Brevet FR2788709A1 — publié le 20000728

Procédé pour alimenter un creuset à lévitation. L'invention se rapporte aux creusets dits "à lévitation" utilisés pour la fusion par induction des métaux, et plus particulièrement à un procédé pour alimenter en métal de tels creusets, ladite alimentation pouvant s'effectuer en continu au fur et à mesure des besoins en métal liquide. On connaît, par exemple par le brevet FR.2.649.625, un creuset à lévitation dit "froid" comportant un inducteur électromagnétique hélicoïdal entourant le creuset, cet inducteur coopérant avec le creuset pour produire un champ magnétique approprié assurant simultanément la fusion du métal par induction et la mise en lévitation du métal fondu, ledit creuset étant en cuivre sectorisé, lesdits secteurs étant le siège de courants électriques induits, lesdits secteurs étant refroidis par circulation d'un fluide réfrigérant. Avec ce type de creuset, le métal liquide n'arrive pas au contact du creuset et ne peut donc pas produire de réactions chimiques avec le matériau constituant le creuset. Ainsi, ce type de creuset est plus particulièrement utilisé pour fondre et contenir des métaux très réactifs tels les alliages de titane. Egalement, ce type de creuset est habituellement disposé à l'intérieur d'une enceinte sous vide ou contenant un gaz neutre, afin de protéger le métal liquide d'une contamination résultant de son contact avec l'air ambiant. On connaît également les creusets à induction classiques dits "chauds", lesdits creusets étant constitués d'un matériau réfractaire et étant entouré par un inducteur hélicoïdal. De tels creusets peuvent également être le siège d'un effet de lévitation grâce à un réglage approprié du courant électrique alimentant l'inducteur. La lévitation peut être totale, le métal liquide étant alors complètement repoussé des parois du creuset et n'entrant donc pas au contact desdites parois. La lévitation peut aussi n'être que partielle, le métal liquide n'étant que partiellement écarté des parois du creuset et pouvant donc rester à d'autres endroits au contact desdites parois. Le champ magnétique complexe régnant à l'intérieur du creuset crée à la surface du métal liquide une "peau électromagnétique" qui est le siège de forces tendant à écarter le métal liquide des parois du creuset. De tels creusets n'ont qu'une capacité limitée, car la masse de métal liquide à maintenir en lévitation est proportionnelle à son volume, alors que les forces de lévitation sont proportionnelles à la surface du métal liquide du fait que lesdites forces sont localisées à la surface du métal liquide. Ces creusets sont en conséquence mal adaptés pour produire une quantité de métal liquide importante, car il faut 1o alimenter le creuset en introduisant régulièrement par gravité des morceaux de métal par une ouverture au dessus du creuset, et attendre la fusion complète et l'homogénéisation du métal dans le creuset, ce qui entraîne des pertes de temps par arrêt du travail en cours. De plus, cette alimentation devient difficile lorsque le creuset est placé dans une enceinte protégeant le métal liquide du contact de l'air ambiant. Un premier objet de l'invention est un procédé pour alimenter un creuset à lévitation sans devoir interrompre le travail en cours. Un second objet de l'invention est un procédé pour alimenter un creuset à lévitation disposé à l'intérieur d'une enceinte protégeant du contact de l'air ambiant le métal liquide contenu dans le creuset. L'invention propose un procédé pour alimenter en métal un creuset à lévitation, ledit creuset étant entouré par un inducteur hélicoïdal, ledit creuset étant le siège d'un champ électromagnétique susceptible de fondre le métal disposé à l'intérieur de l'inducteur et de produire un effet de lévitation repoussant au moins partiellement le métal liquide des parois du creuset. Un tel procédé est remarquable en ce que: a. on dispose une ouverture d'alimentation au fond du creuset et en dessous de l'inducteur, ladite ouverture d'alimentation étant tournée vers le bas, b. on introduit une barre de métal par l'ouverture d'alimentation, et on fait remonter l'extrémité supérieure de ladite barre dans le creuset à l'intérieur de l'inducteur, c. on écarte le métal liquide du bord de l'ouverture d'alimentation par l'effet de lévitation, ledit écartement s'effectuant au moins sur une distance égale au jeu E1 laissé entre la barre et le bord de l'ouverture d'alimentation. On comprend que la partie