Procédé pour chauffer et maintenir à l'état fondu un métal destiné à constituer un revêtement pour des objets en fer ou en alliage de fer, et appareil pour sa mise en aeuvre La présente invention a pour objets un procédé pour chauffer et maintenir à l'état fondu un métal destiné à constituer un revêtement pour des objets en fer ou en alliage de fer, et un appareil pour sa mise en oeuvre. Ce procédé permet, par exemple, de chauffer de manière efficace et économique et de maintenir à l'état fondu de l'aluminium en bonne condition pour le trempage à chaud d'objets en acier ou autres métaux ferreux en vue de leur revêtement par l'aluminium.
L'appareil selon l'invention présente une longue durée de vie, un prix de revient relative ment bon marché et permet, par exemple, le trem page d'objets dans de l'aluminium et d'autres métaux réactifs, plus économiquement que les appareils ana logues connus.
Dans la pulpart des procédés connus de revête ment par trempage à chaud, le bain de métal de revê tement fondu est contenu dans un creuset métallique, ordinairement en acier ou en fer, et le métal dans le creuset est chauffé par combustion d'un combustible au-dessous du creuset. Les gaz de combustion chauds heurtent directement le fond du creuset et la chaleur est transférée au métal fondu par conduction à tra vers la paroi du creuset. Un tel appareil a l'avantage d'être simple et bon marché, et il donne entièrement satisfaction pour le trempage à chaud dans des mé taux à bas points de fusion qui ne sont pas particu lièrement réactifs à la température de revêtement, comme le plomb et l'étain.
De tels appareils ont été utilisés également sur une grande échelle (mais moins économiquement) pour le revêtement des, métaux ferreux avec du zinc (galvanisation), bien que le zinc attaque le fer du creuset et que la durée de vie d'un creuset de galvanisation en fer à chauffage direct soit ainsi relativement courte. Pour revêtir l'acier avec l'aluminium, des creusets de fer à chauffage direct ne conviennent pas, parce que la température de fu sion de l'aluminium est considérablement plus élevée que celle du zinc, et que l'aluminium réagit avec le fer, pour former un composé fer-aluminium, beau coup plus rapidement aux températures nécessaires au revêtement par l'aluminium que le fer ne réagit avec le zinc aux températures de galvanisation ordinaires.
Par suite de la difficulté qu'il y a à utiliser des creusets en fer à chauffage direct pour contenir un bain d'aluminium fondu, le métal fondu pour les opérations d'aluminisation par trempage à chaud est ordinairement contenu dans un creuset en matière réfractaire chauffé par induction. Le creuset réfrac taire est fait d'une matière pratiquement inerte- vis-à- vis de l'aluminium fondu, et le chauffage par induc tion évite d'amener l'aluminium en contact avec des composants métalliques qui pourraient l'attaquer ou le contaminer.
On a trouvé par expérience, cepen dant, que l'emploi du chauffage par induction d'un bain d'aluminium est sujet à de nombreux inconvé nients. Le chauffage par induction, par sa nature même, produit des courants de convection puissants dans le bain métallique, maintenant ce dernier en agitation. On a tenu compte de ce fait pour établir la forme des fours à creusets pour l'aluminisation à chauffage par induction en plaçant les enroulements de chauffage autour de canaux ménagés dans les parois du four ou près de ces parois et à travers lesquels le métal fondu circule depuis la masse prin cipale du bain et vers cette masse.
Une circulation active de l'aluminium fondu est indésirable pour beaucoup de raisons dans l'alumi- nisation à chaud. En premier lieu, il est impossible d'éviter une certaine oxydation, par l'air, du métal fondu dans le creuset, et la circulation rapide du mé tal maintient les oxydes produits en mélange avec le métal de revêtement au lieu de permettre leur écu mage sous forme de scories.
Il en résulte que des fils métalliques, des feuilles ou d'autres objets revêtus par passage à travers de l'aluminium agité présentent un revêtement contaminé par des inclusions solides d'oxyde d'aluminium. En outre, la contamination du bain par le fer est une conséquence inévitable de l'immersion d'objets ferreux à revêtir dans le bain. Le fer dissous de ces objets forme un composé de fer et d'aluminium qui tend à s'isoler en une phase séparée de l'aluminium fondu.
Bien que ce composé soit sensiblement plus lourd que l'aluminium fondu, il est impossible à séparer de l'aluminium par dépôt quand le bain d'aluminium est en circulation rapide sous l'effet du chauffage par induction. Les fours à chauffage par induction, en conséquence, présentent l'inconvénient de conduire à une forte concentration de fer dans le revêtement d'aluminium formé sur les objets passant à travers le bain maintenu en fusion dans de tels fours.
