EP0636848A1 - Procédé de fusion d'un matériau électroconducteur dans un four de fusion par induction en creuset froid et four de fusion pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Procédé de fusion d'un matériau électroconducteur dans un four de fusion par induction en creuset froid et four de fusion pour la mise en oeuvre de ce procédé Download PDF

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EP0636848A1
EP0636848A1 EP94401703A EP94401703A EP0636848A1 EP 0636848 A1 EP0636848 A1 EP 0636848A1 EP 94401703 A EP94401703 A EP 94401703A EP 94401703 A EP94401703 A EP 94401703A EP 0636848 A1 EP0636848 A1 EP 0636848A1
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EP
European Patent Office
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electroconductive material
electromagnetic
jet
liquid
mass
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EP94401703A
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Pascal Colpo
Jean Driole
Sylvain Witzke
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TECPHY
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Imphy SA
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    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B14/00—Crucible or pot furnaces
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    • F27B14/061—Induction furnaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
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    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D39/00—Equipment for supplying molten metal in rations
    • B22D39/003—Equipment for supplying molten metal in rations using electromagnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/34—Arrangements for circulation of melts
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2213/00—Aspects relating both to resistive heating and to induction heating, covered by H05B3/00 and H05B6/00
    • H05B2213/02—Stirring of melted material in melting furnaces

Definitions

  • the present invention relates to a method of melting an electroconductive material in a melting furnace by induction in a cold crucible and a melting furnace for the implementation of this method.
  • This process is generally used to carry out a stabilized casting of a molten metal with a variable casting rate for the production of metallic powders by atomization.
  • induction melting furnaces are known in which a crucible intended to receive an electroconductive material is used and which is called a cold crucible because it is constantly cooled.
  • partial or total melting of a mass of the liquid electroconductive material is caused by electromagnetic confinement so as to separate the mass of said liquid electroconductive material from the wall of the crucible.
  • the crucible is composed of several metal sectors electrically isolated from each other and surrounded by a means of heating by electromagnetic induction of the electroconductive material contained in said crucible.
  • the crucible is for example of cylindrical shape comprising a substantially hemispherical bottom or conical provided with a pouring orifice to which is fixed a pouring tube of the mass of the liquid electroconductive material.
  • Induction melting furnaces with a metallic cold crucible are preferred over refractory crucible furnaces which pollute the mass of liquid electroconductive material by contact of said material with the refractory walls of the crucible.
  • the pollution is due to the formation of inclusionary particles of, for example, oxidized compounds.
  • this pollution incorporates into the powders numerous inclusions and it is in particular recognized that the presence of such inclusions in rotating parts of aeronautical engine, for example based on nickel, can be the cause of defects in service performance of these parts subjected to fatigue stresses and in particular lead to premature ruptures of parts subjected to high stresses at high temperature.
  • Such a nozzle has the drawback of being conditioned, in its operation, by the choice of specific dimension parameters, as well as parameters for defining the magnetic field applied such as for example the frequency and intensity of said magnetic field.
  • this nozzle has a large footprint and a low efficiency.
  • This centripetal movement at the upper surface of the molten charge allows the materials not yet perfectly melted floating on the surface of the charge, to be brought to the center and then to be engulfed in this charge, and therefore allows mixing of the mass of molten material without taking account of the inclusions present in said mass fondue.
  • two phenomena are used which are an electromagnetic stirring making it possible to bring within the molten metal mass the inclusions towards the electromagnetic skin area and a capture of the inclusions in the skin area, said inclusions being offset towards the wall of the crucible and the surface of the molten metal mass under the effect of magnetic pressure forces.
  • the object of the invention is to propose a method of melting an electroconductive material in a melting furnace by induction in a cold crucible which makes it possible to ensure dynamic purification by volume of the mass of the liquid electroconductive material before and during casting, by settling of inclusions.
  • At least two superimposed vortices are created in the mass of molten electroconductive material subjected to electromagnetic stirring.
  • the invention also relates to a melting furnace of an electrically conductive material by induction in a cold crucible, for the implementation of the process mentioned above, said melting furnace comprising a crucible intended to contain said electrically conductive material and formed of several metal sectors electrically isolated from each other, means for cooling the metal sectors, means for heating by electromagnetic induction of the electroconductive material arranged around the crucible, a pouring tube of the liquid electroconductive material arranged vertically below the crucible and electromagnetic means for confining the jet of liquid electroconductive material in the pouring tube, said electromagnetic means being arranged around the pouring tube and supplied by a generator, characterized in that it comprises means for centering electromagnetic means for confining the jet of mast riau liquid electroconductive with respect to the vertical axis of the pouring tube and the crucible and means for centering and positioning the crucible sectors with respect to the means of electromagnetic induction heating of the electroconductive material and with respect to the electromagnetic means for confining the jet liquid electroconductive material.
