EP0408453B1 - Dispositif de busette électro-magnétique pour le contrôle d'un jet de metal liquide - Google Patents

Description

• La présente invention concerne un dispositif de busette électro-magnétique utilisable notamment à la sortie d'un creuset pour la coulée stabilisée d'un métal liquide à débit variable sous forme de matériau ultrapropre destiné notamment à l'atomisation de poudres métalliques telles que pour la fabrication de pièces en superalliages pour applications aéronautiques.
• Les procédés connus et actuellement utilisés pour l'élaboration de superalliages, notamment à base de nickel tels que ceux qui sont particulièrement visés par la présente invention, font intervenir des opérations de fusion en creuset en matériau réfractaire de type céramique réalisées dans un four sous vide. Lors de cette opération il se produit une réaction métal/céramique d'où il résulte inévitablement la présence d'inclusions céramiques dans le matériau obtenu. Un affinage du superalliage est par conséquent rendu nécessaire à chaque fois que les conditions des applications imposent l'obtention d'un superalliage dit super-propre. C'est notamment le cas pour des superalliages à base de nickel destinés à des applications aéronautiques, telles que des pièces de moteurs aéronautiques à turbine ou d'autres ensembles de propulsion. Diverses techniques connues sont employées pour obtenir un tel affinage inclusionnaire, par exemple par refusion en creuset refroidi, la fusion étant obtenue soit par arc électrique, soit par faisceau d'électrons ou par faisceau plasma.
• Quelle que soit la technique employée, toutefois, lors de la coulée des métaux en fusion pour utilisation, qu'il s'agisse du remplissage d'un moule ou d'une atomisation du métal liquide pour obtenir des poudres, il devient nécessaire soit d'opérer un basculement du four, dans un premier cas, soit d'utiliser à la sortie du métal liquide une busette en matériau réfractaire, dans un second cas. Dans le premier cas, le contrôle du débit et de la masse du métal en fusion ne peut guère être obtenu et dans le second cas où ce problème est résolu, d'autres inconvénients apparaissent :
• des diamètres de busette assez importants sont imposés afin d'éviter le risque de bouchage ;
• instabilité du jet de métal liquide ;
• difficultés importantes pour faire varier le diamètre du jet liquide en cours d'opération.
• Par ailleurs, le contact entre métal liquide et parois solides de la busette entraîne une double pollution du métal :
• d'une part, une pollution chimique dûe à la réaction du métal liquide à haute température avec les oxydes contenus dans les matériaux réfractaires constituant les parois ;
• d'autre part, une pollution physique dûe à l'abrasion des parois de la busette par le passage du métal en fusion.
• Dans des applications particulières notamment de techniques connues d'élaboration par atomisation par gaz de métaux liquides, ces pollutions entraînent la présence de nombreuses inclusions dans les poudres métalliques et il est notamment reconnu que la présence de telles inclusions dans des pièces tournantes de moteurs aéronautiques, 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 oligocyclique et entraîne notamment des ruptures prématurées de pièces soumises à de fortes contraintes à haute température. Ces problèmes ont conduit à réduire la taille des grains des poudres, ce qui aboutit à des rendements granulométriques très médiocres dans l'élaboration de ces poudres. Des tentatives de solution ont été proposées, sur la base de l'utilisation d'une busette électromagnétique qui permet le confinement du jet de métal liquide sans contact avec les parois. FR-A-2 316 026, FR-A-2 396 612 et FR-A-2 397 251 ont ainsi décrit des dispositifs électro-magnétiques fonctionnant à haute fréquence dans lesquels un écran en cuivre est nécessaire pour obtenir le confinement souhaité.
  La mise en oeuvre industrielle de tels dispositifs, telle que sur une installation d'atomisation de poudres de superalliages à base de nickel, présente toutefois de sérieuses difficultés. FR-A-2 457 730 peut éliminer l'écran en cuivre, mais le dispositif fonctionnant à fréquence basse impose dans de nombreuses applications de faire appel à des puissances importantes, peu compatibles avec l'industrialisation, dès que des réductions importantes du jet de métal liquide deviennent nécessaires, notamment dans les techniques d'atomisation de poudres.
• Un dispositif de busette électromagnétique permettant d'éviter les inconvénients des dispositifs antérieurs connus est caractérisé en ce que l'induction électromagnétique à spires est associé à un dispositif concentreur de champ magnétique disposé entre ledit inducteur à spires et les parois de sortie du creuset qu'il entoure extérieurement, ledit dispositif concentreur de champ magnétique étant constitué de quatre à huit secteurs tridimensionnels séparés par des fentes radiales, chaque secteur comportant une paroi hémi-cylindrique diamétralement externe et une paroi hémi-cylindrique diamétralement interne, coaxiale et de plus faible hauteur, les quatre bords respectifs de ces parois étant réunis par des portions planes et la cavité ainsi formée étant refroidie par eau, lesdites parois interne et externe comportant des spires formant un inducteur électromagnétique.
• Les résultats remarquables obtenus sont également conditionnés par le choix de paramètres spécifiques de dimensionnement ainsi que par des paramètres déterminés de définition du champ magnétique appliqué, notamment la fréquence et l'intensité du champ.
