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.