  • Fig. 1 there is shown schematically a melting furnace 10 by induction in a cold crucible intended in particular for the purification of a mass 1 of an electroconductive material before its atomization for the manufacture of powders.
  • the melting furnace 10 comprises a crucible 11 intended to contain the electroconductive material 1 and formed of several metal sectors 12 electrically insulated from each other and each provided with a means of cooling by circulation of water not shown in FIG. 1.
  • the number of metal sectors 12 is by example of new.
  • the crucible 11 is for example of cylindrical shape extending by a substantially hemispherical or conical bottom provided with an orifice 13 for pouring the mass of the electroconductive material 1 liquid.
  • the melting furnace 10 also includes means 14 for electromagnetic induction heating of the electroconductive material 1 arranged around the crucible 10.
  • These means 14 of heating by electromagnetic induction are composed for example of eight turns.
  • the melting furnace 10 also comprises a pouring tube 15 of the liquid electroconductive material 1 arranged vertically below the crucible 11 and in the axis of the pouring orifice 13 and means 16 for confining the jet of liquid electroconductive material 1 in said pouring tube 15.
  • the electromagnetic means 16 for confining the jet of liquid electroconductive material are arranged around the pouring tube 15 and supplied by a generator not shown in the figures.
  • the pouring tube 15 is formed of eight cylinder sectors 15a cooled by a circuit 17 for circulation of a fluid such as for example water.
  • the means 16 for confining the jet of liquid electroconductive material 1 in the pouring tube 15 are formed by an extra-flat electromagnetic coil 16, such as for example a BITTER coil, comprising for example ten turns 16a in the form of copper plates, distributed over a height of 30mm, for a jet of electroconductive material of approximately 12mm in diameter.
  • an extra-flat electromagnetic coil 16 such as for example a BITTER coil, comprising for example ten turns 16a in the form of copper plates, distributed over a height of 30mm, for a jet of electroconductive material of approximately 12mm in diameter.
  • Each of the copper plates is pierced with thirty-six 2.5mm diameter holes connected to a circuit 18 for transverse water circulation for cooling the electromagnetic coil 16.
  • the melting furnace 10 comprises means 20 for centering the electromagnetic coil 16 for confining the jet of liquid electroconductive material relative to the vertical axis of the pouring tube 15 and of the crucible 11 and means 25 for centering and positioning of the sectors 12 of the crucible 11 relative to the means 14 of electromagnetic induction heating of the electroconductive material 1 and relative to the electromagnetic coil 16.
  • the means for centering the electromagnetic coil 16 are formed by an envelope 20 made of an insulating material, for example of PERMAGLAS, inserting the turns 16a of said electromagnetic coil 16.
  • the means for centering and positioning the sectors 12 of the crucible 11 are formed by a shell 25 made of an insulating material, for example of PERMAGLAS, disposed around said sector 12 and inserting the means 14 for electromagnetic induction heating of the electroconductive material 1 and the cooling means sectors 12.
  • This coating makes it possible to maintain the turns of the means 14 for induction heating of the electroconductive material 1 and the crucible 11 which avoids hydrodynamic disturbances in the mass of liquid electroconductive material.
  • the induction furnace 1 comprising the crucible 11 and the pouring tube 15 can be placed in an enclosure under controlled atmosphere and the material flow jet electroconductive is subjected to bursting for shaping the powder.
  • the perfect vertical cylindrical geometry of the casting jet of the electroconductive material is an important, even essential, characteristic of the good quality of the powders obtained by atomization.
  • the mass of electroconductive material 1 constituted by a superalloy steel with a radius of 5 cm is placed in the crucible 11 and the power transmitted by the means 14 of heating by electromagnetic induction and of the order of 50 KW for a current of 1000 A at a frequency of 20KHz.
  • the Applicant has found that the non-conductive particles, contained in the mass of electroconductive material 1 to be treated, were subjected, in an electromagnetic vortex medium, to a series of forces such as drag force, virtual mass, Archimedes thrust , hydrodynamic pressure, force of lorentz which made it possible to deduce the behavior of the inclusions in a particular electromagnetic stirring.
  • the Applicant has determined a configuration that is most favorable for the separation of the non-conductive inclusionary particles contained in the mass of the molten and confined electroconductive material and for their decantation at the surface of this mass.
  • the method according to the invention consists, during electromagnetic stirring, in creating in the mass of the electrically conductive material 1 liquid at least one vortex 30 in which the solid or liquid inclusion particles are entrained in a vortex movement in a spiral and decanted when they reach the surface of this mass of the electrically conductive material 1.
  • This coaxial alignment requires that the electromagnetic coil 16 of the means for confining the jet generates an electromagnetic field in cylindrical symmetry with the vertical axis of the melting furnace 10.