  D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1a représente, selon une demi-vue schématique en coupe par un plan vertical passant par l'axe de symétrie, un dispositif de busette électromagnétique conforme à l'invention,
• la figure 1b représente, selon une demi-vue schématique en coupe par un plan horizontal, le dispositif concentreur de champ magnétique de la busette électromagnétique représentée à la figure 1a ;
• la figure 2 représente, selon une vue schématique en coupe par un plan vertical, un creuset d'un type connu dit creuset refroidi de lévitation équipé du dispositif de busette électromagnétique représenté sur les figures 1a et 1b ;
• La figure 3 montre un détail de la figure 2 lors de l'évacuation d'un jet de métal liquide hors du creuset;
• La figure 4 montre un détail analogue à celui de la figure 3 dans le cas de l'application du dispositif de busette électromagnétique conforme à l'invention à un creuset réfractaire classique.
• Les figures 1a et 1b montrent des vues de détail d'un dispositif de busette électromagnétique réalisé conformément à l'invention utilisable pour le contrôle de jet de métal liquide, notamment en sortie de creuset d'une installation de coulée de métal en fusion telle que partiellement représentée sur la figure 2. La busette comporte un inducteur électromagnétique 1, d'un type connu en soi, comportant plusieurs spires 1a et dont la mise en oeuvre (alimentations etc...) est également connue en soi et ne fera pas l'objet d'une description plus détaillée. L'inducteur 1 est disposé à la sortie d'un creuset 2 et entoure extérieurement les parois dudit creuset. Entre ledit inducteur 1 et lesdites parois du creuset 2 est placé un dispositif 3 concentreur de champ magnétique. Le concentreur de champ 3 est sectorisé et en fait, l'effet de concentration du champ apparaît dès la présence d'une fente. Pour éviter une déformation ou une déviation du jet dues à une intensité de champ magnétique plus élevée en face d'une fente, le concentreur de champ 3 est réalisé en un nombre pair de secteurs égaux répartis symétriquement. Pour des facilités de réalisation et dans les applications visées par l'invention à la coulée de métaux ou à l'atomisation de superalliages, notamment à base de nickel, le nombre de secteurs prévus est de huit mais il peut être réduit à quatre. Selon le mode de réalisation d'une géométrie particulière des secteurs 4 du concentreur de champ 3 conforme à l'invention et représenté sur les figures 1a, 1b, et 2, chaque secteur 4 est réalisé en plaques de cuivre et présente une paroi radialement externe 4a hémi-cylindrique disposée verticalement par rapport au creuset 2 et une paroi radialement interne 4b hémi-cylindrique, coaxiale à la précédente mais de hauteur plus faible. Les quatre bords respectifs de ces éléments de paroi 4a et 4b sont réunis par quatre portions de paroi planes, supérieure 4c, inférieure 4d et latérales 4e et 4f. la cavité interne 5 ainsi formée à l'intérieur de chaque secteur 4 est remplie d'eau de refroidissement. Chaque paroi hémi-cylindrique 4a et 4b comporte des spires 6a et 7a de manière à former un inducteur électromagnétique. Les secteurs 4 du concentreur de champ magnétique 3 sont séparés par des fentes radiales 3a. Le creuset 2 d'un type connu en soi comporte des parois 8 dont la géométrie particulière permet de maintenir la majeure partie du métal liquide 9 en lévitation. Lesdites parois 8 comportent des tubes 10 de refroidissement alimentés par une boîte à eau 11. Le métal liquide est évacué à la sortie du creuset 2 par un orifice 12 masqué par un doigt refroidi 13 susceptible d'être escamoté.
• Le détail de la partie inférieure du creuset 2, ouvert après escamotage du doigt 13, représenté sur la figure 3 montre l'évacuation d'un jet de métal liquide hors du creuset. A l'origine, à la partie supérieure de la sortie du creuset, le jet de métal liquide a un diamètre confondu avec celui de la busette matérielle 14 située en bas du creuset 2. Dès que la veine de métal liquide arrive à la hauteur du concentreur 3 de champ magnétique de la busette électromagnétique, le jet de métal a une réduction de section 15.
• Si on utilise au lieu d'un creuset froid de lévitation, tel que représenté sur les figures 2 et 3, un creuset réfractaire classique, destiné par exemple à l'atomisation de poudres, la partie inférieure de ce creuset 20, schématiquement représentée sur la figure 4 comporte un orifice 31 au niveau duquel est positionné le concentreur 3 de champs magnétique qui provoque une réduction de section 15 qui écarte le métal du contact avec la paroi 32a de la busette matérielle 32.
• Ce résultat est obtenu grâce à la création d'un champ magnétique intense sur une zone très localisée qui résulte de l'emploi de la busette électromagnétique à concentreur 3 de champ magnétique conforme à l'invention. Un inducteur classique à spires devant produire le même résultat aurait un encombrement très important, incompatible avec les contraintes imposées par le contrôle du jet de métal liquide. En fait, par le choix adapté à l'application de paramètres de dimensionnement et de position adéquate de la busette électromagnétique et notamment du concentreur 3 de champ magnétique, des forces axisymétriques dirigées vers l'axe du jet de métal liquide sont engendrées. Si le jet se rapproche de la paroi 14a, ladite busette électromagnétique crée une force de rappel qui recentre le jet dans l'axe de la busette. Cette force de rappel nécessite un champ magnétique intense dont la fréquence minimale doit être telle que la profondeur de pénétration du champ magnétique et de ses courants induits dans le jet soit inférieur au rayon R du jet de métal liquide, ce qui est exprimé par la relation suivante : $$\text{µ σ ω R² > 2}$$

