<Desc/Clms Page number 1>
Perfectionnements aux procédés et appareils pour l'affinage des métaux.
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour le traitement de métaux, en particulier du cuivre, comportant le traitement du métal à partir d'un moment avant lequel ou pendant lequel il est fondu jusqu'à ce qu'il soit solidifié et elle a notamment pour but de fournir des perfectionnements à l'invention du brevet 388.310 du 4 mai 1932.
<Desc/Clms Page number 2>
Dans les opérations conduites conformément aux inven- tions de ce brevet, on produisait un métal qui, au point de vue de l'absence -d'oxygène et d'autres contaminations, de l'ab- sence de porosité et de l'uniformité de qualités élevées, était nettement supérieur à tout métal analogue eonnu antérieurement.
Il y avait un grand nombre de facteurs qui contribuaient à ce succès. Tous ces facteurs étaient d'importance critique et semblaient avoir été fortuitement combinés pour produire les résultats désirés. On trouvait qu'une variation importante de l'un quelconque de ces différents facteurs avait des effets sérieux sur la qualité du produit.
Les présents inventeurs sont parvenus à déterminer l'importance relative de ces différents facteurs et à les ré- duire à des limites pratiques grâce auxquelles le produit dé- siré peut *être obtenu avec un contrôle plus exact, qui permet la mise en fonctionnement de l'installation par des opérateurs moins expérimentés. Ils sont parvenus également à introduire certains facteurs nouveaux qui ont accéléré la production et donné un perfectionnement supplémentaire marqué du produit.
Suivant la présente invention, on a découvert que lors- que du gaz de gazogène au charbon de bois, qui comprend de l'o- xyde de carbone (CO), de l'acide carbonique (CO2) et de l'azote (N), est employé pour protéger le cuivre, il doit contenir plus de 10% de CO et moins de 15% de CO2 et de préférence 20% ou plus de CO et-5% ou moins de CO2. Un'semblable gaz peut 'être obtenu au moyen d'un gazogène fonctionnant à environ 9100 avec une qualité pure de charbon de bois. Si le gaz contient trop de CO2, H2 ou H2O, les pièces coulées résultantes ne sont pas
2 2 2 convenables. La présence de quantités excessives de CO2 est évitée par le fait qu'on maintient une couche épaisse de char- bon incandescent dans le gazogène et qu'on limite la quantité d'air fournie à celui-ci.
H2 et H20 sont sensiblement éliminés
<Desc/Clms Page number 3>
par le séchage de l'air entrant avant son arrivée dans le gazogène, Il peut également être désirable dans certaines conditions de faire passer le gaz protecteur venant du gazogène sur un agent de séchage avant de l'envoyer à la hotte et aux moules.
On a découvert que la température de coulée pour le cuivre ne doit pas dépasser 1140 C. Au-dessus de cette température, le métal retient trop de gaz pour permettre qu'il soit mis en liberté entièrement pendant la solidifcation .
La température préférée est 1125 C ou moins, mesurée à l'intérieur du récipient de coulée à proximité du point de coulée. On a découvert qu'un courant plus uniforme peut être fourni à partir du bain lorsqu'on fait la coudée à travers un dispositif en forme d'entonnoir dans la masse intermédiaire peu profonde et de la dans le moule. Ceci produit un écoulement plus tranquille et mieux réglé de métal dans lamasse peu profonde et maméliore d'une manière analogue le courant dans le dispositif récepteur ; celà procure également une masse supplémentaire peut profonde pour provoquer la libération de¯gaz entraînés ou dissous.
On a trouvé que seule une masse peu profonde de métal fondu peut être autorisée en toute sécurité à exister dans les moules pendant la coulée st l'on veut obtenir de bonnes pièces coulées. Une masse profonde de métal fondu tend à emprisonner des gaz et à provoquer la porosité, On a trouvé que la vitesse de refroidissement ou de solidification dans les moules est un élément extrêmement important pour la production de pièces coulées de qualité supérieure.