supérieur de la barre fond en pénétrant à l'intérieur de l'inducteur, le métal liquide ainsi produit alimentant le creuset. L'introduction de la io barre est effectuée progressivement en fonction du besoin de production de métal liquide. On comprend que l'effet de lévitation coopère avec la barre pour assurer l'étanchéité du creuset et empêcher ainsi le métal liquide de s'écouler par le jeu El1 laissé entre la barre et le bord de l'ouverture d'alimentation, ledit effet de lévitation repoussant le métal liquide du bord de l'ouverture d'alimentation, ledit jeu E1 étant nécessaire pour permettre à ladite barre de passer par ladite ouverture d'alimentation, ladite barre étant pleine par définition. L'intensité du champs magnétique au bord de l'ouverture d'alimentation n'est pas critique, cette intensité devant seulement être suffisante pour assurer l'étanchéité du creuset. L'homme du métier veillera cependant à limiter cette intensité afin de maintenir à l'état solide le métal de la barre à partir et en dehors de l'ouverture d'alimentation, ce qui permet d'assurer l'étanchéité du creuset. On comprend en effet qu'une intensité excessive provoquerait la fusion de la barre au delà de l'ouverture à lI'extérieur du creuset, ladite fusion risquant de provoquer l'écoulement par gravité du métal liquide contenu dans le creuset à travers ladite ouverture d'alimentation. On comprend que le jeu E1 est un jeu mécanique nécessaire pour permettre le passage de la barre par l'ouverture d'alimentation. On comprend que le métal liquide pourra très simplement être prélevé par le dessus du creuset selon les techniques habituellement mises en oeuvre par l'homme du métier, en l'occurrence le fondeur, par exemple en disposant un bec verseur au dessus du creuset et en basculant ledit creuset pour faire couler le métal liquide par gravité. Le fondeur pourra également augmenter temporairement l'effet de lévitation afin de faire monter le métal liquide au dessus du creuset, ledit métal liquide s'écoulant alors par le bec verseur. L'invention a l'avantage de bien stabiliser la forme de la masse du métal liquide et de lui éviter les vibrations plus ou moins amorties qui résulteraient d'une alimentation discontinue effectuée en jetant des morceaux de métal dans le creuset. En effet, la barre arrive par en dessous au contact du métal liquide, et le io métal nouvellement liquéfié se mélange progressivement au métal déjà liquide en vainquant la gravité. Un autre avantage de l'invention est d'autoriser un creuset de petite taille permettant cependant de produire de façon continue ou discontinue une grande quantité de métal liquide. Avantageusement, on utilisera un creuset cylindrique et sans fond, I'ouverture d'alimentation se confondant alors avec l'extrémité inférieure du creuset, un dôme de métal liquide se formant dans le creuset au dessus de la barre. Une telle disposition permet d'utiliser une barre de diamètre maximal compatible avec la taille du creuset, ladite barre atteignant ainsi un diamètre voisin du diamètre intérieur du creuset, ce qui permet d'augmenter, sans encombrement excessif de l'installation, la quantité de métal disponible à l'entrée du creuset, et par répercussion d'augmenter la capacité du creuset à fournir en quantité du métal liquide. Avantageusement, le creuset étant disposé à l'intérieur d'une enceinte contenant un gaz neutre en surpression, on disposera une ouverture dans la paroi de l'enceinte, ladite ouverture de l'enceinte mettant en communication l'intérieur de lI'enceinte avec l'extérieur, ladite ouverture de l'enceinte étant placée en face de l'ouverture d'alimentation du creuset, et on fera passer la barre simultanément par cette ouverture avec un jeu E2 réduit et par l'ouverture d'alimentation du creuset dans les conditions précitées. Un tel procédé permet d'utiliser une enceinte de taille réduite, à la limite juste suffisante pour contenir le creuset et l'inducteur, puisque l'alimentation du creuset s'effectue depuis l'extérieur de l'enceinte en passant la barre simultanément par I'ouverture de l'enceinte et par l'ouverture d'alimentation du creuset. On comprend que le gaz en surpression fait obstacle à l'air ambiant et l'empêche de pénétrer dans l'enceinte par le jeu E2 laissé entre la barre et l'ouverture de l'enceinte. L'ensemble constitué par l'enceinte, le creuset et l'inducteur étant de taille réduite peuvent être déplacés ou manipulés facilement, sans préjudice cependant de sa io capacité