Le procédé selon l'invention permet de chauffer le métal de revêtement dans des conditions telles que le bain reste pratiquement au repos (comme dans un creuset à chauffage direct), et présente l'avantage de maintenir le métal dans un creuset réfractaire ne con tenant aucun composant qui soit attaqué par le métal fondu ou qui tende à contaminer ce dernier.
Le procédé selon l'invention, dans lequel on in troduit ledit métal de revêtement dans un creuset et on le maintient dans ce creuset à une température élevée supérieure à son point de fusion, est caracté risé en ce qu'on utilise un creuset constitué en une matière réfractaire non métallique, et en ce qu'on fournit la chaleur nécessaire au maintien du métal fondu à ladite température uniquement par conduc- tion à travers au moins un élément de chauffage en matière réfractaire non métallique en contact direct avec ledit métal,
de manière à éviter toute contami nation de ce métal par des composants métalliques du four et de l'élément de chauffage et à maintenir le bain de métal fondu suffisamment au repos pour permettre à d'autres produits de contamination, dont la densité diffère de celle du métal fondu, de se sé parer de la masse de métal fondu sous l'influence de la gravité.
L'appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend un creuset cons titué en une matière réfractaire non métallique, au moins un tube de chauffage destiné à être immergé dans le métal fondu et constitué en une matière réfractaire non métallique de bonne conductibilité thermique, ce tube s'étendant dans ledit creuset de manière à être entouré par le métal de revêtement fondu et en contact direct avec lui, et des moyens pour chauffer l'intérieur dudit tube au-dessus du point de fusion du métal de revêtement.
Ce procédé est particulièrement utile pour chauf fer et maintenir à l'état fondu de l'aluminium pour le revêtement par trempage à chaud d'objets en métal ferreux. Il peut être utilisé cependant avec avantage pour d'autres types de revêtements ou de traitements, par exemple pour les opérations de galvanisation ou pour le traitement à hautes températures de fils d'acier dans du plomb fondu.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'appareil pour la mise en aeuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en élévation du premier appareil.
La fig. 2 est une vue en plan correspondant à la fig. 1.
La fig. 3 est une coupe, à plus grande échelle, selon 3-3 de la fig. 2.
La fig. 4 montre, à plus grande échelle, un détail représenté aux fig. 1 à 3.
La fig. 5 est une vue, partiellement en coupe, du second appareil.
La fig. 6 est une vue en plan correspondant à la fig. 5.
La fig. 7 montre, à plus grande échelle, un détail représenté aux fig. 5 et 6. L'appareil représenté aux fig. 1 à 4 comprend un four 10 du type à creuset destiné à contenir un bain d'aluminium fondu. Ce four comprend une coquille d'acier 11 renforcée par des nervures 12 et doublée de plusieurs couches 13, 14 et 15 d'une matière réfractaire et thermiquement isolante. La couche réfractaire 15 interne au moins est faite d'une ma tière pratiquement non affectée par le contact de l'aluminium fondu à des températures comprises entre 650 et 760 C, par exemple du graphite ou un oxyde d'aluminium réfractaire.
La matière réfrac taire forme un creuset dans lequel une masse 16 d'aluminium fondu peut être préparée et maintenue.
Un couvercle 17 surmonte le four et la surface supérieure de la matière réfractaire. Il présente une ouverture centrale au-dessus du creuset central dans lequel est placé le bain d'aluminium, afin de donner accès à ce bain.
La chaleur nécessaire pour maintenir le métal du bain à l'état fondu est fournie au métal uniquement par conduction à travers les parois de deux tubes de chauffage réfractaires 18. Ces tubes de chauffage sont immergés en contact direct avec le métal du bain et s'étendent depuis une région située au-dessus du couvercle 17 et à travers l'ouverture ménagée dans ce dernier, jusqu'au fond du creuset contenant le métal. Les fonds 19 des tubes de chauffage sont fermés et supportés par le fond réfractaire du creu set. Le creuset lui-même présente en plan une forme en T et les tubes de chauffage 18 sont disposés dans les évidements constitués par la barre transversale du T au-delà de la branche centrale.
L'extrémité supérieure de chaque tube réfractaire 18 est montée dans un raccord 20 qui est fixé au couvercle 17 du four par des tiges 21 et poussé vers le bas en direction du couvercle par des ressorts de compression 22. Les tubes de chauffage 18 sont ainsi maintenus immergés dans le métal fondu à l'intérieur du creuset du four en dépit de leur flottabilité, tandis que les ressorts 22 permettent les mouvements dus à l'expansion thermique des tubes.