Cette vitesse est déterminée par l'interrelation d'un certain nombre de facteurs différents parmi lesquels on peut citer :
<Desc/Clms Page number 4>
1. La température de coulée, qui a déjà été discutée
2. La vitesse de coulée,
3. La nature de la matière d'enduit des moles.
4. La température initiale des moules.
5. La température et la vitesse de circulation du fluide de refroidissement pour 'les moules.
On a trouvé que la qualité de formes de cuivre moulées est améliorée, en particulier pour ce qui concerne la densité, par le réglage de la dimension du courant de coulée de façon qu'un moule soit rempli de métal à une vitesse comprise entre 25 et 160 livres par minute, de préférence environ 70 livres par minute. Bien que le courant puisse *être passablement bien réglé par variation de sa profondeur au-dessus du goulot de coulée d'une poche de coulée ou d'un autre dispositif analogue, on préfère limiter sa dimension positivement en versant à travers un trou de section transversale appropriée. Par exemple pour couler à la vitesse minima mentionnée ci-dessus, on utilise un trou de 1/4" de diamètre et pour couler à la vitesse préférée, on emploie une ouverture de 3/8" de diamètre.
La hauteur de métal au-dessus du trou de coulée a évidemment une importance pour la vitesse, mais on a trouvé que des variations relativement grandes de hauteur de charge,(en pouces) provoquent une variation relativement petite dans la vitesse d'écoulement du courant.
Dans la pratique ordinaire la vitesse de coulée est modifiée pour des formes de dimensions différentes, mais la vitesse préférée de 70 livres s'est montrée la meilleure pour toutes les dimensions de billettes qui ont jusqu'à présent été coulées sous la surveillance des présents inventeurs, savoir de 2 1/2" de diamètre jusqu'à 7 1/2" de diamètre. Bien qu'elle puisse être rendue un peu plus grande pour des billettes carrées que pour des billettes rondes, la vitesse donnée produirait de bon-
<Desc/Clms Page number 5>
nes billettès dans l'une ou l'autre forme. On a trouvé que lorsqu'un plus grand trou était employé, par exemple de 3/4" de diamètre pour une plus grande vitesse de coulée, les billettes étaient susceptibles de contenir des craquelures et des défauts.
L'enduit de moule qui a été trouvé satisfaisant pour couler du 'cuivre traité suivant le présent procédé est une suspension de noir d'os et de cendres d'os dans l'eau. Il doit y avoir une certaine épaisseur de matière sur les surfaces du moule pour empêcher les billettes de coller. De plus, les autres conditions étant les marnes, si l'enduit est trop mince, la vitesse de refroidissement et de solidification est trop rapide pour permettre l'échappement de gaz produits pendant la solidification, et les billettes résultantes sont poreuses.
On a trouvé que le poids spécifique de l'enduit de môme doit être maintenu entre 12 et 22 Beaumé, de préférence de 15 à 20 Bé, pour avoir la quantité convenable de matière en suspension pour produire une couche de l'épaisseur voulue. En dessous de ces limites, on trouve fréquemment des trous de gaz près de la surface de la pièce coulée; au-dessus de ces limites, l'enduit tend à devenir rugueux et inégal, ce qui a pour résultat que la surface de la pièce coulée n'est pas lisse. L'eau de l'enduit de moule est complètement évaporée par exemple au moyen de chaleur résiduelle du moule, avant que du métal soit coulé dans le moule.
La température initiale des moules est maintenue entre 90 et 115 , de préférence entre 105 et 1100 C, au moyen d'un fluide de refroidissement qui est mis en circulation suffisamment rapidement pour maintenir les moules dans ces limites de température pendant la coulée. La conductibilité thermique de la matière de revêtement du moule a une importance considérable. Des moules de cuivre ont donné de bons résultats pour conter du cuivre de rosette, mais lorsqu'on les a essayés pour du cuivre exempt d'oxygène, ils m'ont pas été trouvés sa-
<Desc/Clms Page number 6>
tisfaisants.
On a trouvé que des moules à revêtement d'acier sont satisfaisants. il semble que les moules de cuivre extraient la chaleur des surfaces extérieures de la billette tellement rapidement que les portions intérieures n'avaient pas le temps d'expulser les gaz et de devenir convenablement traitées. En tous cas, les pièces coulées faites avec des moules de cuivre étaient poreuses et non satisfaisantes, tandis que de bonnes pièces coulées ont été faites avec des moules d'acier.
