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La présente addition est un perfectionnement de l'invention dé- crite dans le brevet principal.
On peut faire ressortir l'utilité et l'importance de l'invention dans le cas de la fusion d'une éponge de titane,quoique le même raison- nement soit applicable à la fusion d'autres métaux dans l'un quelconque des nombreux types de fours, avec les changements évidents nécessaires. Une source de chaleur à haute température est nécessaire pour la fusion d'une éponge de titane en vue de donner du métal massif. Ceci s'obtient facile- ment en faisant passer un arc électrique- entre une électrode;et le métal spongieux. On peut amorcer l'arc de différentes façons. Lorsque l'on con- sidère les procédés de fusion utilisés dans l'industrie des métaux réac- ; tifs (en particulier le titane et le zirconium), on voit que l'on a utili- sé primitivement des électrodes en tungstène.
Toutefois, la matière spon- gieuse à partir de laquelle est fait le lingot contient des matières vola- tiles qui aggravent le problème posé par la souillure de l'électrode par la matière en fusion. Ainsi, alors que l'on peut réduire, sinon suppri- mer, les projections normales se produisant lorsque-des particules viennent frapper la masse fondue, de petites explosions, mais cependant graves se pro- duisant.dans l'arc du fait de matières contenant des produits volatils, abiment fortement l'électrode, en souillant ainsi la masse fondue.
On ne pouvait résoudre ce problème tout en conservant l'électro- de en tungstène. Par suite, on a utilisé des électrodes en carbone. La souillure de la masse fondue était un problème moins important, simplement du fait que le carbone est plus tolérable que le tungstène, Pour résou- dre le problème de la souillure des lingots par l'électrode, la plupart des fondeurs en sont venu au procédé de l'électrode consommable dans le- quel l'électrode est faite de la matière à fondre. Quoique ce procédà pré- sente des avantages évidents, il est mécaniquement beaucoup plus complexe que le procédé antérieur à électrode non consommable et il est plus coû- teux.
Selon la présente invention, dans un four électrique à arc com- prenant une chambre entourant un creuset servant à contenir la matière à fondre, et un dispositif électrique destiné à produire une décharge électri- que entre l'électrode et la matière, l'électrode consiste en au moins un chalumeau à arc servant à produire un faisceau stable de gaz sensiblement ionisé, dirigé vers la matière à fondre.
Des moyens servant à éliminer la souillure de la matière fondue sont une condition préalable permettant l'utilisation de l'électrode non consommable dans ces procédés. Le système de chalumeau à arc selon la pré- sente invention constitue lesdits moyens. L'électrode en tungstène est protégée contre les projections de tous les côtés et par dessus. Un cou- rant de gaz à grande vitesse, passant sur l'électrode, en provenance de l'ouverture de la tuyère située sous l'électrode, empêche l'entrée dans la tuyère des projections et des fumées. On obtient une bonne protection en résolvant ainsi le problème de la souillure et la suppression des raisons qui motivaient le rejet des électrodes en tungstène.
Le procédé antérieur de fusion à électrode non consommable était encore sérieusement limité, comme dans le cas de l'électrode consommable.
Les projections rendent l'arc instable, ce qui, au pire, rend impossible le maintien de l'arc. Même au mieux, l'arc est instable de manière carac- téristique et sa position n'est pas réglée avec la précision nécessaire pour faire fondre uniformément un lingot sur les parois du creuset. Le chalumeau selon l'invention permet d'obtenir ce réglage nécessaire, en augmentant ainsi l'efficacité du procédé de fusion du fait que la chaleur est toujours dirigée de façon sûre là où elle est nécessaire.) De même,
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le problème de la formation de l'arc sur le creuset et de la percée de ce- lui-ci, se rencontrant couramment antérieurement, est virtuellement suppri- mé par ce réglage de la direction de l'arc que procure la présente invention.