Un raccord à branches 23 est fixé à l'extrémité supérieure du raccord 20. Un tube de combustion 24, qui peut être composé d'un alliage métallique réfrac taire, s'étend à travers la branche rectiligne du rac cord 23 et à travers le tube de chauffage 18 jusqu'au voisinage du fond 19 de ce dernier. Le tube de com bustion est maintenu centré dans le tube de chauffage par des pièces d'espacement 25 soudées au tube à son extrémité inférieure, et il est maintenu en place à son extrémité supérieure, par exemple par soudure, par un bouchon percé 26 qui est vissé dans l'extré mité supérieure du raccord 23.
Un raccord en T 27 est fixé à l'extrémité supé rieure du tube de combustion 24, au-dessus du rac cord 23. De l'air sous pression provenant d'une source non représentée est envoyé dans-le tube de combustion par un tuyau 28 connecté à la branche latérale du raccord 27, et un tuyau 29 d'entrée de gaz s'étend dans le tube de combustion à travers la branche rectiligne du raccord 27. L'extrémité infé rieure du tuyau 29 se termine par un brûleur 30 où le gaz combustible amené par le tuyau 29 se mélange avec l'air amené par le tuyau 28.
La construction du brûleur 30 est bien visible à la fig. 4. Ce brûleur comprend une coquille métalli que 31 qui est vissée à son extrémité supérieure sur le tuyau de gaz 29. La coquille est conformée de manière à constituer un tube de Venturi interne 32 juste au-dessous de la zone de connexion au tuyau 29. Des ouvertures 33 ménagées à proximité de l'étranglement du Venturi permettent à l'air de s'écouler dans le brûleur à partir de l'espace annu laire entre ce dernier et le tube de combustion 24.
Le mélange d'air et de gaz ainsi formé au-dessous de l'étranglement du Venturi est allumé dans la sec tion inférieure du brûleur, qui est avantageusement doublée d'une matière réfractaire 34 pour protéger la coquille du brûleur et former une sortie pour le gaz.
Les gaz de combustion chauds s'écoulent vers le bas depuis le brûleur dans l'intérieur du tube de combustion 24, au-delà de l'extrémité inférieure de ce dernier, puis vers le haut à travers un espace an nulaire 35 compris entre le tube de chauffage et le tube de combustion. Ainsi, la surface intérieure du tube de chauffage 18 est chauffée à haute tempéra ture et la chaleur s'écoule par conduction à travers la paroi du tube de chauffage dans le bain de métal fondu dans lequel ce tube est immergé. Les gaz de combustion sortent ensuite à travers une branche du raccord 23 et un tuyau d'échappement 36 d'où ils sont dirigés par une hotte 37 dans une cheminée 38 les envoyant dans l'atmosphère.
L'appareil représenté aux fig. 5 à 7 ne diffère de l'appareil précédemment décrit que sur des points de détail relatifs à la construction du four et de l'en semble des tubes de chauffage. Il comprend un four 40 comprenant un creuset destiné à contenir un bain 41 d'aluminium fondu. Ce four, comme celui décrit plus haut, comprend une coquille d'acier 42 dou blée d'une matière réfractaire 43 qui peut être sub divisée en plusieurs couches. La couche interne au moins est faite d'une matière réfractaire inerte vis-à- vis de l'aluminium fondu. Un couvercle 44 couvre les parties marginales de la surface supérieure du four.
L'aluminium fondu constituant le bain 41 est chauffé uniquement par conduction à travers les pa rois d'un élément de chauffage par immersion 45. Ce dernier comprend des tubes 46 de matière réfrac taire qui sont immergés et en contact direct avec le métal du bain. Les tubes 46 sont fixés à une tête de support 47 qui est portée elle-même par des con soles 47' en saillie sur le couvercle 44 au-dessus du creuset. Les tubes 46 sont fermés à leur extrémité inférieure, et sont faits d'une matière réfractaire pré sentant une bonne conductibilité thermique et résis tant à l'attaque de l'aluminium fondu. Chaque tube présente une section ovale ou elliptique et est divisé intérieurement par une paroi longitudinale 48 dispo sée selon le petit axe de la section du tube.
La paroi 48 s'étend de l'extrémité supérieure du tube jusqu'à une faible distance au-dessus du fond et divise le tube intérieurement en une chambre de combustion 49 et une chambre d'échappement 50.