à fournir du métal liquide en quantité. On comprend que le jeu E2 entre la surface latérale de la barre et le bord de l'ouverture de l'enceinte est un jeu mécanique nécessaire pour faire passer ladite barre. L'homme du métier réduira ce jeu E2 au stricte nécessaire compatible avec les imprécisions de la géométrie de la surface latérale de la barre, ladite précision pouvant être améliorée par la rectification de ladite surface latérale. L'invention sera mieux comprise et les avantages qu'elle procure apparaîtront plus clairement au vu d'un exemple détaillé de réalisation et de la figure unique illustrant un creuset cylindrique alimenté par en dessous par une barre de métal, ledit creuset étant disposé dans une enceinte. On se reportera à la figure unique. Le creuset 1 est du type "creuset froid" appelé aussi "creuset à lévitation" et présente une forme cylindrique de révolution autour de l'axe géométrique 2 vertical. Ce creuset 1 n'a pas de fond et se limite donc à sa seule paroi latérale 3, un inducteur 4 étant disposé autour de ladite paroi latérale 3. Un champ électromagnétique complexe non représenté règne à lI'intérieur de l'inducteur 4 et plus particulièrement du creuset 1, ledit champ électromagnétique assurant la fusion du métal présent à l'intérieur du creuset 1, ledit champ magnétique repoussant également le métal liquide 5 ainsi produit de la paroi latérale 3. L'extrémité inférieure de la paroi latérale 3 constitue une ouverture d'alimentation 6 par laquelle on fait passer une barre 10 cylindrique de forme complémentaire à celle de l'ouverture d'alimentation 6 avec un jeu E1 suffisant. Cette barre 10 est disposée verticalement en dessous du creuset 1 et dans l'axe géométrique 2 dudit creuset 1, ladite barre 10 étant remontée progressivement selon un mouvement de bas en haut, ladite barre 10 étant dans le même métal que le métal liquide 5. En pénétrant à l'intérieur de l'inducteur 4, l'extrémité supérieure 11 de la barre 10 se liquéfie, et le métal liquide 5 ainsi produit forme un dôme au dessus de ladite extrémité supérieure 11, ce dôme de métal liquide 5 remontant vers le haut du creuset 1 et s'écartant de la paroi 3 latérale dudit creuset 1. La surface géométrique 12 séparant le métal liquide 5 de la barre 10 encore solide forme un ménisque dont la concavité est tournée vers le haut, ce ménisque 12 arrivant sur la ligne d'intersection 13 de la surface latérale a de la barre 10 et de la surface 5a du dôme de métal liquide 5, ladite ligne d'intersection 13 étant positionnée dans l'ouverture d'alimentation 6, ledit métal liquide 5 étant au dessus dudit ménisque 12. L'effet de lévitation écarte le métal liquide 5 de la paroi latérale 3 notamment au bord de l'ouverture d'alimentation 6. De ce fait, le métal liquide 5 ne peut pas passer au dessus de la ligne d'intersection 13 et s'écouler par gravité par le jeu E1 entre la surface latérale 10a de la barre 10 et le bord de l'ouverture d'alimentation 6. Le métal liquide 5 ne touche pas la paroi 3 du creuset 1, ce qui évite sa contamination par ledit creuset 1 lorsque ledit métal liquide 5 est trop réactif, par exemple un alliage de titane. On comprend que le métal liquide 5 est dans cet exemple entièrement porté par la barre 10, l'effet de lévitation étant alors borné à repousser ledit métal liquide 5 vers l'axe géométrique 2 du creuset 1. De ce fait, le dôme de métal liquide 5 ainsi formé est bien stable. Afin d'éviter la pollution ou l'oxydation du métal liquide 5, le creuset 1 est disposé dans une enceinte 15 remplie avec un gaz neutre ou protecteur, ledit gaz neutre étant porté à une pression un peu supérieure à la pression atmosphérique afin d'éviter toute pénétration de l'air ambiant à l'intérieur de ladite enceinte 15. Cette enceinte 15 comporte dans sa partie inférieure une ouverture 16 tournée vers le bas et dans l'axe géométrique 2 du creuset 1, la barre 10 passant par ladite ouverture 16 avec un jeu E2 limité, le gaz inerte en surpression à l'intérieur de l'enceinte empêchant l'air ambiant de pénétrer dans ladite enceinte 15 par le jeu E2 laissé entre la surface latérale 10 a de la barre 10 et le bord de l'ouverture 16 de l'enceinte 15. On utilisera de préférence des barre 10 rectifiées, afin de pouvoir réduire ce jeu E2 et par répercussion les fuites de gaz. L'ouverture 16 de l'enceinte 15 est juste devant l'ouverture d'alimentation 6 du creuset 1, et la barre passe simultanément par lesdites ouvertures 16,6 depuis l'extérieur de