  • a conventional spiral coil with a conductor of circular tubular section cannot be suitable for confining the casting jet, because each of the turns forms a current path which moves in a plane inclined relative to the vertical axis , directly dependent on the pitch of the propeller of the electromagnetic coil.
  • a conventional electromagnetic coil generates a magnetic field creating instabilities of casting the jet.
  • the means for confining the pouring jet of the mass of the electroconductive material are formed by an extra-flat electromagnetic coil 16 of the type described above.
  • the electromagnetic field generated by the electromagnetic coil 16 is determined so that the magnetic pressure jump is maximum, for a given power of the generator supplying said electromagnetic coil 16.
  • Fig. 3 there is shown schematically, the movement of the mass of the liquid electroconductive material 1 which is materialized by the two superimposed vortices 30 whose displacement speed is approximately 0.2 m / s.
  • Figs. 4 and 5 represent two diagrams materializing the displacement of the nonconductive inclusionary particles respectively in the upper vortex and in the lower vortex.
  • the solid inclusionary particles are decanted as soon as they reach the surface of the mass of the liquid electroconductive material 1, without taking into account the mechanism for capturing these particles around the free surfaces or a cold wall, by phenomena interfacial like magnetic pressure.
  • Measuring the settling time makes it possible to control the minimum time for melting the mass of the electroconductive material and for mixing this mass which ensures the purification by settling of the inclusionary particles of given size.
  • the separation time of the inclusion particles is maximum for the particles initially located near the center of the vortex (s) 30 and the settling time is very important for the small inclusion particles.
  • the Applicant has found that the efficiency of the electromagnetic confinement of the casting jet of the mass of the electroconductive material 1 is all the greater the higher the magnetic pressure jump between the axis and the surface of the casting jet. .
  • the pressure jump is a function of the electromagnetic force applied and the depth of penetration of the magnetic field into the casting jet.
  • Fig. 6 shows three curves showing the variation of the value of the pressure jump ⁇ Pm as a function of the ratio of the radius R of the casting jet to the penetration depth ⁇ of the magnetic field, for different electrical resistivities ⁇ of the electroconductive material.
  • the method according to the invention allows, thanks to the electromagnetic confinement of the pouring jet associated with the coaxiality of the magnetic fields of the means for confining the pouring jet, means of induction heating of the mass of the electroconductive material, the crucible and said mass of the electroconductive material to obtain a control of the electromagnetic stirring of this liquid mass, while ensuring the continuous separation of the solid inclusion impurities contained in the electroconductive material while also making it possible to obtain an improved quality of the products.

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Abstract

L'invention a pour objet un procédé de fusion d'un matériau électroconducteur (1) dans un four de fusion (10) par induction en creuset froid, dans lequel on confine électromagnétiquement une masse du matériau électroconducteur (1) jusqu'à sa température de fusion, on décante les particules inclusionnaires contenues dans le matériau électroconducteur (1) liquide en créant dans ledit matériau par brassage électromagnétique, au moins un vortex, on coule une partie de la masse du matériau électroconducteur (1) liquide dans un tube de coulée (15) disposé au-dessous dudit four de fusion (10), on soumet le jet de coulée du matériau électroconducteur (1) liquide à un confinement électromagnétique radial et on assure un alignement coaxial vertical des champs électromagnétiques agissant sur la masse du matériau électroconducteur (1) liquide et sur le jet de coulée de ladite masse.
L'invention a également pour objet un four de fusion par induction en creuset froid pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Description

  • La présente invention a pour objet un procédé de fusion d'un matériau électroconducteur dans un four de fusion par induction en creuset froid et un four de fusion pour la mise en oeuvre de ce procédé.
  • On connaît un procédé de fusion d'un matériau électroconducteur dans un four de fusion par induction en creuset froid, dans lequel on chauffe une masse d'un matériau électroconducteur jusqu'à sa température de fusion, on décante les particules inclusionnaires solides contenues dans le matériau électoconducteur liquide et on coule une partie de la masse dudit matériau électroconducteur liquide par un conduit de coulée disposé au-dessous dudit four de fusion.
  • Ce procédé est généralement utilisé pour réaliser une coulée stabilisée d'un métal fondu avec un débit de coulée variable pour l'élaboration de poudres métalliques par atomisation.
  • A cet effet, on connaît des fours de fusion par induction dans lesquels on utilise un creuset destiné à recevoir un matériau électroconducteur et qui est appelé creuset froid car il est en permanence refroidi.
  • Dans de tels fours, on provoque la fusion partielle ou totale d'une masse du matériau électroconducteur liquide par confinement électromagnétique de façon à écarter de la paroi du creuset la masse dudit matériau électroconducteur liquide.
