Brevet FR2688516A1 — publié le 19930917

i L' invention concerne un dispositif pour la fabrication de métaux et d'alliages de métaux de grande pureté, comportant un creuset refroidi, constitué de plusieurs segments métalliques, qui est entouré par une bobine d'induction. Les pièces fortement sollicitées, par exemple les pales de turbines, peuvent être réalisées dans un maté- riau d'une grande pureté Si ce matériau contient des inclusions de substances étrangères, en cas de fortes sollicitations, ces inclusions sont le point de départ de microfissures et similaires qui conduisent finalement à une destruction de l'ensemble de la pièce. Un procédé usuel destiné à la production de métaux ou d'alliages de métaux très purs, consiste à refondre une matière première par fusion par induction sous vide (= VIM Vacuum Induction Melting) en un lingot. La pureté du lingot ainsi obtenu n'est toutefois pas suffisante dans un grand nombre de cas En outre il présente en règle générale une structure non homogène, qui peut être due entre autres à ce que la solidification du métal s'effectue de l'extérieur vers l'intérieur, dans un moule qui détermine les contours extérieurs du lingot. Pour obtenir une pureté encore plus grande, le lingot est soumis à un procédé de fusion à l'arc sous vide (= VAR = Vacuum Arc Remelting) Dans ce cas, le lingot a la forme d'une électrode cylindrique qui est connectée à un pôle d'une source de tension électrique, tandis que le réci- pient dans lequel le métal s'égoutte de l'électrode, est raccordé à l'autre pôle de cette source de tension Il se forme alors entre l'électrode et le lingot à réaliser, dans la lingotière, un arc qui fait qu'une extrémité de l'électrode-lingot fond. Dans un autre procédé connu, le procédé de refusion électrique de scories (= ESU, à comparer DE-Z Korousic, B entre autres: ESR Technology of High Purity Copper Alloys, Metall, Février 1987, pages 153 à 155), il ne se forme pas d'arc ouvert entre une électrode et un produit de fusion dans une lingotière, bien qu'une tension électrique s'applique de la même manière que dans le procédé VAR (DE-B-23 49 721) Dans ce cas au contrai- re, du fait du flux de courant passant par une électrode, immergée dans des scories, celles-ci sont chauffées par chauffage à résistance, de sorte que la matière de l'électrode fond La matière fondue traverse les scories. Entre le produit de fusion et la surface des scories il se produit des réactions métallurgiques de sorte qu'au dessous des scories se trouve un produit de fusion de grande pureté Un avantage du procédé ESU réside dans le fait qu'il peut être mis en oeuvre sous une pression atmosphérique normale. Les pièces à réaliser elles-mêmes, par exemple les pièces de turbine, peuvent être forgées dans le métal épuré Mais il est possible aussi de pulvériser en poudre le métal épuré et liquéfié, de le mettre dans un moule puis de le compacter sous pression mécanique. Dans le procédé VAR comme dans le procédé ESU, l'énergie thermique nécessaire à la fusion, est introdui- te par le flux de courant, par l'intermédiaire d'une résistance. Dans le cas de l'échauffement dit inductif, l'énergie de fusion est introduite en revanche par des courants de Foucault dans le produit de fusion, lesquels se forment sous l'effet d'un champ alternatif magnétique d'une bobine Dans ce cas, cette bobine est placée autour d'un creuset dans lequel se trouve le produit à fondre (DE-C-30 26 722). Afin que les champs magnétiques puissent pénétrer dans le produit à fondre, le creuset doit être totalement ou partiellement perméable à ces champs Si le creuset est en céramique, les champs pénètrent sans problème dans le produit de fusion Mais les creusets en céramique dans lesquels des métaux sont fondus posent un problème en ce que, s'ils présentent bien une température de fusion élevée et sont perméables à des champs alternatifs magnétiques, dans certains cas, ils réagissent avec le métal en fusion, ou des parties de la céramique friable du creuset se détachent et pénètrent dans le métal en fusion sous forme d'inclusions. En revanche les creusets en métal présentent une ténacité élevée et ne réagissent pas directement avec le métal en fusion Mais ils ont pour inconvénient de donner lieu à des courants de Foucault