Une autre limitation du procédé antérieur à électrode non consom- mable est la fabrication d'alliages uniformes. Le courant de gaz à haute vitesse entourant l'arc selon l'invention, en plus de ce qu'il empêche la souillure de l'électrode et qu'il donne à l'arc une direction rigide et stable, assure également une action d'agitation réglable de la masse fondue, en donnant ainsi un maximum d'homogénéité à l'alliage.
Selon l'invention, une tuyère coaxiale est disposée autour et en avant de l'électrode à chalumeau. Un arc d'amorçage est maintenu entre cette électrode et la tuyère qui l'entoure, de manière à allumer ainsi un arc principal entre l'électrode et le métal travaillé lorsque ceux-ci sont reliés à une source de courant convenant pour l'arc. Cette façon de faire présente l'avantage de la simplicité de fonctionnement, empêche de souil- ler le métal fondu par suite de l'érosion de l'électrode, et assure la sta- bilité de l'arc. On peut utiliser un gaz inerte, tel que l'argon, pour em- pêcher l'oxydation du métal chaud.
Lorsqu'on applique l'invention pour faire fondre des métaux réac- tifs, tels que l'éponge de titane, l'électrode est montée assez près de la surface du métal solideo Le métal à fondre est contenu dans un creuset (anode) qui est de préférence en cuivre refroidi par de l'eau. Ce creuset n'est pas attaqué par le titane fondu fortement réactif du fait de l'action de refroidissement de ses parois relativement froideso Afin de protéger le métal fondu, le creuset et le chalumeau sont enfermés et maintenus dans l'atmosphère inerte par ce chalumeau.
On peut se faire une idée de la présente invention en considérant le système de chalumeau, avec électrode interne, tuyère et sortie de gaz chaud ou flamme de l'arc, comme une électrode virtuelle conductrice du cou- rant, possédant les avantages des électrodes en carbone sans leurs nom- breux inconvénients. Dans cette analogie, le système de chalumeau peut être comparé au dispositif de serrage d'une électrode en carbone, faisant arriver du courant au milieu conducteur et établissant sa direction. La flamme conductrice de l'arc entouré de gaz (pseudo-électrode) possède une rigidité et une possibilité de direction comparable à celle de l'électrode au carbone, bien qu'infiniment moins fragile et non sujette à rupture.
La résistance du gaz arrivant dans l'arc est du même ordre que celle de l'électrode en carbone, mais évidemment la pseudo-électrode a une plus grande capacité de passage du courant puisqu'elle ne peut pas être surchar- gée.
Toutefois, en plus, la force exercée sur le gaz à l'endroit de la tuyère devient, dans une première approximation, la force exercée par le gaz sur la masse fondue. Par exemple, le moment appliqué sur le courant de gaz à la sortie de la tuyère peut être réglé de manière à abaisser une partie de la surface de la masse fondue, en agitant ainsi cette masse et en homogénéisant la composition de la matière.
Ainsi, par exemple, dans le cas d'une seule électrode à courant continu, les avantages de stabilité et de réglage de l'arc et de l'agitation de la masse, assurés par la pré- sente invention, ne pourraient se retrouver avec l'électrode en carbone que si celle-ci pouvait être plongée dans la masse fondue, ce qui n'est pas à souhaitero
Sur les dessins annexés
La figure 1 est une vue partielle, en coupe verticale, d'un ap- pareil antérieur.
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La figure 2 est une vue analogue d'un four double à chalumeau à tare selon l'invention.
La figure 3 est une vue analogue d'une variante en triphasé.
La figure 4 est une vue analogue d'une variante avec deux pseudo- électrodes convergentes.
Les figures 5 et 6 sont des coupes de variantes du chalumeau à arc.
La figure 7 est une vue, pour la plus grande partie en coupe, d'un four selon l'invention, servant à fondre un métal réactif, par exemple une de titane.