  • Pour cela, le creuset est composé de plusieurs secteurs métalliques isolés électriquement les uns des autres et entourés d'un moyen de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur contenu dans ledit creuset.
  • Le creuset est par exemple de forme cylindrique comportant un fond sensiblement hémisphérique ou conique muni d'un orifice de coulée sur lequel est fixé un tube de coulée de la masse du matériau électroconducteur liquide.
  • Les fours de fusion par induction à creuset froid métallique sont préférés aux fours à creuset réfractaires qui polluent la masse de matériau électroconducteur liquide par le contact dudit matériau avec les parois réfractaires du creuset.
  • La pollution est due à la formation de particules inclusionnaires de composés par exemple oxydés.
  • Dans des applications particulières, notamment dans l'élaboration de poudres par atomisation de métaux, cette pollution incorpore dans les poudres de nombreuses inclusions et il est notamment reconnu que la présence de telles inclusions dans des pièces tournantes de moteur aéronautique, par exemple à base de nickel, peut être à l'origine de défauts de tenue en service de ces pièces soumises à des sollicitations en fatigue et entraînent notamment des ruptures prématurées des pièces soumises à de fortes contraintes à haute température.
  • Pour éviter ces inconvénients, des solutions, ne donnant par entièrement satisfaction, ont été proposées sur la base de l'utilisation d'une busette électromagnétique formant l'orifice de coulée de la masse du matériau électoconducteur liquide sans que celui-ci soit en contact avec les parois de ladite busette.
  • Dans le domaine de la régulation d'un débit d'écoulement d'un métal liquide à travers un tube de coulée, les brevets FR-A-2 316 026, FR-A-2 396 612 et FR-A-2 397 251 décrivent également des dispositifs électromagnétiques fonctionnant à haute fréquence dans lesquels un écran de cuivre est nécessaire pour obtenir le confinement souhaité.
  • La mise en oeuvre industrielle d'un tel dispositif, tel que sur une installation d'atomisation de poudres de superalliage à base de nickel présente toutefois de sérieuses difficultés.
  • Pour éviter ces difficultés, on connaît dans le brevet FR-A-2 649 625 une busette électromagnétique comprenant un inducteur à spires associé à un dispositif concentreur de champ magnétique disposé entre l'inducteur à spires et les parois de l'orifice de coulée.
  • Une telle busette présente l'inconvénient d'être conditionnée, dans son fonctionnement, par le choix de paramètres spécifiques de dimension, ainsi que des paramètres de définition du champ magnétique appliqué comme par exemple la fréquence et l'intensité dudit champ magnétique.
  • D'autre part, cette busette présente un fort encombrement et un faible rendement.
  • Par ailleurs, on connaît également dans le brevet FR-A-2 665 249 un four à creuset froid associé à une culasse magnétique qui permet de provoquer un resserrement des lignes de champ au niveau de la surface supérieure de la charge en fusion contenue dans le creuset.
  • Ce resserrement des lignes de champ provoque un entraînement centripète de la matière en fusion au niveau de la surface du matériau fondu, ce qui entraîne en conséquence un brassage de la charge en fusion dans un sens inverse au sens naturel de brassage qui se produit en absence d'une telle culasse.
  • Ce mouvement centripète au niveau de la surface supérieure de la charge en fusion permet aux matières non encore parfaitement fondues flottant sur la surface de la charge, d'être amenées au centre et d'être englouties ensuite dans cette charge, et de ce fait permet un brassage de la masse de matériaux fondus sans tenir compte des inclusions présentes dans ladite masse fondue.
  • On connaît également dans le brevet FR-A-2 646 858 un procédé de décantation des inclusions d'une masse métallique fondue, dans lequel on utilise un déplacement des particules inclusionnaires vers la surface, dans l'épaisseur de la peau électromagnétique, puis un piégeage des particules par les parties les plus froides du creuset.
  • Dans ce procédé, on utilise deux phénomènes qui sont un brassage électromagnétique permettant d'amener au sein de la masse de métal fondu les inclusions vers la zone de peau électromagnétique et une capture des inclusions dans la zone de peau, lesdites inclusions étant déportées vers la paroi du creuset et la surface de la masse métallique fondue sous l'effet des forces de pression magnétiques.
  • L'invention a pour but de proposer un procédé de fusion d'un matériau électroconducteur dans un four de fusion par induction en creuset froid qui permet d'assurer une purification dynamique en volume de la masse du matériau électroconducteur liquide avant et pendant la coulée, par décantation des inclusions.