Un tuyau 51 d'entrée d'air s'étend dans la partie extrême supérieure de la chambre de combustion 49. De l'air de combustion provenant d'un ventilateur ou d'une autre source d'air comprimé est envoyé dans ce tuyau à travers la branche latérale d'un raccord en T 52. Un tuyau 53 d'entrée de gaz s'étend à travers la branche rectiligne de ce raccord et à travers le tuyau 51 d'entrée d'air, jusque dans la partie extrême supérieure de la chambre de combustion 49 du tube de chauffage. Un combustible gazeux envoyé par ce tuyau 53 se mélange avec l'air fourni par le tuyau 51, et le mélange combustible résultant est allumé à l'extrémité de décharge du tuyau 53 d'entrée de gaz.
On peut utiliser pour cela des moyens d'allu mage excités électriquement, non représentés, agencés de manière à allumer le mélange initialement et quand la flamme s'est éteinte accidentellement. Les gaz de combustion chauds s'écoulent vers le bas à travers la chambre de combustion 49, passent autour de l'extrémité -inférieure de la paroi 48, et remontent à travers la chambre d'échappement 50, chauffant ainsi la surface intérieure des tubes de chauffage 46. Les gaz de combustion sortent de la chambre d'échappe-' ment à son extrémité supérieure ouverte.
Une hotte de déviation 54 est agencée de manière à protéger les tuyaux d'entrée d'air 51 et de gaz 53 des gaz de combustion sortant encore chauds. On peut utiliser aussi une hotte de rassemblement semblable à celle représentée à la fig. 3, pour diriger ces gaz dans une cheminée d'échappement qui les envoie dans l'atmosphère.
Les deux formes de four décrites plus haut sont représentées, respectivement aux fig. 1 et 5, associées avec des moyens pour appliquer un revêtement d'alu minium à des fils métalliques w. Chaque fil w passe de manière continue sur une poulie de guidage s, descend à travers le bain de métal fondu dans le creu set et passe sur un rouleau r, puis remonte verticale ment pour passer sur une poulie h et, de là, sur une bobine ou tout autre mécanisme d'enroulement.
Le fil est préparé pour recevoir un revêtement d'alumi nium avant de passer sur la poulie s, et le revêtement d'aluminium formé sur le fil par suite de son immer sion dans le bain est refroidi au-dessous du point de solidification au cours de son mouvement vertical vers la poulie h. Le traitement du fil avant, pendant et après le revêtement d'aluminium se fait par tout procédé connu.
Toutes les parties du creuset et des tubes de chauffage qui viennent en contact avec le bain d'alu minium fondu sont faites en matière réfractaire non métallique. La matière réfractaire du creuset est choi sie principalement pour sa capacité de résistance à l'attaque de l'aluminium fondu à la température du bain. Ainsi, elle ne constitue pas une source de con tamination du bain et peut être construite de manière à nécessiter le minimum d'entretien pendant une lon gue période d'usage. Les tubes de chauffage, de même, doivent être faits d'une matière réfractaire insensible à l'attaque de l'aluminium fondu à la tem pérature du bain et présentant en outre une bonne conductibilité thermique.
Diverses matières peuvent convenir, mais la matière réfractaire comprenant du carbure de silicium mélangé avec du nitrure de sili cium donne particulièrement satisfaction. Cette ma tière est complètement inerte vis-à-vis de l'aluminium fondu et n'est pas affectée par l'oxydation atmosphé rique à la température à laquelle elle est exposée. De plus, elle est mécaniquement résistante et conduit très bien la chaleur. Les tubes de chauffage en nitrure de silicium mélangé avec du carbure de silicium con viennent pour les bains d'aluminium fondu. Ils ne constituent pas une source de contamination du bain et ne posent aucun problème sérieux d'entretien et de dépense.
Il est évidemment impossible d'éviter la conta mination du bain d'aluminium fondu par oxydation atmosphérique et par dissolution du fer provenant des fils w ou d'autres articles ferreux à revêtir. L'oxy dation atmosphérique du métal chaud entraîne la formation d'oxyde d'aluminium. Cette matière a une densité inférieure à celle de l'aluminium et tend à flotter à la surface du bain. Comme on l'a vu, le procédé décrit présente l'avantage de laisser le bain lui-même au repos, car le chauffage par conduction à travers les parois des tubes de chauffage réfrac taires immergés ne forme pas de courants de con vection ou d'autres courants violents dans la masse du bain.