La figure 1 représente un ancien type de four 10 dans lequel des électrodes 12 en carbone, montées au-dessus de la masse fondue 14 de maniè- re à produire des arcs 16, sont excitées par un transformateur triphasé 18 au moyen de fils 20, 22 et 24 reliés aux électrodes et à la masse fondue,res- pectivement. En ce'--cas,non seulement les. arcs 16 vont-et vienhent, mais encore ils nont ni direction définies et les électrodes et la masse fondue peuvent être souillées. On a représenté un montage Scott, mais on pour- rait avoir tout autre montage.
La figure 2 représente schématiquement un système à plusieurs électrodes, avec un chalumeau 26 et un effluent 28 selon l'invention, rem- plaçant directement les électrodes en carbone 12. On n'a pas représenté le dispositif d'avance automatique de l'électrode servant à maintenir les carbones consommables à la hauteur voulue au-dessus de la masse fondue, car il n'en est pas besoin avec le chalumeau à arc.
La figure 3 représente encore un autre exemple d'un système d'.é- lectrodes multiple comportant des chalumeaux à arc 26 et des pseudo-électro- des 28 selon l'invention. On a représenté une source 30 de courant triphasé en étoile.
Sur la figure 4, les chalumeaux 26 sont dirigés de telle sorte que les colonnes 28 constituées par l'arc et le gaz effluent se rencontrent juste au-dessus du métal 14. On a représenté un montage en série à cou- rant continu dans lequel le métal n'est pas en circuit. Il est évident que l'on peut faire fondre de cette manière une matière non conductrice. Tou- tefois, beaucoup de matières "non conductrices" le deviennent à températu- re élevéeo On obtient un meilleur chauffage si l'on utilise cette propriété en dirigeant autrement les effluents après que la matière non conductrice l'est devenue lorsqu'elle a été suffisamment chauffée ; il se forme'alors deux séries d'arcs (1) négatif à masse fondue, (2) masse fondue à positif.
La figure 5 représente une variante intéressante de l'invention, suivant laquelle on utilise deux gaz ou plus. Un gaz tel que l'azote ou l'argon sert à protéger l'électrode 32 contre les détériorations et un autre gaz plus réactif (ou peut-être meilleur marché) descend dans la colonne 34 de l'arc. Un exemple d'application de cette disposition est la fabrication de l'acier par un procédé à l'oxygène, par exemple le procédé Linz-Donawitz.
L'inconvénient principal de ce procédé est la faible quantité de ferraille par rapport au métal chaud que 1 on peut utilisero De la chaleur supplé- mentaire introduite dans le courant d'oxygène par la présente invention augmen- te les limites possibles d'utilisation de ferraille.
Dans encore une autre variante intéressante, le chalumeau selon l'invention fournit un trajet conducteur gazeux (ayant en commun avec les conducteurs solides la direction, la longueur et la rigidité) par lequel du courant venant d'une autre électrode (ou de plusieurs) peut passer sui- vant un arc et aller ainsi à la matière. La figure 6 représente, par exemple,
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un chalumeau à arc selon l'invention, entouré concentriquement d'une électro- de en charbon consommable et creuse 36,'à avance automatique de manière à rester en position par rapport au chalumeau central. On peut utiliser un chalumeau à arc central, relativement petit, par exemple de 500 à 1000 am- pères, avec des milliers ou des dizaines de milliers d'ampères passant de l'effluent conducteur externe 38 au chalumeau central.
Dans les exemples ci-dessus, il est entendu que l'on peut utili- ser si besoin est, le principe de l'arc d'amorçage décrit dans le brevet principal.
Sur la figure 7, on voit un creuset 40 refroidi par de l'eau, mon- té sur un élévateur approprié 42, dans un boîtier 44 refroidi par de l'eau et formant chambre fermée 46 pour le creuset. Un chalumeau à arc 48 est- monté par un joint à rotule 50 dans le couvercle 51 du boîtier 44, au-des- sus de l'intérieur de la masse fondue 52 contenue dans le creuset 40. Il convient de monter le système de chalumeau à arc de façon mobile afin de pouvoir diriger la flamme de l'arc vers n'importe quel point de la surface du métal où autre matière se trouvant dans le creuset.