  • L'invention a donc pour objet un procédé de fusion d'un matériau électroconducteur dans un four de fusion par induction en creuset froid, procédé dans lequel :
    • on confine électromagnétiquement dans le four de fusion, une masse du matériau électroconducteur jusqu'à sa température de fusion,
    • on décante les particules inclusionnaires contenues dans le matériau électroconducteur liquide,
    • on coule une partie de la masse du matériau électroconducteur liquide par un tube de coulée disposé au-dessous dudit four de fusion,
    • on soumet le jet de coulée du matériau électroconducteur liquide à un confinement électromagnétique radial,

    caractérisé en ce que :
    • on assure un alignement coaxial vertical du champ électromagnétique agissant sur la masse du matériau électroconducteur liquide et sur le jet de coulée de ladite masse,
    • et on crée dans la masse du matériau électroconducteur liquide par brassage électromagnétique, au moins un vortex dans lequel les particules inclusionnaires sont entraînées dans un mouvement tourbillonnaire et décantées en atteignant la surface de ladite masse du matériau électroconducteur liquide.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, on crée, dans la masse du matériau électroconducteur en fusion soumise au brassage électromagnétique, au moins deux vortex superposés.
  • L'invention a également pour objet un four de fusion d'un matériau électoconducteur par induction en creuset froid, pour la mise en oeuvre du procédé mentionné ci-dessus, ledit four de fusion comprenant un creuset destiné à contenir ledit matériau électroconducteur et formé de plusieurs secteurs métalliques isolés électriquement les uns des autres, des moyens de refroidissement des secteurs métalliques, des moyens de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur disposés autour du creuset, un tube de coulée du matériau électroconducteur liquide disposé verticalement au-dessous du creuset et des moyens électromagnétiques de confinement du jet de matériau électroconducteur liquide dans le tube de coulée, lesdits moyens électromagnétiques étant disposés autour du tube de coulée et alimentés par un générateur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de centrage des moyens électromagnétiques de confinement du jet de matériau électroconducteur liquide par rapport à l'axe vertical du tube de coulée et du creuset et des moyens de centrage et de positionnement des secteurs du creuset par rapport aux moyens de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur et par rapport aux moyens électromagnétiques de confinement du jet de matériau électroconducteur liquide.
  • Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
    • les moyens de centrage des moyens électromagnétiques de confinement du jet sont formés par une enveloppe en matériau isolant électrique et thermique insérant lesdits moyens électromagnétiques de confinement du jet,
    • les moyens de centrage et de positionnement des secteurs du creuset sont formés par une coquille en matériau isolant électrique et thermique disposée autour desdits secteurs et insérant les moyens de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur et les moyens de refroidissement desdits secteurs,
    • les moyens de confinement du jet de matériau électroconducteur liquide sont formés par une bobine électromagnétique extraplate,
    • la bobine électromagnétique comporte dix spires sous forme de plaques de cuivre, reparties sur une hauteur de 30mm, pour un jet de matériau électroconducteur d'environ 12mm de diamètre,
    • le tube de coulée est formé par un cylindre métallique sectorisé à double paroi, refroidi par circulation d'un fluide,
    • le générateur d'alimentation des moyens électromagnétiques délivrent un signal à une fréquence déterminée pour que le rapport entre le rayon de la section du jet de matériau électroconducteur et la profondeur de pénétration du champ électromagnétique soit supérieur à 1,7.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels:
    • la Fig. 1 est une vue schématique en coupe d'un four de fusion par induction en creuset froid selon l'invention,
    • la Fig. 2 est une vue schématique en coupe et à plus grande échelle du tube de coulée disposé au-dessous du four de fusion,
    • la Fig. 3 est une schéma de la masse du matériau électroconducteur confinée électromagnétiquement,
    • les Figs. 4 et 5 sont deux schémas matérialisant le déplacement des particules inclusionnaires dans la masse du matériau électroconducteur,
    • la Fig. 6 est une courbe représentant une variation du saut de pression magnétique entre l'axe du jet de coulée et sa surface en fonction de la fréquence du signal délivré par le générateur d'alimentation des moyens électromagnétiques de confinement du jet de coulée.
  • Sur la Fig. 1, on a représenté schématiquement un four de fusion 10 par induction en creuset froid destiné notamment à la purification d'une masse 1 d'un matériau électroconducteur avant son atomisation pour la fabrication de poudres.
  • Le four de fusion 10 comprend un creuset 11 destiné à contenir le matériau électroconducteur 1 et formé de plusieurs secteurs métalliques 12 isolés électriquement les uns des autres et pourvus chacun d'un moyen de refroidissement par circulation d'eau non représenté sur la Fig. 1.
  • Le nombre de secteurs métalliques 12 est par exemple de neuf.
  • Le creuset 11 est par exemple de forme cylindrique se prolongeant par un fond sensiblement hémisphérique ou conique muni d'un orifice 13 de coulée de la masse du matériau électroconducteur 1 liquide.
  • Le four de fusion 10 comprend également des moyens 14 de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur 1 disposés autour du creuset 10.
  • Ces moyens 14 de chauffage par induction électromagnétique sont composés par exemple de huit spires.