Il en résulte que cette oxydation de l'alu minium entraîne simplement la formation d'une mousse d'oxyde qui se rassemble à la surface du métal et peut être facilement maintenue à distance des fils et éliminée par écumage chaque fois qu'une quantité appréciable est accumulée.
Le fer dissous à partir des articles à revêtir tend à former un composé de fer et d'aluminium ayant un point de fusion supérieur à celui du bain d'aluminium lui-même. Le fer tend ainsi à se rassembler en une phase solide dont la densité est quelque peu supé rieure à celle du métal fondu. Ici également, la con dition de repos relatif dans laquelle le bain est main tenu est un avantage d'une importance majeure, car il permet le dépôt de ce composé fer-aluminium sur le fond du creuset, d'où il peut être éliminé de temps en temps. Ainsi, en dépit de l'accumulation conti nuelle de fer dans le bain provenant des articles à traiter, la teneur en fer dans l'aluminium déposé comme revêtement sur les articles n'atteint pas une valeur défavorable.
Le procédé et les appareils décrits sont particu lièrement avantageux pour le revêtement d'articles ferreux avec l'aluminium, car ils permettent d'éviter l'effet corrosif de l'aluminium fondu sur des creusets métalliques et la contamination du bain d'aluminium fondu par le fer et l'oxyde d'aluminium, qui se pro duiraient si le bain était soumis à des forces entraî nant une circulation intense. Ils peuvent être utilisés, par exemple, pour la galvanisation.
Bien qu'un creu set de fusion en fer soit plus résistant au zinc fondu aux températures de galvanisation habituelles qu'à l'aluminium fondu aux températures d'aluminisation, il n'est pas inerte vis-à-vis d'une telle attaque et le remplacement des creusets de fer est un élément important du prix de revient de la galvanisation par trempage à chaud. Ce prix peut être diminué, et des améliorations dans la pureté du revêtement de zinc peuvent être obtenues en maintenant le bain de zinc à l'état fondu par le procédé et avec les appareils décrits.
Ce procédé et ces appareils ont également un vaste champ d'application dans le traitement de l'acier à haute température par immersion dans du plomb fondu maintenu à une température très supé rieure à son point de fusion. A son point de fusion et à une température proche de ce dernier, le plomb n'attaque pas sérieusement l'acier ou le fer et il est ordinairement fondu dans ces creusets d'acier ou de fer. A une température de 8150 C cependant, le plomb exerce une corrosion marquée sur ces creusets. Le coût d'un remplacement fréquent des creusets et la contamination du plomb par suite de l'attaque corrosive du creuset sont des facteurs importants qui limitent l'emploi des hautes températures dans les opérations de revêtement au plomb.
En utilisant le procédé et les appareils décrits pour maintenir un bain de plomb fondu à une température élevée, ces facteurs de dépense peuvent être pratiquement éli minés, rendant le procédé plus intéressant et plus utile.
Method for heating and maintaining in the molten state a metal intended to constitute a coating for articles of iron or iron alloy, and apparatus for its implementation The present invention relates to a method for heating and maintaining at the same. molten state a metal intended to constitute a coating for articles made of iron or an iron alloy, and an apparatus for its implementation. This process makes it possible, for example, to heat efficiently and economically and to keep aluminum in the molten state in good condition for the hot dipping of articles of steel or other ferrous metals with a view to their coating with the metal. 'aluminum.
The apparatus according to the invention has a long service life, a relatively inexpensive cost price and allows, for example, the soaking of objects in aluminum and other reactive metals, more economically than known similar devices.
In many of the known hot dip coating methods, the bath of molten coating metal is contained in a metallic crucible, usually of steel or iron, and the metal in the crucible is heated by combustion of a fuel. below the crucible. The hot combustion gases strike the bottom of the crucible directly and heat is transferred to the molten metal by conduction through the wall of the crucible. Such an apparatus has the advantage of being simple and inexpensive, and it is entirely satisfactory for hot dipping in metals with low melting points which are not particularly reactive at the coating temperature, such as lead. and tin.
Such devices have also been used on a large scale (but less economically) for coating ferrous metals with zinc (galvanizing), although the zinc attacks the iron in the crucible and the life of a crucible of. direct heating galvanization is thus relatively short. For coating steel with aluminum, directly heated iron crucibles are not suitable, because the melting temperature of aluminum is considerably higher than that of zinc, and aluminum reacts with iron. , to form an iron-aluminum compound much faster at temperatures necessary for coating with aluminum than iron reacts with zinc at ordinary galvanizing temperatures.