Le métal est de préférence coulé dans des moules profonds verticaux, vu que le métal dans ceux-ci a moins de surface exposée à 'protéger et que la forme favorise la solidification graduelle du métal depuisle fond vers le haut de sorte que les gaz et autres impuretés peuvent 'être expulsés lorsque le métal se solidifie. Le métal doit tomber convenablement dans ces moules car s'il frappe les cotés, il provoque habituellement des craquelures et des "prises à froid" dans les pièces coulées. Il va de soi que le trou de coulée doit être aligné verticalement et convenablement centré au-dessus des moules pour la coulée convenable, mais on a trouvé que lalongueur du trou affecte fortement la cohésion du courant de coulée.
Si l'on suppose une hauteur de charge de 1 à 3 pouces de cuivre audessus du trou et la dimension de trou préféréede 3/8" de diamètre, la longueur du trou de coulée est de préférence de 2 à 4 pouces. Si des trous plus longs que 4 pouces sont employés, le métal tend à faire prise dans ceux-ci, s'ils sont plus courts que 2 pouces, lemétal tend à tourbillonner et à frapper les eûtes du moule.
Un appareil suivant la présente inventinn et convenant pour sa mise en pratique est représenté aux dessins annexés dans lesquels :
La fig. 1 est une coupe verticale schématique d'une installation pour traiter et couler du cuivre.
La fig. 2 est une vue en plan correspondante.
La fig. 3 est une coupe à plus grande échelle du
<Desc/Clms Page number 7>
mécanisme pour couler le métal.
La fig. 4 est une coupe analogue d'un appareil pour couler simultanément le métal dans plusieurs moules.
La fig. 5 est une coupe horizontale par la ligne 5-5 de la fige 4. un bain de métal fondu M est maintenu dans un récipient de coulée 10. Pour plus de. simplicité, on supposera que le métal est du cuivre. il peut être obtenu par le chargement de métal solide, par exemple des cathodes de cuivre, dans le récipient si des moyens sont prévus po-ur chauffer le métal. Le moyen de chauffage est représenté sous la forme d'éléments de chauffage électriques à induction 11, disposés de chaque c8té du récipient. D'autres types de fours électriques peuvent évidemment être employés. La chaleur électrique est avantageuse et préférée vu qu'elle ne contamine le métal en aucune manière.
Si on le désife le métal peut être chargé à l'état fondu dans le récipient de coulée, le métal étant obtenu au moyen d'un four électrique ou d'un four à combustible si des précautions convenables sont prises pour débarrasser le métal ou le maintenir exempt d'impuretés autres que l'oxygène. Par exemple le méal reçu peut 'être à l'état oxyde vu que le traitement est destiné à enlever les oxydes ; mais il ne doit pas contenir des quantités nuisibles d'autres impuretés parce que le traitement n'est pas destiné à enlever celles-ci.
Le métal dans le récipient de coulée est complètement mis à l'abri de l'air. Si le métal est exempt d'oxygène ,.:il peut être protégé par un milieu inerte ou par un milieu qui est désoxydant de nature, de préférence ce dernier milieu vu que cela assure l'enlèvement de l'oxygène s'il a accès par inadvertance. Si le métal contient de l'oxygène au début, seul le milieu désoxydant peut être employé, un enveloppement complet pour le récipient empêche l'accès de l'air mais de préférence
<Desc/Clms Page number 8>
l'enveloppement contient un agent inerte ou désoxydant. Dans celui-ci une couverture profonde (environ 12 pouces) d'un car- bone C de qualité pure est maintenue sur le métal.
Ceci seul empêche l'accès de l'air au métal parce que tout air qui pénè- tre à la surface supérieure du carbone est transformé en oxyde de carbone inoffensif avant qu'il atteigne le métal. Même lors- que le carbone est employé, l'enveloppement complet est avan- tageux parce qu'il empêche la consommation trop rapide de car- bone et contribue à enfermer le gaz à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le gaz peut être produitcdans le récipient ou être introduit de l'extérieur.
Le métal est coulé du récipient de coulée de façon à attein- dre finalement un dispositif de solidification, ici un moule 12, dans l'état désiré de grande pureté. il est séparé @ de la couv ertur e de carbone par la coulée par en-dessous de celle-ci, le carbone étant retenu par un écumeur 13 ou un autre moyen Le métal doit être coulé à une température très uniforme. approprié./Ceci est obtenu au moyen d'un pyromètre 14 immerge dans le métal près du peint de coulée et par un mécanismes ap- proprié 15 associé à celui-ci pour régler la chaleur apportée au récipient.