  • Le four de fusion 10 comporte aussi un tube de coulée 15 du matériau électroconducteur 1 liquide disposé verticalement au-dessous du creuset 11 et dans l'axe de l'orifice de coulée 13 et des moyens 16 de confinement du jet de matériau électroconducteur 1 liquide dans ledit tube de coulée 15.
  • Les moyens 16 électromagnétiques de confinement du jet de matériau électroconducteur liquide sont disposés autour du tube de coulée 15 et alimentés par un générateur non représenté sur les figures.
  • Comme représenté sur la Fig. 2, le tube de coulée 15 est formé de huit secteurs de cylindre 15a refroidis par un circuit 17 de circulation d'un fluide comme par exemple de l'eau.
  • Les moyens 16 de confinement du jet de matériau électroconducteur 1 liquide dans le tube de coulée 15 sont formés par une bobine électromagnétique extraplate 16, comme par exemple une bobine de BITTER, comportant par exemple dix spires 16a sous forme de plaques de cuivre, réparties sur une hauteur de 30mm, pour un jet de matériau électroconducteur d'environ 12mm de diamètre.
  • Chacune des plaques de cuivre est percée de trente-six trous de 2,5mm de diamètre reliés à un circuit 18 de circulation d'eau transversale pour le refroidissement de la bobine électromagnétique 16.
  • D'autre part, le four de fusion 10 comporte des moyens 20 de centrage de la bobine électromagnétique 16 de confinement du jet de matériau électroconducteur liquide par rapport à l'axe vertical du tube de coulée 15 et du creuset 11 et des moyens 25 de centrage et de positionnement des secteurs 12 du creuset 11 par rapport aux moyens 14 de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur 1 et par rapport à la bobine électromagnétique 16.
  • Les moyens de centrage de la bobine électromagnétique 16 sont formés par une enveloppe 20 en matériau isolant par exemple de PERMAGLAS insérant les spires 16a de ladite bobine électromagnétique 16.
  • Les moyens de centrage et de positionnement des secteurs 12 du creuset 11 sont formés par une coquille 25 en matériau isolant par exemple de PERMAGLAS disposée autour dudit secteur 12 et insérant les moyens 14 de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur 1 et les moyens de refroidissement des secteurs 12.
  • Cet enrobage permet de maintenir les spires des moyens 14 de chauffage par induction du matériau électroconducteur 1 et le creuset 11 ce qui évite des perturbations hydrodynamiques dans la masse de matériau électroconducteur liquide.
  • Dans le cas d'élaboration par atomisation du matériau électroconducteur sous forme d'une poudre, le four à induction 1 comprenant le creuset 11 et le tube de coulée 15 peut être placé dans une enceinte sous atmosphère contrôlée et le jet d'écoulement du matériau électroconducteur est soumis à éclatement pour la mise en forme de la poudre.
  • La parfaite géométrie cylindrique verticale du jet de coulée du matériau électroconducteur est une caractéristique importante, voire essentielle de la bonne qualité des poudres obtenues par atomisation.
  • Selon un exemple d'application, la masse de matériau électroconducteur 1 constituée par un acier superalliage de 5 cm de rayon est placée dans le creuset 11 et la puissance transmise par les moyens 14 de chauffage par induction électromagnétique et de l'ordre de 50 KW pour un courant de 1000 A à la fréquence de 20KHz.
  • Le procédé de fusion du matériau électroconducteur 1 dans le four de fusion 10 consiste :
    • à confiner électromagnétiquement, dans le four de fusion 10, la masse du matériau électroconducteur 1 jusqu'à sa température de fusion,
    • à décanter les particules inclusionnaires solides ou liquides contenues dans le matériau électroconducteur 1 liquide,
    • à couler une partie de la masse du matériau électroconducteur 1 liquide par le tube de coulée 15, à soumettre le jet de coulée du matériau électroconducteur liquide 1 à un confinement électromagnétique radial,
    • à assurer un alignement coaxial vertical des champs électromagnétiques agissant sur la masse du matériau électroconducteur 1 liquide et sur le jet de coulée de ladite masse,
    • et à créer, dans la masse du matériau électroconducteur 1 liquide par brassage électromagnétique, au moins un vortex 30 (Fig. 3) dans lequel les particules inclusionnaires solides sont entraînées dans un mouvement tourbillonnaire et décantées en atteignant la surface de ladite masse du matériau électroconducteur 1 liquide.
  • De préférence, on crée, dans la masse du matériau électroconducteur 1 liquide soumise au brassage électromagnétique, au moins deux vortex 30 superposés.