Due to the difficulty in using directly heated iron crucibles to contain a bath of molten aluminum, the molten metal for hot dip aluminization operations is usually contained in a refractory crucible. heated by induction. The refractory crucible is made of a material substantially inert to molten aluminum, and induction heating prevents contacting the aluminum with metallic components which could attack or destroy it. contaminate.
It has been found by experience, however, that the use of induction heating of an aluminum bath is subject to many drawbacks. Induction heating, by its very nature, produces strong convection currents in the metal bath, keeping the latter in agitation. This fact has been taken into account in establishing the shape of crucible furnaces for induction heating aluminization by placing the heating coils around channels formed in or near the walls of the furnace and through which the molten metal circulates from the main mass of the bath and towards this mass.
Active circulation of molten aluminum is undesirable for many reasons in hot aluminum. In the first place, it is impossible to avoid some oxidation, by air, of the molten metal in the crucible, and the rapid circulation of the metal maintains the oxides produced in admixture with the coating metal instead of allowing their ecu. mage in the form of slag.
As a result, metallic wires, foils or other objects coated by passage through agitated aluminum exhibit a coating contaminated with solid inclusions of aluminum oxide. Furthermore, contamination of the bath with iron is an inevitable consequence of the immersion of ferrous objects to be coated in the bath. The dissolved iron in these objects forms a compound of iron and aluminum which tends to isolate itself as a separate phase from the molten aluminum.
Although this compound is significantly heavier than molten aluminum, it is impossible to separate from the aluminum by deposition when the aluminum bath is in rapid circulation under the effect of induction heating. Induction heating furnaces, therefore, have the disadvantage of leading to a high concentration of iron in the aluminum coating formed on the objects passing through the bath kept molten in such furnaces.
The process according to the invention allows the coating metal to be heated under conditions such that the bath remains practically at rest (as in a crucible with direct heating), and has the advantage of maintaining the metal in a refractory crucible not containing no component which is attacked by the molten metal or which tends to contaminate the latter.
The method according to the invention, in which said coating metal is introduced into a crucible and it is maintained in this crucible at a high temperature above its melting point, is characterized in that a crucible consisting of a non-metallic refractory material, and in that the heat necessary to maintain the molten metal at said temperature is supplied only by conduction through at least one heating element of non-metallic refractory material in direct contact with said metal,
so as to avoid any contamination of this metal by metallic components of the furnace and the heating element and to keep the molten metal bath sufficiently at rest to allow other contaminants, the density of which differs from that of molten metal, to separate itself from the mass of molten metal under the influence of gravity.
The apparatus for carrying out this method is characterized in that it comprises a crucible made of a non-metallic refractory material, at least one heating tube intended to be immersed in the molten metal and made of a refractory material. non-metallic of good thermal conductivity, this tube extending into said crucible so as to be surrounded by the molten coating metal and in direct contact with it, and means for heating the interior of said tube above the melting point coating metal.
This process is particularly useful for heating and maintaining aluminum in the molten state for hot dip coating of ferrous metal objects. However, it can be used with advantage for other types of coatings or treatments, for example for galvanizing operations or for the high temperature treatment of steel wires in molten lead.
The accompanying drawing shows, by way of example, two embodiments of the apparatus for carrying out the method according to the invention.
Fig. 1 is an elevational view of the first device.
Fig. 2 is a plan view corresponding to FIG. 1.
Fig. 3 is a section, on a larger scale, along 3-3 of FIG. 2.
Fig. 4 shows, on a larger scale, a detail shown in FIGS. 1 to 3.
Fig. 5 is a view, partially in section, of the second apparatus.
Fig. 6 is a plan view corresponding to FIG. 5.
Fig. 7 shows, on a larger scale, a detail shown in FIGS. 5 and 6. The apparatus shown in FIGS. 1 to 4 comprises a crucible type furnace 10 for containing a bath of molten aluminum. This furnace comprises a steel shell 11 reinforced by ribs 12 and lined with several layers 13, 14 and 15 of a refractory and thermally insulating material. At least the inner refractory layer 15 is made of a material substantially unaffected by contact with molten aluminum at temperatures between 650 and 760 ° C, for example graphite or refractory aluminum oxide.
The refractory material forms a crucible in which a mass of molten aluminum can be prepared and held.
A cover 17 surmounts the furnace and the upper surface of the refractory material. It has a central opening above the central crucible in which the aluminum bath is placed, in order to provide access to this bath.
