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La présente invention se rapporte à un appareil perfectionné pour la fusion à l'arc de métaux et d'alliages actifs à point de fusion élevé, par exemple du titane, du zirconium, du molybdène, du thorium, du hafnium, du tantale, du chrome et de leurs alliages, et plus particulièrement à un appareil pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant le brevet n 534.240,
Ce brevet décrit un procédé de fusion à l'arc de métaux et d'al- liages du type indiqué par formation d'une masse cohérente, mais incomplè- tement fondue, de métal ou d'alliage en faisant passer la matière brute dans la chambre de fusion d'un four de fusion à l'arc à une plus grande vi- tesse que celle qui permet une fusion complète de la matière brute sur tou- te la section transversale de la chambre de fusion,
et en utilisant ensuite la masse ainsi obtenue comme électrode consumable à faire fondre progres- sivement dans un second four de fusion à l'arc dont la chambre de fusion a une section transversale plus grande que celle de l'électrode, avec ou sans alimentation complémentaire de matière brute dans la chambre de fusion.
Suivant la présente invention, un appareil pour la mise en oeu- vre de ce procédé comprend un ou plusieurs creusets refroidis pour la fu- sion à l'arc, placés au-dessus d'un creuset refroidi de fusion à l'arc de section transversale plus grande et communiquant avec eux, un fond refroi- di et réglable dans le sens longitudinal pouvant servir à fermer la partie inférieure du oreuset supérieur ou du creuset inférieur, un dispositif pour faire passer la matière brute dans l'ensemble des creusets, un dispositif pour faire le vide dans cet ensemble et, si on le désire, pour y introduire une atmosphère inerte, et un assemblage d'électrodes consumables, réglable dans le sens de la longueur pour le ou les creusets supérieurs, pouvant servir de tige d'électrode dans le fonctionnement du creuset inférieur.
L'invention est illustrée mais non limitée par les dessins an- nexés, dans lequels :
Figure 1 représente une coupe longitudinale d'un four combiné au premier stade du procédé, c'est-à-dire la formation de l'électrode consu- mable cohérente; le métal à fondre est ,à titre d'exemple, le titane.
Figure 2 est une coupe semblable, mais au second stade du procé- dé, c'est-à-dire au début de la fusion finale.
Dans ces dessins, l'appareil comprend essentiellement' un creuset 1 refroidi à l'eau associé à un second creuset 2 refroidi à l'eau, de sec- tion transversale plus grande, les deux creusets utilisant une plaque commu- ne 3, refroidie à l'eau, servant de fond.
La partie supérieure du four est formée par le cône refroidi à l'eau 4, portant dans son couvercle 5 le raccord à la trémie 6, par lequel la matière brute sous forme appropriée passe de la trémie 7 au four à une vitesse déterminée d'avance à l'aide d'un mécanisme vibreur 8, un raccord à vide et à gaz inerte 9, par lequel le four est évacué par une pompe à vide 10, et si on le désire, rempli d'une atmosphère inerte telle que par exem- ple de l'argon et un joint étanche au gaz 11 à travers lequel passe l'élec- trode de titane 12.
Cette dernière peut être du titane massif, par exemple une barre forgée ou peut être constituée d'un certain nombre de blocs ag- glomérés formés de métal divisé et soudés ou joints l'un à l'autre d'une autre manière pour obtenir une longueur appropriée, Le mouvement vertical réglable de l'électrode 12 est obtenu par les rouleaux alimentaires 13 et l'électrode est reliée à une borne d'une source de courant électrique par un dispositif de contact approprié 14. Le cône 4 et les creusets 1 et 2 sont électriquement isolés l'un de l'autre par des anneaux isolants 15 et 16.
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La base 17 du creuset 2 est séparable, entourée d'une bride et percée d'une ouverture centrale dont une face inclinée s'adapte au fond 3 et peut servir de siège pour ce fond et le creuset est fermé par la boîte 18. Le fond 3 est creux et supporté par la tige creuse 19 passant à travers la boite 18 et le joint étanche au gaz 20. Le fond comporte une cloison in- térieure et un agent de refroidissement y circule en passant par la tige 19. Le mouvement longitudinal du fond 3 est obtenu par un mécanisme appro- prié, par exemple une crémaillère et un pignon 21. La tige est reliée à 1' autre borne de la source de courant électrique par un contact 22. La tige porte également une brosse souple circulaire 23 dans un but expliqué plus loin.