  • En effet, la Demanderesse a constaté que les particules non conductrices, contenues dans la masse de matériau électroconducteur 1 à traiter, étaient soumises, en milieu tourbillonnaire électromagnétique, à une série de forces telles que force de traînée, masse virtuelle, poussée d'Archimède, pression hydrodynamique, force de lorentz ce qui a permis d'en déduire le comportement des inclusions dans un brassage électromagnétique particulier.
  • En tenant compte de ces différents paramètres, la Demanderesse a déterminé une configuration la plus favorable à la séparation des particules inclusionnaires non conductrices contenues dans la masse du matériau électroconducteur fondue et confinée et à leur décantation en surface de cette masse.
  • La configuration la plus favorable à cette décantation est assurée par la forme de la surface libre de la masse du matériau électroconducteur liquide, la dimension de cette masse, l'épaisseur de la peau électromagnétique, la morphologie du brassage électromagnétique et la géométrie du jet de coulée.
  • C'est pourquoi, le procédé selon l'invention consiste, lors du brassage électromagnétique, à créer dans la masse du matériau électroconducteur 1 liquide au moins un vortex 30 dans lequel les particules inclusionnaires solides ou liquides sont entraînées dans un mouvement tourbillonnaire en spirale et décantées lorsqu'elles atteignent la surface de cette masse du matériau électroconducteur 1 liquide.
  • Cela est obtenu en assurant en particulier, un alignement coaxial entre l'axe du creuset 11 contenant la masse du matériau électroconducteur 1 liquide et l'axe longitudinal du tube de coulée 15.
  • Cet alignement coaxial nécessite que la bobine électromagnétique 16 des moyens de confinement du jet génère un champ électromagnétique en symétrie cylindrique avec l'axe vertical du four de fusion 10.
  • Alors que jusqu'à présent la géométrie de la bobine électromagnétique de confinement du jet semblait négligeable, la Demanderesse a constaté que cette géométrie avait un rôle primordial.
  • En effet, une bobine classique en spirale avec un conducteur de section tubulaire circulaire ne peut pas convenir pour le confinement du jet de coulée, car chacune des spires forme un chemin de courant qui se déplace dans un plan incliné par rapport à l'axe vertical, dépendant directement du pas de l'hélice de la bobine électromagnétique.
  • De ce fait, une bobine électromagnétique classique génère un champ magnétique créant des instabilités de coulée du jet.
  • Pour éviter cette perturbation, les moyens de confinement du jet de coulée de la masse du matériau électroconducteur, selon l'invention, sont formés par une bobine électromagnétique extraplate 16 du type décrit précédemment.
  • De façon à assurer la symétrie cylindrique du jet de coulée, le champ électromagnétique généré par la bobine électromagnétique 16 est déterminé de façon que le saut de pression magnétique soit maximum, pour une puissance donnée du générateur alimentant ladite bobine électromagnétique 16.
  • Sur la Fig. 3, on a représenté schématiquement, le mouvement de la masse du matériau électroconducteur 1 liquide qui est matérialisé par les deux vortex 30 superposés dont la vitesse de déplacement est d'environ de 0,2m/s.
  • Les Figs. 4 et 5 représentent deux schémas matérialisant le déplacement des particules inclusionnaires non conductrices respectivement dans le vortex supérieur et dans le vortex inférieur.
  • On sait que les particules inclusionnaires solides sont décantées dès qu'elles atteignent la surface de la masse du matériau électroconducteur 1 liquide, sans tenir compte du mécanisme de capture de ces particules aux alentours des surfaces libres ou d'une paroi froide, par des phénomènes interfaciaux comme la pression magnétique.
  • La mesure du temps de décantation permet de maîtriser le temps minimum de fusion de la masse du matériau électroconducteur et de brassage de cette masse qui assure la purification par décantation des particules inclusionnaires de taille donnée.
  • Le temps de séparation des particules inclusionnaires est maximum pour les particules situées initialement près du centre du ou des vortex 30 et le temps de décantation est très important pour les particules inclusionnaires de petites tailles.
  • Par ailleurs, la Demanderesse a constaté que l'efficacité du confinement électromagnétique du jet de coulée de la masse du matériau électroconducteur 1 est d'autant plus grande que le saut de pression magnétique entre l'axe et la surface du jet de coulée est élevé.
  • En effet, le saut de pression est fonction de la force électromagnétique appliquée et de la profondeur de pénétration du champ magnétique dans le jet de coulée.
  • A puissance de générateur constante, il existe une fréquence optimale qui permet d'obtenir le saut de pression le plus élevé.
  • La Fig. 6 représente trois courbes montrant la variation de la valeur du saut de pression ΔPm en fonction du rapport du rayon R du jet de coulée sur la profondeur de pénétration Δ du champ magnétique, pour différentes résistivités électriques ρ du matériau électroconducteur.