The heat necessary to maintain the metal of the bath in the molten state is supplied to the metal only by conduction through the walls of two refractory heating tubes 18. These heating tubes are immersed in direct contact with the metal of the bath and are then immersed. extend from a region above the cover 17 and through the opening in the latter, to the bottom of the crucible containing the metal. The bases 19 of the heating tubes are closed and supported by the refractory bottom of the hollow set. The crucible itself has a T-shaped plan in plan and the heating tubes 18 are arranged in the recesses formed by the transverse bar of the T beyond the central branch.
The upper end of each refractory tube 18 is mounted in a fitting 20 which is fixed to the furnace lid 17 by rods 21 and pushed down towards the lid by compression springs 22. The heating tubes 18 are thus. kept submerged in the molten metal inside the crucible of the furnace despite their buoyancy, while the springs 22 allow movements due to thermal expansion of the tubes.
A branch connector 23 is attached to the upper end of connector 20. A combustion tube 24, which may be made of a refractory metal alloy, extends through the straight branch of connector 23 and through the tube. heating tube 18 to the vicinity of the bottom 19 of the latter. The combustion tube is kept centered in the heating tube by spacers 25 welded to the tube at its lower end, and it is held in place at its upper end, for example by welding, by a drilled plug 26 which is screwed into the upper end of the fitting 23.
A T-fitting 27 is attached to the upper end of the combustion tube 24, above the fitting 23. Pressurized air from a source not shown is sent into the combustion tube through a pipe 28 connected to the side branch of fitting 27, and a gas inlet pipe 29 extends into the combustion tube through the straight branch of fitting 27. The lower end of pipe 29 terminates in a burner 30 where the combustible gas supplied by the pipe 29 mixes with the air supplied by the pipe 28.
The construction of the burner 30 is clearly visible in FIG. 4. This burner comprises a metal shell 31 which is screwed at its upper end onto the gas pipe 29. The shell is shaped so as to constitute an internal Venturi tube 32 just below the zone of connection to the pipe 29. Openings 33 formed near the venturi throat allow air to flow into the burner from the annular space between the latter and the combustion tube 24.
The air and gas mixture thus formed below the venturi throat is ignited in the lower section of the burner, which is advantageously lined with a refractory material 34 to protect the shell of the burner and to form an outlet for the gas.
The hot combustion gases flow downwards from the burner into the interior of the combustion tube 24, past the lower end of the latter, then upwards through an annular space 35 between the combustion tube. heating tube and combustion tube. Thus, the inner surface of the heating tube 18 is heated to a high temperature and the heat conductionly flows through the wall of the heating tube into the bath of molten metal in which this tube is immersed. The combustion gases then exit through a branch of the connector 23 and an exhaust pipe 36 from where they are directed by a hood 37 into a chimney 38 sending them to the atmosphere.
The apparatus shown in Figs. 5 to 7 differ from the apparatus described above only on points of detail relating to the construction of the furnace and the assembly of the heating tubes. It comprises a furnace 40 comprising a crucible intended to contain a bath 41 of molten aluminum. This furnace, like that described above, comprises a steel shell 42 lined with a refractory material 43 which can be subdivided into several layers. At least the inner layer is made of a refractory material inert to molten aluminum. A cover 44 covers the marginal portions of the upper surface of the furnace.
The molten aluminum constituting the bath 41 is heated only by conduction through the walls of an immersion heating element 45. The latter comprises tubes 46 of refractory material which are immersed and in direct contact with the metal of the bath. . The tubes 46 are attached to a support head 47 which is itself carried by cones 47 'projecting from the cover 44 above the crucible. The tubes 46 are closed at their lower end, and are made of a refractory material having good thermal conductivity and resistant to attack by molten aluminum. Each tube has an oval or elliptical section and is internally divided by a longitudinal wall 48 arranged along the minor axis of the section of the tube.
Wall 48 extends from the top end of the tube to a short distance above the bottom and divides the tube internally into a combustion chamber 49 and an exhaust chamber 50.
An air inlet pipe 51 extends into the upper end of the combustion chamber 49. Combustion air from a fan or other compressed air source is sent through this pipe. through the side branch of a T-fitting 52. A gas inlet pipe 53 extends through the straight branch of this fitting and through the air inlet pipe 51, to the end portion upper combustion chamber 49 of the heating tube. A gaseous fuel supplied from this pipe 53 mixes with the air supplied from the pipe 51, and the resulting combustible mixture is ignited at the discharge end of the gas inlet pipe 53.
Electrically excited ignition means, not shown, arranged to ignite the mixture initially and when the flame is accidentally extinguished can be used for this. Hot combustion gases flow downward through combustion chamber 49, pass around the lower end of wall 48, and up through exhaust chamber 50, thereby heating the inner surface of the tubes. heater 46. Combustion gases exit the exhaust chamber at its open upper end.