Pour faire fonctionner l'appareil, on fait d'abord le vide dans la trémie, le cône et les creusets, puis on les remplit d'un gaz inerte comme l'argon ou l'hélium. Le fond 3 est alors amené dans la position re- présentée sur la figure 1, une charge initiale de métal divisé venant de la trémie est introduite dans le creuset 1 et un arc est établi entre la char- ge et l'électrode 12. Lorsque la charge initiale est fondue, le métal divi- sé dans la trémie est introduit dans le creuset aussi rapidement que possi- ble, dans les limites imposées par la production d'une masse cohérente dans le creuset. La vitesse d'alimentation maximum est avantageuse parce qu'elle limite la quantité d'électrode consumée dans l'opération.
Lorsque la masse 24 a été accumulée jusqu'à une hauteur appropriée dans le creuset, l'ali- mentation par la trémie est arrêtée et un bain fondu est formé à la partie supérieure de la masse en maintenant l'arc pendant une courte période, par exemple une à trois minutes. L'alimentation en courant électrique est alors interrompue et l'électrode 12 est immédiatement abaissée dans le bain fondu par les rouleaux alimentaires 13. La masse 24 dans le crueset est ainsi sou dée et ne fait qu'un avec l'électrode par soudure intime de ces deux élé- ments.
Le fond 3 est alors abaissé dans la position indiquée sur la figu- re 2, par le mécanisme de descente 21. A ce moment, une petite quantité de métal divisé non fondu au fond du creuset 1 peut tomber sur la surface coni- que intérieure du siège en cuivre 17 et empêcher le fond 3 de s'y appuyer exactement. Afin d'éviter cet inconvénient, la brosse 23 est fixée à la ti- ge 19 de façon qu'au moment de la descente du fond, la brosse passe à tra- vers l'ouverture du siège dans la boite 18 et entraîne les particules qui pourraient se trouver sur la surface formant siège.
Lorsque le fond 3 est en place, la masse cohérente 24 attachée à l'électrode 12 est abaissée dans la position représentée sur la figure 2, ce mouvement -étant'facilité si nécessaire par la conicité du creuset 1. Une charge initiale de métal divisé venant de la trémie est placée au fond du creuset 2 et un arc est établi entre cette charge et la masse 24 qui est fondue dans le creuset 2, avec ou sans alimentation complémentaire de métal divisé venant de la trémie. Lorsque la masse 24 est complètement fondue, l'alimentation en courant électrique est interrompue, et le lingot se soli- difie et est enlevé en abaissant la boite 18, le siège 17 et le fond 3.
Il est essentiel que le creuset 2 soit un peu plus grand que,le creuset 1 pour que la masse puisse être bien dégagée du creuset 1 avant qu'elle se rappro- che du fond du second creuset, afin qu'une certaine quantité de métal divi- sé puisse tomber par le premier creuset dans le second. Ce dernier doit é- galement avoir un diamètre plus grand pour que le métal divisé puisse tom- ber librement entre la masse 24 et les parois du creuset 2.
Quoique l'invention ait été décrite avec référence à un appareil particulier, il est clair que diverses modifications peuvent être apportées à l'appareil sans sortir du cadre de l'invention. C'est ainsi, par exemple,
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que l'électrode initiale peut être entièrement enfermée avec les rouleaux alimentaires et le dispositif de contact dans un prolongement tubulaire, étanche au gaz, du couvercle du four, ou bien l'électrode peut être attachée par des dispositifs appropriés à une barre de cuivre refroidie à l'eau et passant à travers le joint dans le couvercle du four.
L'anneau isolant entre le creuset supérieur et le creuset inférieur peut être supprimé mais est de préférence utilisé pour éviter la formation d'arcs électriques et de court-circuits entre la masse 24 et le creuset supérieur pendant la fusion de la masse dans le creuset inférieur.
Dans une autre variante, plusieurs creusets supérieurs séparés, par exemple trois, peuvent être utilisés en association avec un seul creu- set inférieur d'un diamètre suffisamment grand. De cette manière, trois mas- ses d'électrodes peuvent être fermées, puis consumées simultanément pour obtenir un lingot plus grand dans le creuset inférieur.