et d'empêcher les champs alternatifs magnétiques de pénétrer dans le produit en fusion Ils présentent par ailleurs une température de fusion relativement basse. Mais on sait déjà utiliser des creusets métalli- ques, malgré leurs propriétés négatives mentionnées, pour la fusion inductive de métaux et d'alliages de métaux (DE-PS 518 499, EP O 276 544, DE-A-39 40 029, EP-A O 480 845) Dans ce cas, la paroi du creuset est partagée en plusieurs segments afin de réduire la formation de courants de Foucault formant écran et de permettre ainsi un échauffe- ment inductif du produit a fondre et, d'autre part, les segments du creuset sont refroidis, par exemple à l'eau, afin que ceux-ci ne fondent pas sous l'effet d'une température éventuellement plus élevée du produit en fusion Les segments du creuset étant configurés de manière particulière, l'introduction d'énergie dans le produit à fondre est optimisée En outre, il est par exemple possible d'éloigner le métal en fusion de la paroi intérieure du creuset, par la pression de rayonne- ment des champs partant de la bobine Dans le creuset à induction refroidi, on produit un métal en fusion qui est ensuite prélevé du creuset, par basculement de celui-ci. Mais il est connu aussi de pourvoir le fond d'un tel creuset d'une ouverture et de pulvériser le jet en fusion s'écoulant, de manière qu'il se forme une poudre métalli- que ou une poudre d'oxyde métallique (DE-A-40 11 392)-. Pour le formage du jet de coulée, il est prévu dans ce cas une trémie conique ou hyperbolique de rotation, qui est constituée de segments métalliques, refroidis par un fluide, et qui est entourée par une bobine d'induction. Par le choix de la forme de la trémie, de la fréquence du courant alternatif avec lequel fonctionne la bobine d'induction et par le choix de la densité de courant de la bobine d'induction, le jet de coulée peut être formé et arrêté. L'invention a pour but de produire un jet de coulée dans un matériau qui présente une plus grande pureté que les matériaux obtenus avec les procédés cités. Ce but est atteint suivant l'invention avec un dispositif du type précité car il est prévu dans le creuset une couche de scories liquides dans laquelle est immergée au moins une électrode en métal ou en alliage de métaux et en ce que cette électrode s'applique à une source de tension. Les avantages de l'invention résident dans l'épuration du matériau des électrodes ESU au moyen de réactions de scories, dans l'épuration du métal en fusion liquéfié par surchauffe dans le four à induction ainsi qu'éventuellement dans un enrichissement des impuretés dans le fond de poche, sur la surface du creuset froid. En outre, l'association de deux technologies dans une installation et dans un procédé de fusion permet, par rapport aux installations séparées, de réaliser une économie d'énergie considérable, de raccourcir la durée du procédé et éventuellement d'obtenir une plus grande pureté Ces avantages sont complétés en outre par une grande largeur des produits finis Ce procédé peut par ailleurs être mis en oeuvre pratiquement dans tout type d'atmosphère, par exemple sous vide, à l'air, dans un gaz inerte et sous surpression De préférence, il est intégré à l'équipement combiné une sortie qui permet de réaliser les conditions de procédé les plus favorables, pour le produit final respectif. A ceci vient s'ajouter le fait que le dispositif suivant l'invention peut fonctionner sous vide, à l'air ou dans un gaz inerte ou encore sous surpression. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'inven- tion est représentée, à titre d'exemple non limitatif, au dessin annexé. La fig unique représente un dispositif 1 dans lequel sont réunis des éléments du procédé électrique de refusion de scories et des éléments de la technologie des creusets à induction La fusion d'une électrode 2 s'effec- tue dans ce cas au moyen d'une source d'énergie élec- trique 3 dont la première connexion 4 est reliée È l'électrode 2, tandis que la deuxième connexion 5 est reliée à un creuset 6 Il peut être prévu aussi une plaque d'amorçage non représentée à la figure En outre, la source d'énergie 3 peut être une source de courant continue ou de courant alternatif Ce creuset 6 est un creuset fendu qui est constitué de plusieurs lamelles