Le chalumeau à arc comporte une tuyère métallique 54 munie d'un passage annulaire 56 par lequel on peut faire circuler de l'eau pour main- tenir froide la paroi intérieure d'un passage central 57 de cette tuyère, stabilisant la paroi de l'arc. Une électrode en tungstène 60 est montée au-dessus de ce passage, dans l'axe de celui-cio La tuyère est isolée du corps 138 du chalumeau par une bague 62 en une matière isolante. L'électro- de 60 est reliée électriquement au négatif d'une source de courant continu approprié, par exemple une source de courant de soudure, dont le positif est relié au creuset et, par une résistance 64, à la tuyère. On peut faire arriver un gaz inerte sous pression, tel que de l'argon, au chalumeau, par un tuyau 66, de telle sorte que ce gaz s'écoule sous pression par le passa- ge prévu pour l'arc dans la tuyère.
On peut faire arriver dans le creu- set, par un tuyau 68, du métal granulaire (spongieux).
En fonctionnement, il s'établit d'abord un arc d'amorçage entre l'extrémité inférieure de l'électrode 60 et la tuyère 54. Il s'établit ensuite un arc principal entre cette électrode et la masse fondue 52, pour donner la pseudo-électrode 70 selon l'invention.
Le problème principal qui se pose dans la fusion par arc de mé- taux réactifs tels que le titane, en utilisant une électrode non consomma- ble, est la souillure causée par des projections de métal sur l'électrode.
La tuyère du chalumeau à arc, avec la grande vitesse du gaz effluent, em- pêche cette souillure. Ces avantages s'appliquent à la fusion de n'importe quel métal, qu'il soit réactif ou non.
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The present addition is an improvement of the invention described in the main patent.
The utility and importance of the invention may be emphasized in the case of melting a titanium sponge, although the same reasoning is applicable to the melting of other metals in any of the many types of ovens, with the obvious changes needed. A high temperature heat source is required for melting a titanium sponge into solid metal. This is easily achieved by passing an electric arc between an electrode and the spongy metal. You can strike the arc in different ways. When considering the smelting processes used in the metal reactors industry; tifs (in particular titanium and zirconium), it can be seen that tungsten electrodes were originally used.
However, the sponge material from which the ingot is made contains volatile material which aggravates the problem of soiling the electrode by the molten material. Thus, while the normal projections which occur when particles strike the melt can be reduced, if not suppressed, small but nevertheless severe explosions occur in the arc due to containing volatile products, strongly damage the electrode, thus contaminating the melt.
This problem could not be solved while retaining the tungsten electrode. As a result, carbon electrodes were used. The soiling of the melt was a less important problem, simply because carbon is more tolerable than tungsten. To solve the problem of the soiling of the ingots by the electrode, most smelters came to the process. of the consumable electrode in which the electrode is made of the material to be melted. Although this process has obvious advantages, it is mechanically much more complex than the previous non-consumable electrode process and it is more expensive.
According to the present invention, in an electric arc furnace comprising a chamber surrounding a crucible serving to contain the material to be melted, and an electrical device for producing an electric discharge between the electrode and the material, the electrode consists of at least one arc torch used to produce a stable beam of substantially ionized gas, directed towards the material to be melted.
Means for removing soiling from the melt is a prerequisite for the use of the non-consumable electrode in these processes. The arc torch system according to the present invention constitutes said means. The tungsten electrode is protected against projections from all sides and from above. A high-speed gas current, passing over the electrode, coming from the opening of the nozzle located under the electrode, prevents the entry into the nozzle of projections and fumes. Good protection is obtained by thus solving the problem of soiling and removing the reasons which motivated the rejection of the tungsten electrodes.