La méthode préférée pour protéger le métal depuis le ré- cipient de coulée jusqu'au dispositif réceptear consiste à l' en- fermer dans un enveloppement ou une hotte 16 dans lequel est également enfermé un gaz non oxydant à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le gaz préféré est un gaz qui est réarment désoxydant et qui brûle à l'air avec une flamme visi- ble. Ceci fournit une plus grande certitude que la protection désirée est obtenue.
Le gaz peut être fourni à la hotte par un tuyau en venant d'un gazogène ou générateur de gaz 17. Le gaz est fourni en excès de telle façon que lomqu'un des moules de la série de moules 12 est arrêté' en-dessous de la hotte et relié à celle- ci, le gaz venant de la hotte peut s'écouler à travers le
<Desc/Clms Page number 9>
moule lorsque l'enveloppement 19 est ouvert et brûler au fond, ce qui indique que le moule a été débarrassé de tout air.
Les moules sont refroidis par un fluide approprié fourni par des tuyaux 20 portés par la roue 21 sur laquelle les moules sont montés. Les revêtements des moules sont, comme on l'a. fait remarquer ci-dessus, faits de préférence en acier lorsqu'on doit couler du cuivre exempt d'oxygène.
Le métal venant du four de coulée est de préférence maintenu dans un filtre 22 au-dessus des moules pour l'élimination des gaz et pour diriger le métal dans les moules. Une hauteur de charge de 1 à 3 pouces de métal est maintenue dans le filtre et le métal s'écoule à travers un trou 23 dans le fond du filtre. Dans certains cas, spécialement lorsqu'on coule dans plusieurs moules simultanément, comme le montrent les fig.
4 et 5, un entonnoir 24 est placé justeau-dessus du filtre avec son ouverture de fond 25 à éga.le distance des trous du filtre et située à environ 1 pouce au-dessus du fond du filtre. Ceci procure une autre masse de métal pour l'élimination des gaz du métal et sert à rendre calme l'écoulement du métal vers les trous du filtre, de sorte que l'écoulement du métal vers les moules est tendu régulier ou uniforme.
Si c'est nécessaire ou désiré, le métal dans le filtre ou au goulot est chauffé pour l'empêcher de se solidifier, par exemple par des appareils de chauffage à résistance électrique 26,27.
Après qu'un moule rempli quitte la région de la hotte, le métal dans le moule,s'il n'est pas encore solidifié, est protégé positivement du contact. de l'air. Ceci peut 'être fait avantageusement par recouvrement du métal au moyen de carbone finement divisé ou d'une autre substance appropriée.
Avant que le métal soit coulé dans les moules, ceux-ci sont enduits d'une substance appropriée comme on l'a décrit cidessus. @
<Desc/Clms Page number 10>
Les procédés et les dispositifs décrits ci-dessus sont capables de produire des formes métalliques coulées de la meilleure qualité. Au point de vue de l'absence d'oxygène et d'autres impuretés, y compris les résidus solides d'agents désoxydants et de produits de réaction de ceux-ci, les inven- tions du présent brevet, pour ce qui concerne les procédés et les appareils, se sont montrées complètement propres à produire une qualité supérieure de métal. Les pièces coulées faites conformément à ces inventinns se distinguaient également par le degré de perfection mécanique qu'aies atteignaient.
La présente invention comprend des perfectionnements ou des améliorations SIX procédés de travail particulièrement pour ce qui concerne les caractéristiques de réglage, dont l'inter-relation et l'importance relative ont été indiquées dans la description qui précède. Par suite de l'application de la présente invention, la densité des formes coulées a été améliorée, les pailles extérieures et intérieures de toutes natures ont été plus complètement éliminées, et le degré d'uniformité avec lequel ces résultats sont obtenus a atteint le point où une production défectueuse est presque inconnue.
Revendications.
------------------------ 1.- une variante du procédé d'affinage et de coulée de métaux décrit et revendiqué au brevet n 388.310 caractérisée en ce qu'on coule le métal fondu dans le moule à la vitesse de 25 à 160 livres par minute.