disposées verticalement, dont quelques lamelles 7 à 13 seulement sont visibles à la figure L'extrémité de l'électrode 2 est immergée dans une couche de scories 14 liquide et est fondue en raison du fort dégagement de chaleur dans la couche de scories 14 Le produit a fondre , fondu et épuré se recueille au-dessous de la couche de scories 14 Jusque là il s'agit du procédé électrique de refusion de scories classique Dans ce procédé connu, il se forme au-dessous de la couche de scories 14, jusqu'à une certaine profondeur, une poche constituée de la matière fondue liquide de l'électrode Au-dessous de cette poche, le matériau se solidifie à nouveau La lenteur du procédé ESU ne permet généralement pas de maintenir liquide la totalité du contenu du creuset 6, au-dessous de la couche de scories 4 et de la faire couler par une ouverture pratiquée dans le creuset 6 et de la pulvériser Une conduite continue du processus de fusion s'obtient suivant l'invention en ce que le creuset 6 est un creuset à induction froide Celui-ci comporte sur son pourtour une bobine d'induction 16 refroidie à l'eau, qui est connectée, par deux connexions 17, 18, à une source de courant alternatif 19 A l'aide de cette bobine d'induction, le produit à fondre 15 peut être maintenu liquide A l'extrémité inférieure du creuset 6 se trouve une ouverture 20 qui, pendant le fonctionnement normal de fusion, est fermée par un bouchon 21 qui est réalisé dans le même matériau que l'électrode 2 Ce bouchon 21 se forme par suite du refroidissement à travers la paroi du creuset 6 ou est introduit au préala- ble Lorsque l'énergie de fusion, introduite par la bobine 16, ne suffit pas pour chauffer le matériau 15 liquide de manière qu'il reste liquide, le bouchon solidifié se prolonge vers le haut dans une couche 22 solidifiée L'induction de la bobine 16 maintient liquide le métal en fusion 15 restant et provoque dans celui-ci des courants Ces courants sont indiqués par des flèches 23 à 26 courbées; mais ces flèches ne représentent que de manière symbolique les mouvements des courants très compliqués et ne fournissent pas une indication concernant les courants réels Mais dans tous les cas, les courants des scories font que les inclusions et les impuretés qui se trouvent encore dans les scories, parviennent à l'extérieur, sont absorbées par la couche de scories et peuvent ainsi être éliminées du métal en fusion Ceci a pour effet d'épurer encore une fois le matériau refondu. L'électrode 2 peut être mise en rotation à l'aide d'un moteur 36 Il est possible aussi d'abaisser ou de lever verticalement l'électrode 2, au moyen d'un méca- nisme de levage 27, qui est déplaçable sur un rail 28 vertical et qui est fixé sur un dispositif 29. Lorsque le métal en fusion 15 est suffisamment épuré, il peut être prélevé du creuset 6, pour un traitement ultérieur A cet effet, il est prévu à l'ex- trémité inférieure 30 du creuset 6, une autre bobine d'induction 31 qui est alimentée à partir d'une source de courant alternatif 37 Si cette bobine 31 est traversée par un courant, l'énergie thermique d'induction se concentre sur le bouchon 21 et fait fondre celui-ci. Après fusion de ce bouchon, le métal liquide 15 peut s'écouler vers le bas du creuset 6, à travers l'ouverture et peut subir un traitement ultérieur, par exemple pour le transformer en poudre métallique ou poudre d'alliage Il est possible aussi de fabriquer des demi- produits obtenus par coulée en continu et des demi- produits de décharge du fond Ce procédé peut aussi être réalisé en continu par fusion de l'électrode et coulée du métal. Ce traitement complémentaire est connu en soi (voir par exemple brevet US 4 762 553, brevet US 4 869 469) et il n'est donc pas nécessaire de le décrire plus en détail Il est bien entendu aussi que la technologie connue des "creusets froids' peut être utilisée pour la coulée du jet ou qu'on peut recourir à un dispositif d'extraction de lingots Le courant alternatif de la source 3 qui est utilisé pour le procédé ESU proprement dit, peut présenter des fréquences variables Il est possible aussi de faire fondre simultanément deux électro- des ou plus, au lieu d'une électrode 2 Dans le cas de trois électrodes, la source de courant 3 peut être une source de courant triphasée. Dans le