The earlier method of non-consumable electrode melting was still seriously limited, as in the case of the consumable electrode.
The projections make the arc unstable, which, at worst, makes it impossible to maintain the arc. Even at best, the arc is characteristically unstable and its position not adjusted with the precision necessary to evenly melt an ingot on the walls of the crucible. The torch according to the invention makes it possible to obtain this necessary adjustment, thus increasing the efficiency of the melting process since the heat is always safely directed where it is needed.) Likewise,
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the problem of arcing and breaking through the crucible, commonly encountered previously, is virtually eliminated by this adjustment of the direction of the arc afforded by the present invention.
Another limitation of the prior non-consumable electrode process is the manufacture of uniform alloys. The high velocity gas stream surrounding the arc according to the invention, in addition to preventing contamination of the electrode and giving the arc a rigid and stable direction, also ensures a drip action. adjustable stirring of the molten mass, thus giving maximum homogeneity to the alloy.
According to the invention, a coaxial nozzle is arranged around and in front of the torch electrode. An ignition arc is maintained between this electrode and the nozzle which surrounds it, so as to ignite a main arc between the electrode and the metal worked when these are connected to a current source suitable for the arc. . This method has the advantage of simplicity of operation, prevents contamination of the molten metal due to erosion of the electrode, and ensures the stability of the arc. An inert gas, such as argon, can be used to prevent oxidation of the hot metal.
When the invention is applied to melt reactive metals, such as titanium sponge, the electrode is mounted close enough to the surface of the solid metal. The metal to be melted is contained in a crucible (anode) which is preferably water cooled copper. This crucible is not attacked by the highly reactive molten titanium due to the cooling action of its relatively cold walls o In order to protect the molten metal, the crucible and the torch are enclosed and maintained in the inert atmosphere by this torch .
An idea of the present invention can be obtained by considering the torch system, with internal electrode, nozzle and outlet of hot gas or arc flame, as a virtual current conductive electrode, having the advantages of electrodes in. carbon without their many drawbacks. In this analogy, the torch system can be compared to the clamping device of a carbon electrode, causing current to flow to the conductive medium and establishing its direction. The conductive flame of the arc surrounded by gas (pseudo-electrode) has a rigidity and a possibility of direction comparable to that of the carbon electrode, although it is infinitely less fragile and not subject to rupture.
The resistance of the gas entering the arc is of the same order as that of the carbon electrode, but obviously the pseudo-electrode has a greater current flow capacity since it cannot be overloaded.
However, in addition, the force exerted on the gas at the location of the nozzle becomes, in a first approximation, the force exerted by the gas on the melt. For example, the moment applied to the gas stream at the outlet of the nozzle can be adjusted so as to lower part of the surface area of the melt, thereby agitating this mass and homogenizing the composition of the material.
Thus, for example, in the case of a single direct current electrode, the advantages of stability and control of the arc and of the agitation of the mass, ensured by the present invention, could not be found with the carbon electrode only if it could be immersed in the molten mass, which is not to be desired.
On the accompanying drawings
FIG. 1 is a partial view, in vertical section, of a prior apparatus.
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FIG. 2 is a similar view of a double tare torch furnace according to the invention.
FIG. 3 is a similar view of a three-phase variant.
FIG. 4 is a similar view of a variant with two converging pseudo-electrodes.
Figures 5 and 6 are cross sections of variants of the arc torch.
Figure 7 is a view, mostly in section, of a furnace according to the invention, serving to melt a reactive metal, for example one of titanium.
Figure 1 shows an old type of furnace 10 in which carbon electrodes 12 mounted above the melt 14 so as to produce arcs 16 are energized by a three-phase transformer 18 by means of wires 20, 22 and 24 connected to the electrodes and to the melt, respectively. In this' - case, not only the. 16 come and go arcs, but still they have no definite direction and the electrodes and the melt can be soiled. We have shown a Scott assembly, but we could have any other assembly.