  • On voit sur cette figure que l'optimum du saut de pression ΔPm est atteint pour un rapport du rayon R du jet de coulée sur la profondeur de pénétration δ du champ magnétique, égal à environ 1,7 ce qui correspond pour un rayon du jet de coulée de 7mm d'un alliage de 130 10⁻⁸ Ωcm de résistivité à une fréquence d'environ 20KHz.
  • Le procédé selon l'invention permet, grâce au confinement électromagnétique du jet de coulée associé à la coaxialité des champs magnétiques des moyens de confinement du jet de coulée, des moyens de chauffage par induction de la masse du matériau électroconducteur, du creuset et de ladite masse du matériau électroconducteur d'obtenir un contrôle du brassage électromagnétique de cette masse liquide, tout en assurant la séparation en continue des impuretés inclusionnaires solides contenues dans le matériau électroconducteur en permettant également d'obtenir une qualité améliorée des produits.

Claims (9)

  1. Procédé de fusion d'un matériau électroconducteur (1) dans un four de fusion (10) par induction en creuset froid, procédé dans lequel :
    - on confine électromagnétiquement dans le four de fusion (10), une masse du matériau électroconducteur (1) jusqu'à sa température de fusion,
    - on décante les particules inclusionnaires contenues dans le matériau électroconducteur (1) liquide,
    - on coule une partie de la masse du matériau électroconducteur (1) liquide par un tube de coulée (15) disposé au-dessous dudit four de fusion (10),
    - on soumet le jet de coulée du matériau électroconducteur (1) liquide à un confinement électromagnétique radial,
    caractérisé en ce que :
    - on assure un alignement coaxial vertical des champs électromagnétiques agissant sur la masse du matériau électroconducteur (1) liquide et sur le jet de coulée de ladite masse,
    - et on crée, dans la masse du matériau électroconducteur (1) liquide par brassage électromagnétique, au moins un vortex (30) dans lequel les particules inclusionnaires sont entraînées dans un mouvement tourbillonnaire et décantées en atteignant la surface de ladite masse du matériau électroconducteur (1) liquide.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on crée dans la masse du matériau électroconducteur (1) liquide soumise au brassage électromagnétique, au moins deux vortex (30) superposés.
  3. Four de fusion d'un matériau électroconducteur (1) par induction en creuset froid, pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 1 et 2, ledit four de fusion (10) comprenant un creuset (11) destiné à contenir ledit matériau conducteur (1) et formé de plusieurs secteurs métalliques (12) isolés électriquement les uns des autres, des moyens de refroidissement desdits secteurs métalliques (12), des moyens (14) de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur (1) disposés autour du creuset (11), un tube de coulée (15) du matériau électroconducteur (1) liquide disposé verticalement au-dessous du creuset (11) et des moyens (16) électromagnétiques de confinement du jet de matériau électroconducteur (1) liquide dans le tube de coulée (15), lesdits moyens (16) électromagnétiques étant disposés autour du tube de coulée (15) et alimentés par un générateur, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (20) de centrage des moyens (16) électromagnétiques de confinement du jet du matériau électroconducteur (1) liquide par rapport à l'axe vertical du tube de coulée (15) et du creuset (11) et des moyens (25) de centrage et de positionnement des secteurs (12) du creuset (11) par rapport aux moyens (14) de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur (1) et par rapport aux moyens (16) électromagnétiques de confinement du jet de matériau électroconducteur (1) liquide.
  4. Four de fusion selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de centrage des moyens (16) électromagnétiques de confinement du jet sont formés par une enveloppe (20) en matériau isolant électrique et thermique insérant lesdits moyens (16) électromagnétiques de confinement du jet.
  5. Four de fusion selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de centrage et de positionnement des secteurs (12) du creuset (11) sont formés par une coquille (25) en matériau isolant électrique et thermique disposée autour des secteurs (12) et insérant les moyens (14) de chauffage par induction électromagnétique du matériau électroconducteur (1) et les moyens de refroidissement des secteurs (12).
  6. Four de fusion selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les moyens de confinement du jet de matériau électroconducteur (1) liquide sont formés par une bobine électromagnétique (16) extraplate.
  7. Four de fusion selon la revendication 6, caractérisé en ce que la bobine électromagnétique (16) comporte dix spires (16a) sous forme de plaques de cuivre, réparties sur une hauteur de 30mm, pour un jet de matériau électroconducteur d'environ 12mm de diamètre,.
  8. Four de fusion selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le tube de coulée (15) est formé par un cylindre métallique sectorisé à double paroi, refroidi par circulation d'un fluide.
  9. Four de fusion selon la revendication 3, caractérisé en ce le générateur d'alimentation des moyens (16) électromagnétiques délivrent un signal à une fréquence déterminée pour que le rapport entre le rayon de la section du jet du matériau électroconducteur (1) et la profondeur de pénétration du champ électromagnétique soit supérieur à 1,7.
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