  

  
  dans laquelle :
• µ est la perméabilité magnétique dans le vide
• σ est la conductivité électrique du métal liquide,
• R est le rayon du jet de métal liquide,
• ω est la pulsation du champ magnétique, reliée à la fréquence f par ω = 2 π f,

La fréquence minimale f₁ obtenue est donc : $$\text{f₁ = 1 /π ω σ R²}$$

• La force de rappel est obtenue lorsque le champ magnétique engendre une force croissante dans la direction radiale à partir de la surface du jet, ce qui entraîne, à flux conservatif, une variation semblable dans la direction axiale. Compte tenu de l'exploitation d'un effet de pression essentiellement surfacique, l'efficacité du dispositif augmente avec la fréquence. L'augmentation de fréquence a également l'avantage de réduire les effets de brassage du métal liquide. Des limites pratiques qui peuvent être déterminées expérimentalement pour chaque application sont toutefois imposées aux fréquences. Une fréquence maximale f₂ est ainsi déterminée à partir des critères suivants :
• limitation des puissances mises en oeuvre ;
• risques d'amorçages électriques entre les différents secteurs 4 du concentreur 3 de champ magnétique ou entre ceux-ci et le jet métallique ;
• augmentation avec la fréquence des pertes dans l'inducteur 1 et le concentreur de champ 3 ;
• efficacité du dispositif mesurée par le coefficient de contraction X, exprimé en pourcents et défini par :
  X = ( de - ds) / de