FIG. 2 schematically represents a system with several electrodes, with a torch 26 and an effluent 28 according to the invention, directly replacing the carbon electrodes 12. The device for the automatic advance of the electrode has not been shown. used to maintain consumable carbons at the desired height above the melt, as they are not needed with the arc torch.
Figure 3 shows yet another example of a multiple electrode system comprising arc torches 26 and pseudo-electrodes 28 according to the invention. A three-phase star current source 30 has been shown.
In FIG. 4, the torches 26 are directed so that the columns 28 formed by the arc and the effluent gas meet just above the metal 14. There is shown a direct current series connection in which the metal is not on. Obviously, a non-conductive material can be melted in this way. However, many "non-conductive" materials become so at high temperatures. Better heating is obtained if this property is utilized by otherwise directing the effluent after the non-conductive material becomes so when it has been used. sufficiently heated; two series of arcs are then formed (1) negative to melt, (2) melt to positive.
FIG. 5 represents an interesting variant of the invention, according to which two or more gases are used. A gas such as nitrogen or argon serves to protect electrode 32 from damage and another more reactive (or perhaps cheaper) gas flows down column 34 of the arc. An example of application of this arrangement is the manufacture of steel by an oxygen process, for example the Linz-Donawitz process.
The main disadvantage of this process is the small amount of scrap relative to the hot metal that can be used. The additional heat introduced into the oxygen stream by the present invention increases the possible limits of use of the oxygen. scrap.
In yet another interesting variant, the torch according to the invention provides a gaseous conductive path (having in common with the solid conductors the direction, the length and the rigidity) through which the current coming from another electrode (or from several) can pass following an arc and thus go to matter. Figure 6 shows, for example,
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an arc torch according to the invention, surrounded concentrically by a consumable and hollow carbon electrode 36, with automatic advance so as to remain in position relative to the central torch. A relatively small central arc torch, for example 500 to 1000 amps, can be used with thousands or tens of thousands of amps passing from the external conductive effluent 38 to the central torch.
In the above examples, it is understood that one can use, if necessary, the principle of the starting arc described in the main patent.
In FIG. 7 is seen a water cooled crucible 40 mounted on a suitable elevator 42 in a water cooled housing 44 forming a closed chamber 46 for the crucible. An arc torch 48 is mounted by a ball joint 50 in the cover 51 of the housing 44, above the interior of the melt 52 contained in the crucible 40. The torch system should be mounted. arc movably so that the flame of the arc can be directed to any point on the surface of the metal or other material in the crucible.
The arc torch comprises a metal nozzle 54 provided with an annular passage 56 through which water can be circulated to keep the inner wall of a central passage 57 of this nozzle cold, stabilizing the wall of the nozzle. bow. A tungsten electrode 60 is mounted above this passage, in the axis of the latter. The nozzle is isolated from the body 138 of the torch by a ring 62 of an insulating material. Electrode 60 is electrically connected to the negative of a suitable direct current source, for example a solder current source, the positive of which is connected to the crucible and, through a resistor 64, to the nozzle. A pressurized inert gas, such as argon, can be supplied to the torch through a pipe 66 so that this gas flows under pressure through the passage provided for the arc in the nozzle.
Granular (spongy) metal can be brought into the crucible through a pipe 68.
In operation, an initiation arc is first established between the lower end of the electrode 60 and the nozzle 54. A main arc is then established between this electrode and the molten mass 52, to give the pseudo-electrode 70 according to the invention.
The main problem which arises in the arc melting of reactive metals such as titanium, using a non-consumable electrode, is the contamination caused by metal projections on the electrode.
The nozzle of the arc torch, with the high velocity of the effluent gas, prevents this contamination. These advantages apply to the fusion of any metal, whether reactive or not.