l'enceinte jusqu'à l'intérieur du creuset 1. On rappelle que les jeux El,E2 entre la barre 10 et les deux ouvertures 6,16 ont pour fonction de permettre la translation de ladite barre 10 dans lesdites ouvertures 6,16. L'origine de ce dôme de métal liquide 5 peut s'expliquer de la façon suivante: le champ magnétique alternatif crée par l'inducteur engendre des courants induits et des forces électromagnétiques dans le métal liquide. Ces forces sont localisées à la périphérie du métal liquide dans une couche superficielle appelée "peau électromagnétique" dont l'épaisseur 8 dépend de la fréquence f du courant inducteur et varie comme f -1'2 Lorsque la fréquence augmente, donc lorsque l'épaisseur 6 de la "peau électromagnétique" diminue, les forces électromagnétiques tendent à devenir perpendiculaires à la surface extérieure du métal liquide, ce qui favorise la composante irrotationnelle de ces forces, à lI'origine de la pression électromagnétique, au détriment de la composante rotationnelle, à l'origine du brassage électromagnétique. Ainsi, lorsque l'épaisseur 6 de la peau électromagnétique est faible devant la dimension caractéristique L du volume de métal liquide, soit typiquement le rayon du creuset, I'effet de pression est important, le métal liquide subissant une répulsion de la part de I'inducteur et la surface dudit métal liquide s'élevant sous la forme d'un dôme. Plus la fréquence augmente, c'est à dire plus le brassage diminue, plus le dôme est stable. La hauteur du dôme est principalement fixée par l'intensité du courant dans lI'inducteur, c'est à dire par l'intensité du champ magnétique créé. Si B est la valeur de ce champ magnétique, p la masse volumique du métal liquide, p. la perméabilité magnétique et g la gravité, la hauteur h du dôme est h = B2/21ppg s Ainsi, pour des fréquences élevées correspondant à des valeurs de $ faibles devant la dimension caractéristique L du volume de métal liquide, il est possible d'obtenir des dômes stables de hauteur élevée. La notion de fréquence élevée se quantifie par le fait que le paramètre d'écran Ro est grand devant l'unité, avec Rco = aoL2 o a désigne la conductivité électrique du métal liquide, la pulsation du courant inducteur, soit co=2f f. Il est donc possible de faire monter un dôme de métal liquide dans un creuset entouré par un inducteur parcouru par un courant alternatif d'intensité et de io fréquence bien choisies, et même de faire sortir le dôme de métal liquide au dessus du creuset, ce qui permet par exemple de déposer un revêtement métallique sur des objets amenés simplement au dessus du creuset. Revendications 1. Procédé pour alimenter en métal un creuset à lévitation, ledit creuset (1) étant entouré par un inducteur (4) hélicoïdal, ledit creuset (1) étant le siège d'un champ magnétique susceptible de fondre le métal disposé à l'intérieur dudit creuset (1) et de produire un effet de lévitation repoussant au moins partiellement le métal liquide (5) des parois (3) du creuset (1). Un tel procédé est remarquable en ce que: 1o a. on dispose une ouverture d'alimentation (6) au fond du creuset (1) et en dessous de l'inducteur (4), ladite ouverture d'alimentation (6) étant tournée vers le bas, b. on introduit une barre (10) de métal par l'ouverture d'alimentation (6), et on fait remonter l'extrémité supérieure (11) de ladite barre (10) dans le creuset (1) à i5 lI'intérieur de l'inducteur (4), c. on écarte le métal liquide (5) du bord de l'ouverture d'alimentation (6) par l'effet de lévitation, ledit écartement s'effectuant au moins sur une distance égale au jeu E1 laissé entre la barre (10) et le bord de l'ouverture d'alimentation (6). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un creuset (1) cylindrique et sans fond, l'ouverture d'alimentation (6) se confondant alors avec l'extrémité inférieure du creuset (1), un dôme de métal liquide (5) se formant dans le creuset (1) au dessus de la barre (10). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, le creuset (1) étant disposé à l'intérieur d'une enceinte (15) contenant un gaz neutre en surpression, caractérisé en ce qu'on dispose une ouverture (16) dans la paroi de l'enceinte (15), ladite ouverture (16) de l'enceinte (15) mettant en communication l'intérieur de l'enceinte avec l'extérieur, ladite ouverture (16) de l'enceinte (15) étant placée en face de l'ouverture d'alimentation (6) du creuset (1), et en ce qu'on fait passer la barre (10) par cette ouverture avec un jeu E2 réduit.