L'appareil suivant la présente invention facilite la formation d'une grande électrode à partir de métal divisé suivant le procédé du bre- vet précité, avec une consommation minimum d'électrode préagglomérée. De plus, en utilisant un fond refroidi qui sert pour les deux creusets, il permet de faire fondre cette grande électrode dans le même appareil et avec un intervalle de temps minimum entre la formation et la fusion.
REVENDICATIONS.
1. - Four de fusion à l'arc pour la mise en oeuvre du procédé dé- crit dans le brevet n 534.240 caractérisé en ce qu'il comprend un creuset de fusion à l'arc refroidi placé au-dessus d'un creuset de fusion à l'arc refroidi de section transversale plus grande,un fond refroidi réglable dans le sens de la longueur entre une position supérieure où il sert à fermer la partie inférieure du creuset supérieur et une position inférieure où il sert à fermer la partie inférieure du creuset inférieur, un dispositif pour introduire la matière première dans l'ensemble des creusets,un dispositif pour faire le vide dans cet ensemble et pour y introduire une atmosphère inerte si on le désire, et un assemblage, réglable dans le sens de la lon- gueur, d'électrodes consumables pour le creuset supérieur,
pouvant servir de tige pour une électrode formée dans le creuser supérieur et devant être utilisée dans le creuset inférieur.
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The present invention relates to an improved apparatus for the arc melting of metals and active alloys with a high melting point, for example titanium, zirconium, molybdenum, thorium, hafnium, tantalum, chromium and their alloys, and more particularly to an apparatus for carrying out a process according to patent no.534.240,
This patent describes a process for the arc melting of metals and alloys of the type indicated by forming a cohesive, but incompletely molten mass of metal or alloy by passing the raw material through the. melting chamber of an arc melting furnace at a greater speed than that which allows complete melting of the raw material over the entire cross section of the melting chamber,
and then using the mass thus obtained as a consumable electrode to be gradually melted in a second arc melting furnace, the melting chamber of which has a larger cross section than that of the electrode, with or without additional power of raw material in the melting chamber.
According to the present invention, an apparatus for carrying out this process comprises one or more cooled crucibles for arc melting, placed above a cooled crucible of cross-sectional arc melting. larger transverse and communicating with them, a cooled bottom and adjustable in the longitudinal direction which can be used to close the lower part of the upper oreuset or the lower crucible, a device for passing the raw material through all the crucibles, a device for evacuating this assembly and, if desired, for introducing an inert atmosphere therein, and an assembly of consumable electrodes, adjustable lengthwise for the upper crucible (s), which can serve as a rod of electrode in the operation of the lower crucible.
The invention is illustrated but not limited by the accompanying drawings, in which:
Figure 1 shows a longitudinal section of a combined furnace at the first stage of the process, that is to say the formation of the coherent consumable electrode; the metal to be melted is, by way of example, titanium.
Figure 2 is a similar section, but in the second stage of the process, ie at the start of the final fusion.
In these drawings the apparatus essentially comprises a water-cooled crucible 1 associated with a second water-cooled crucible 2 of greater cross-section, both crucibles using a common plate 3, cooled. with water, serving as a base.
The upper part of the furnace is formed by the water-cooled cone 4, carrying in its cover 5 the connection to the hopper 6, by which the raw material in suitable form passes from the hopper 7 to the furnace at a determined speed of advances by means of a vibrating mechanism 8, a vacuum and inert gas connection 9, through which the furnace is evacuated by a vacuum pump 10, and if desired, filled with an inert atmosphere such as by example argon and a gas-tight seal 11 through which the titanium electrode 12 passes.
The latter may be solid titanium, for example a forged bar, or may consist of a number of agglomerated blocks formed of divided metal and welded or joined together in some other way to achieve a perfect fit. suitable length, The adjustable vertical movement of the electrode 12 is obtained by the food rollers 13 and the electrode is connected to a terminal of an electric current source by a suitable contact device 14. The cone 4 and the crucibles 1 and 2 are electrically isolated from each other by insulating rings 15 and 16.
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The base 17 of the crucible 2 is separable, surrounded by a flange and pierced with a central opening, an inclined face of which adapts to the bottom 3 and can serve as a seat for this bottom and the crucible is closed by the box 18. The bottom 3 is hollow and supported by the hollow rod 19 passing through the box 18 and the gas-tight seal 20. The bottom has an internal partition and a cooling agent circulates there by passing through the rod 19. The longitudinal movement bottom 3 is obtained by a suitable mechanism, for example a rack and pinion 21. The rod is connected to the other terminal of the electric current source by a contact 22. The rod also carries a circular flexible brush 23 for a purpose explained later.