cas de plusieurs électrodes, une ou plusieurs servent de contre-électrodes. Pour chauffer le métal en fusion 15, il est représenté à la figure deux sources de courant alternatif 19, 37 séparées Au lieu de deux sources de courant alternatif, il suffit toutefois d'une seule, lorsque celle-ci peut être commutée sur un enroulement ou un autre. L'invention peut être avantageusement combinée avec la technique "creusets froids" pour la coulée d'un jet (A Gubchenko, Y Norikov, A Choudhury, F Hugo: Vacuum Induction and Induction Plasma Furnaces with Cold Crucible, Paper presented at the Vacuum Metallurgy Conférence, 1991, Pittsburgh/USA) ou avec un dispositif d'extraction de lingots (A Choudhury: Vacuum Metallurgy, ASM International, 1990, pages 136, 137). Un jet de coulée provenant du creuset 6 peut être transféré dans une lingotière o il se solidifie en un lingot Il est possible aussi d'utiliser un jet de coulée provenant du lingot 6 pour remplir des moules perdus En outre, le jet de coulée peut être pulvérisé au moyen d'un gaz inerte, de sorte qu'il se forme une fine poudre métallique Par ailleurs, il est possible d'extraire de la zone rétrécie du creuset 6, une barre dont le diamètre est variable La bobine d'induction 16 peut être partagée en deux parties ou plus qui sont connectées à la même tension ou à des tensions différentes. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour la fabrication de métaux et d'alliages de métaux de grande pureté, comportant un creuset refroidi, constitué de plusieurs segments métal- liques, qui est entouré par une bobine d'induction, caractérisé en ce qu'il est prévu dans le creuset ( 6) une couche de scories ( 14) liquide dans laquelle est immergée au moins une électrode ( 2) en métal ou en alliage de métaux et en ce que cette électrode ( 2) est liée à une source de tension ( 3). 2 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il est prévu, comme contre-électrode, une plaque métallique. 3 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que dans la couche de scories ( 14) sont immergées deux électrodes ou plus en métal ou en alliage de métaux et en ce que ces électrodes sont connectées à une source de tension ( 3), une ou plusieurs électrodes servant de contre-électrodes. 4 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le creuset ( 6) présente une ouverture ( 20) pratiquée dans son fond. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le creuset ( 6) se rétrécit en direction de son fond et la zone rétrécie du creuset est entourée par une bobine d'induction ( 31) qui est connectée à une source de tension alternative ( 37). 6 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'électrode ( 2) peut tourner autour de son axe longitudinal, au moyen d'un mécanisme d'entraînement ( 36). 7 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'électrode ( 2) peut être abaissée au moyen d'un mécanisme d'entraînement ( 27). 8 Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'ouverture ( 20) est fermée par un bouchon ( 21) qui est réalisé dans le même matériau que l'électrode ( 2). 9 Dispositif selon l'une des revendications 5 et 8, caractérisé en ce que la puissance de chauffage inductif de la bobine d'induction ( 31) est suffisamment grande pour que le bouchon ( 21) puisse fondre. Dispositif selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il est prévu au lieu d'un fond de creuset un dispositif d'extraction de lingot. 11 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'un jet de coulée est transféré du creuset ( 6) dans une lingotière o il se solidifie en lingot. 12 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on utilise un jet de coulée du creuset ( 6) pour remplir des moules perdus. 13 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on produit de la poudre par pulvérisation d'un gaz inerte à travers un jet de coulée provenant du creuset ( 6). 14 Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce qu'on extrait de la zone rétrécie du creuset ( 6) une barre de diamètre variable. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le procédé se déroule sous vide, à l'air, sous surpression ou gaz inerte. 16 Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que la bobine d'induction ( 16) est en plu- sieurs parties.