A bypass hood 54 is arranged so as to protect the air inlet 51 and gas 53 pipes from the still hot flue gases leaving. It is also possible to use a collection hood similar to that shown in FIG. 3, to direct these gases into an exhaust stack which sends them into the atmosphere.
The two forms of oven described above are shown, respectively in FIGS. 1 and 5, associated with means for applying an aluminum coating to metallic wires w. Each wire w passes continuously over a guide pulley s, descends through the bath of molten metal in the hollow set and passes over a roller r, then goes up vertically to pass over a pulley h and, from there, on a spool or other winding mechanism.
The wire is prepared to receive an aluminum coating before passing over the pulley, and the aluminum coating formed on the wire as a result of its immersion in the bath is cooled below the solidification point during of its vertical movement towards the pulley h. The treatment of the wire before, during and after the aluminum coating is carried out by any known method.
All parts of the crucible and the heating tubes which come into contact with the molten aluminum bath are made of non-metallic refractory material. The refractory material of the crucible is chosen mainly for its ability to resist attack by molten aluminum at bath temperature. Thus, it does not constitute a source of contamination of the bath and can be constructed in such a way as to require minimum maintenance over a long period of use. The heating tubes, likewise, should be made of a refractory material insensitive to attack from molten aluminum at bath temperature and further exhibiting good thermal conductivity.
Various materials may be suitable, but the refractory material comprising silicon carbide mixed with silicon nitride is particularly satisfactory. This material is completely inert to molten aluminum and is not affected by atmospheric oxidation at the temperature to which it is exposed. In addition, it is mechanically resistant and conducts heat very well. Heating tubes of silicon nitride mixed with silicon carbide suitable for molten aluminum baths. They do not constitute a source of contamination of the bath and do not pose any serious maintenance or expense problem.
It is of course impossible to avoid contamination of the molten aluminum bath by atmospheric oxidation and by dissolution of iron from the wires w or other ferrous articles to be coated. Atmospheric oxidation of the hot metal results in the formation of aluminum oxide. This material has a lower density than aluminum and tends to float on the surface of the bath. As we have seen, the method described has the advantage of leaving the bath itself at rest, since the heating by conduction through the walls of the submerged refractory heating tubes does not form convection or heat currents. other violent currents in the mass of the bath.
As a result, this oxidation of the aluminum simply results in the formation of an oxide foam which collects on the surface of the metal and can be easily kept away from the wires and removed by skimming whenever an appreciable amount. is accumulated.
The iron dissolved from the articles to be coated tends to form a compound of iron and aluminum having a higher melting point than that of the aluminum bath itself. The iron thus tends to collect in a solid phase, the density of which is somewhat higher than that of the molten metal. Here also, the condition of relative rest in which the bath is held by hand is an advantage of major importance, as it allows the deposit of this iron-aluminum compound on the bottom of the crucible, from where it can be removed from from time to time. Thus, despite the continual accumulation of iron in the bath from the articles to be treated, the iron content in the aluminum deposited as a coating on the articles does not reach an unfavorable value.
The method and apparatus described are particularly advantageous for coating ferrous articles with aluminum, since they make it possible to avoid the corrosive effect of molten aluminum on metal crucibles and the contamination of the molten aluminum bath. by iron and aluminum oxide, which would occur if the bath was subjected to forces causing heavy circulation. They can be used, for example, for galvanizing.
Although an iron melting hollow is more resistant to molten zinc at usual galvanizing temperatures than to molten aluminum at aluminizing temperatures, it is not inert to such attack. and replacement of iron crucibles is an important part of the cost of hot dip galvanizing. This cost can be decreased, and improvements in the purity of the zinc coating can be obtained by maintaining the zinc bath in a molten state by the method and with the apparatus described.
This method and these apparatuses also have a wide field of application in the treatment of steel at high temperature by immersion in molten lead maintained at a temperature much above its melting point. At its melting point and at a temperature close to it, lead does not seriously attack steel or iron and is usually melted in these steel or iron crucibles. At a temperature of 8150 C, however, lead exerts marked corrosion on these crucibles. The cost of frequent crucible replacement and lead contamination from corrosive attack on the crucible are important factors limiting the use of high temperatures in lead coating operations.
By using the method and apparatus described for maintaining a bath of molten lead at an elevated temperature, these expense factors can be virtually eliminated, making the method more attractive and useful.