avec de, diamètre de la veine liquide en entrée de la busette et ds, diamètre de la veine liquide en sortie de la busette.
• Un domaine de fréquences f tel que :
  100 Hz < f, < 10⁶ Hz dans lequel le jet de métal liquide est non seulement canalisé mais aussi contracté est ainsi obtenu.
• L'intensité B du champ magnétique appliqué est déterminée en fonction de la pression magnétique P_m exercée à la périphérie du jet de métal liquide pour contrebalancer les effets de la tension superficielle et les forces d'inertie et qui est recherchée dans l'application concernée, suivant la relation :
  Pm = B² / 2 µ
• L'application de ces conditions à un échantillon de superalliage à base de nickel refondu dans le creuset 2, représenté sur la figure 2, dans lequel le diamètre de la busette matérielle 14 est de 15 mm a permis d'obtenir un diamètre 2R de métal liquide en sortie de la busette électromagnétique de 6mm, soit un coefficient X de contraction, tel que défini précédemment, de 60 %.
• Les résultats suivants sont obtenus, exprimés en valeurs du coefficient X de contraction en fonction de la plage des fréquences appliquées :
  Pour 10² Hz < f < 10⁶ Hz, X > 10 %
  pour f < 10² Hz ou f > 10⁶ Hz, X < 10 %
  et pour 5.10³ Hz < f < 5.10⁵ Hz, X > 50 %.
• Le dispositif de busette électromagnétique à dispositif concentreur de champ conforme à l'invention et qui vient d'être décrit permet ainsi d'assurer au moyen d'un choix de paramètres de mise en oeuvre adaptés à chaque application selon les critères qui ont été indiqués les résultats recherchés et notamment un décollement du métal liquide des parois du creuset de refusion, notamment au niveau de la busette matérielle de sortie du creuset, évitant ainsi tout contact entre parois et métal liquide et par là, tout risque de pollution.
• Le dispositif présente en outre l'avantage d'assurer une stabilité du jet de métal liquide contracté sur une distance importante et ainsi un écoulement laminaire est obtenu sur une distance qui peut être supérieure à dix fois le diamètre de sortie de la busette électromagnétique.Enfin, la compacité du dispositif conforme à l'invention facilite la mise en place en sortie de creuset d'une installation de type "superpropre" de refusion par faisceau d'électrons, par faisceau plasma ou, comme dans l'exemple décrit, de refusion en creuset froid, d'une installation de coulée (en moule par exemple) ou enfin d'une installation d'atomisation de poudres.

Claims (6)

1. Dispositif de busette électromagnétique disposé à la sortie d'un creuset (2) de fusion de métal comportant un inducteur électromagnétique (1) à spires (1a) caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif concentreur de champ magnétique (3) disposé entre ledit inducteur (1) à spires et les parois de sortie dudit creuset (2) qu'il entoure extérieurement et constitué d'au moins quatre secteurs (4) tridimensionnels séparés par des fentes radiales (3a), régulièrement disposés autour de ladite sortie du creuset, comportant une cavité interne (5) refroidie par eau et portant respectivement dans la paroi diamétralement externe (4a) et dans la paroi diamétralement interne (4b) des spires (6a, 7a) formant un inducteur électromagnétique.
2. Dispositif de busette électromagnétique selon la revendication 1 dans lequel lesdits secteurs (4) sont au nombre de huit et présentent une forme de paroi diamétralement externe (4a) en portion de segment de cylindre d'axe vertical et de paroi diamétralement interne (4b) en portion de segment de cylindre coaxial de hauteur plus faible, les quatre bords d'un segment externe et du segment interne associé étant réunis par des portions planes (4c, 4d, 4e, 4f).
3. Dispositif de busette électromagnétique selon la revendication 2 dans lequel les parois des secteurs (4) du concentreur de champ sont en cuivre.
4. Dispositif de busette électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le champ magnétique appliqué au jet de métal fondu a une fréquence située dans un domaine optimal qui est défini pour chaque application entre une fréquence minimale f₁ donnée par la formule suivante : $$\text{f1 = 1 / π µ σ R²}$$

   

   dans laquelle µ est la perméabilité magnétique dans le vide ;
   σ , la conductivité électrique du métal liquide concerné
   R , le rayon du jet de métal liquide,
      et une fréquence maximale f₂ déterminée expérimentalement en tenant compte des facteurs suivants :

   - puissance disponible,

   - risques d'amorçage,

   - limitation des pertes dans l'inducteur et dans le concentreur de champ

   - efficacité mesurée par le coefficient de contraction X, tel que : X = (de - ds) / de avec de, diamètre de la veine liquide en entrée de la busette, et ds, diamètre de la veine liquide en sortie de la busette.
   tandis que l'intensité B du champ magnétique appliqué est relié à la pression magnétique Pm recherchée s'exerçant à la périphérie du jet par la relation : $$\text{Pm = B² / 2 µ}$$

   
5. Dispositif de busette électromagnétique selon la revendication 4 dans lequel ledit domaine optimal des fréquences f du champ magnétique pour un coefficient de contraction X supérieur à 50 % est situé dans : $$\text{5.10³ Hz < f < 5.10⁵ Hz}$$

   
6. Dispositif de busette électromagnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il est disposé à la sortie d'un creuset (2) utilisé pour l'atomisation d'un métal liquide pour obtenir des poudres de matériau ultrapropre, notamment de superalliage.

Images