fondue 6, le granulat est fondu par des faisceaux d'électrons qui proviennent soit du canon 2 représenté, soit d'un deuxième canon à électrons qui n'est pas représenté. A l'aide d'un procédé de mesure par dispersion des longueurs d'ondes, il est en outre possible de surveiller l'évaporation d'éléments dans la masse fondue et de déterminer la vitesse d'évaporation On peut ainsi obtenir, au moyen des vitesses d'évaporation déterminées des éléments chimiques, un ajustement optimal de la couche protectrice pour maintenir aussi faibles que possible les évaporations de la matière de refonte. La profondeur plus ou moins élevée de pénétration de la barrière 11 dans la masse fondue pour empêcher le laitier 10 de passer également dans le moule métallique, dépend de la composition du laitier 10 et de la matière fondue 6 ainsi que de la vitesse de fusion Si l'on fond très rapidement, le débit sous la barrière 11, qui est symbolisé par la flèche 24, est très élevé, de telle sorte que des parties du laitier liquide 10 peuvent être entraînées Dans ce cas, la barrière doit donc être plongée relativement profondément dans la masse fondue 6. Dans le cas de laitiers visqueux, il suffit d'une profondeur de pénétration plus faible que dans le cas de laitier moins visqueux Ceci vaut également pour la masse fondue La barrière 12 au fond du bac sert à retenir, si nécessaire, des métaux lourds qui se trouvent dans la masse fondue. La profondeur de pénétration de la barrière il est préréglée sur le régulateur 23, car les données nécessaires à cet effet sont connues Il est cependant également possible de saisir automatiquement certaines données pendant l'opération de fusion, par exemple la vitesse d'écoulement Celle-ci est caractérisée par l'augmentation de poids du moule métallique 8 En pesant le moule métallique 8 avec son contenu, et en faisant la différence, on peut envoyer au régulateur 23 par une ligne 26, un signal qui permet à celui-ci de soulever ou d'abaisser la barrière 11. Le laitier pour le recouvrement de la masse fondue se compose principalement d'un mélange de plusieurs oxydes, par exemple de Ca O, A 1203, Mg O, Ti O 2 et Zr O 2 Son épaisseur doit être d'au moins 2 mm. * 2687691 REVENDICATIONS 1 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein avec un bac pour la réception d'une masse fondue de métal ou d'alliages métalliques, qui est fondue au moyen d'un faisceau d'électrons à partir d'un corps métallique ou d'alliages métalliques solides, et avec un recouvrement de couche protectrice pour la surface de la masse fondue, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif d'alimentation ( 20) qui distribue, sur la surface de la masse fondue ( 6), la matière ( 16) pour un recouvrement par la couche de protection ( 10). 2 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif ( 13) pour le déplacement vertical d'une barrière ( 11) dans la masse fondue ( 6). 3 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu un dispositif de régulation ( 23) qui commande le dispositif d'alimentation ( 20) de telle sorte qu'il se trouve constamment sur la surface de la masse fondue ( 6) une quantité déterminée de matière de recouvrement par la couche protectrice. 4 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bac ( 5) est disposé sur un dispositif de pesée ( 22), qui détermine le poids total du bac ( 5) avec son contenu ( 6, 10), et en ce qu'il est prévu un dispositif comparateur qui, sur la base d'une comparaison du poids total mesuré avec un poids total donné à l'avance, agit sur le dispositif de régulation ( 23) de telle sorte que le poids total mesuré corresponde au poids total donné à l'avance. Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il est prévu une thermo-caméra qui détermine la surface du contenu du bac ( 6, 10), qu'il est en outre prévu un dispositif qui reconnaît sur la base de la surface reproduite thermiquement, si une couche protectrice complète est présente ou si celle-ci est interrompue, et en ce qu'il est prévu un dispositif qui, dans le cas d'une couche protectrice interrompue, apporte à l'aide du dispositif d'alimentation ( 20) de la matière pour recouvrement de couche protectrice. 6 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 3, caractérisé en ce que, grâce à un procédé de mesure par dispersion des longueurs d'ondes, qui détermine les vitesses d'évaporation d'éléments chimiques, le recouvrement de couche protectrice ( 10) est tel qu'il se produit une évaporation aussi faible que possible de l'élément chimique surveillé. 7 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 5, caractérisé en ce que la thermo- caméra surveille également la zone de fusion libre devant la barrière ( 11) et en ce que l'apport d'énergie par le faisceau d'électrons ( 3) est commandé de telle sorte que soit obtenue une faible surchauffe de la matière. 8 Dispositif de fusion par bombardement électronique à trop-plein selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation ( 20) est un transporteur hélicoïdal vibrant, qui fait passer la matière pour le recouvrement par la couche protectrice d'un premier emplacement ( 21) à un deuxième emplacement ( 19), ce deuxième emplacement se trouvant au-dessus de la surface de la masse fondue ( 6). 9 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est prévu sur le deuxième emplacement la première extrémité d'un tube ( 15) capable de pivoter, dont l'autre extrémité se trouve au-dessus de la surface de la masse fondue ( 6) à proximité de celle-ci. Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop- plein selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est prévu du laitier comme matière pour le recouvrement par la couche protectrice. 11 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 9, caractérisé en ce que le laitier est déposé sous forme d'un granulat sur la surface de la masse fondue. 12 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barrière ( 11) est introduite verticalement, par le haut, en direction du bac ( 5), dans le recouvrement par la couche protectrice ( 10). 13 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barrière ( 11) est introduite verticalement, par le haut, en direction du bac ( 5) dans le recouvrement par la couche protectrice ( 10) et dans la masse fondue ( 6). 14 Dispositif de fusion par bombardement électronique et à trop-plein selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une barrière ( 12) est disposée au fond du bac ( 5) dans la masse fondue ( 6) et fait saillie en direction du revêtement par la couche protectrice ( 10). Procédé pour la préparation d'un métal ou d'un alliage métallique de haute pureté, caractérisé par les étapes suivantes: a) on fond dans un espace dans lequel le vide a été réalisé, à l'aide d'un faisceau d'électrons, une matière qui passe dans un bac; b) on conduit l'opération de fusion jusqu'à ce que la matière fondue s'écoule par un trop-plein du bac; c) on introduit la barrière dans la masse fondue du bac, permettant aussi à la surface de la masse fondue d'être divisée en deux régions; d) on dépose la matière pour le revêtement par la couche protectrice sur la région de la surface de la masse fondue qui est éloignée du trop-plein. 16 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le revêtement par la couche protectrice est maintenu constant par régulation. 17 Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que par fusion des métaux introduits, on ajuste une masse fondue débordante.