To operate the apparatus, we first create a vacuum in the hopper, cone and crucibles, then fill them with an inert gas such as argon or helium. The bottom 3 is then brought into the position shown in Figure 1, an initial charge of divided metal from the hopper is introduced into the crucible 1 and an arc is established between the charge and the electrode 12. When the initial charge is melted, the divided metal in the hopper is introduced into the crucible as quickly as possible, within the limits imposed by the production of a coherent mass in the crucible. The maximum feed rate is advantageous because it limits the amount of electrode consumed in the operation.
When the mass 24 has been accumulated to a suitable height in the crucible, the feed from the hopper is stopped and a molten bath is formed at the top of the mass maintaining the arc for a short time, for example one to three minutes. The supply of electric current is then interrupted and the electrode 12 is immediately lowered into the molten bath by the food rollers 13. The mass 24 in the raw material is thus welded and becomes one with the electrode by intimate welding. of these two elements.
The bottom 3 is then lowered to the position shown in Fig. 2, by the lowering mechanism 21. At this time, a small amount of unmelted divided metal at the bottom of the crucible 1 may fall onto the inner conical surface. of the copper seat 17 and prevent the bottom 3 from resting on it exactly. In order to avoid this drawback, the brush 23 is fixed to the rod 19 so that when the bottom is lowered, the brush passes through the opening of the seat in the box 18 and entrains the particles. which could be on the seat surface.
When the bottom 3 is in place, the coherent mass 24 attached to the electrode 12 is lowered into the position shown in Figure 2, this movement being facilitated if necessary by the taper of the crucible 1. An initial charge of divided metal coming from the hopper is placed at the bottom of the crucible 2 and an arc is established between this charge and the mass 24 which is molten in the crucible 2, with or without additional feed of divided metal coming from the hopper. When the mass 24 is completely melted, the electric current supply is interrupted, and the ingot solidifies and is removed by lowering the box 18, the seat 17 and the bottom 3.
It is essential that crucible 2 is a little larger than crucible 1 so that the mass can be released from crucible 1 before it approaches the bottom of the second crucible, so that a certain quantity of metal divided can fall through the first crucible into the second. The latter must also have a larger diameter so that the divided metal can fall freely between the mass 24 and the walls of the crucible 2.
Although the invention has been described with reference to a particular apparatus, it is clear that various modifications can be made to the apparatus without departing from the scope of the invention. This is how, for example,
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that the initial electrode can be completely enclosed with the food rollers and the contact device in a tubular, gas-tight extension of the oven cover, or the electrode can be attached by suitable devices to a cooled copper bar water and passing through the gasket in the oven cover.
The insulating ring between the upper crucible and the lower crucible can be omitted but is preferably used to prevent the formation of electric arcs and short circuits between ground 24 and the upper crucible during the melting of the mass in the crucible inferior.
In another variation, several separate upper crucibles, for example three, may be used in conjunction with a single lower crucible of sufficiently large diameter. In this way, three masses of electrodes can be closed and then consumed simultaneously to obtain a larger ingot in the lower crucible.
The apparatus according to the present invention facilitates the formation of a large electrode from metal divided according to the method of the aforementioned patent, with a minimum consumption of pre-agglomerated electrode. In addition, by using a cooled bottom which serves for the two crucibles, it allows this large electrode to be melted in the same apparatus and with a minimum time interval between formation and melting.
CLAIMS.
1. - Arc melting furnace for carrying out the process described in patent n ° 534,240, characterized in that it comprises a cooled arc melting crucible placed above a crucible of cooled arc fusion of larger cross section, a cooled bottom adjustable lengthwise between an upper position where it serves to close the lower part of the upper crucible and a lower position where it serves to close the lower part of the crucible. lower crucible, a device for introducing the raw material into the set of crucibles, a device for evacuating this set and for introducing an inert atmosphere therein if desired, and an assembly, adjustable in the longitudinal direction. consumable electrodes for the upper crucible,
capable of serving as a rod for an electrode formed in the upper hollow and to be used in the lower crucible.