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Perfectionnements aux procédés et appareils pour l'affinage des métaux.
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour affiner les métaux, notamment le cuivre et les métaux similaires qui s'oxydent facilement à l'état de fusion et retiennent, lors de la solidification, les oxydes résultants, ce qui a un effet nuisible sur le mé- tal.
Un des objets de l'invention consiste à produi- re du cuivre, ou des métaux similaires, à un état indus- triellement usinable, libre de cavités gazeuses génantes, et pratiquement libre d'oxygène combiné, ou contenant de faibles quantités d'oxygène étroitement contrôlées, des- tinées à combattre l'effet nuisible de certaines impure- tés métalliques dont la présence peut être inévitable.
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Dans la mise en oeuvre de l'invention on peut se servir avantageusement d'un procédé de réduction au carbone, suivi par un seul processus industriellement réalisable, qui empêche la réadmission d'oxygène, 'sauf si on la dési- re, et dans ce cas en quantités utiles soigneusement con- trôlées, jusqu'à ce que le métal soit refroidi au point où de l'oxygène n'est pas de nouveau absorbé lors de l'ex- position à l'air.
D'autres objets de l'invention comprennent des procédés et des appareils pour enlever le soufre ou les impuretés similaires, pour réchauffer le métal si néces- saire ou désirable, et pour soumettre rapidement et effec- tivement tout le métal, dans un bain de fusion, au contact avec l'agent réducteur, dans le but d'enlever complètement l'oxygène.
D'autres objets et avantages de l'invention ap- paraîtront dans la description qui va suivre.
Il existe un groupe bien connu de métaux non ferreux, utilisés pour des applications industrielles, mé- taux qui souffrent sérieusement de la porosité et des im- puretés et qu'il est très difficile de débarrasser de ces caractéristiques nuisibles. Le cuivre, l'aluminium, le nickel, le zinc, le magnésium et d'autres métaux et leurs alliages sont compris dans ce groupe, et la présente in- vention vise tous ces métaux en tant qu'elle leur est ap- plicable, mais pour la brièveté et la clarté de la des- cription, les explications qui vont suivre seront limi- tées au cuivre.
Le cuivre est utilisé dans de nombreuses appli- cations dans lesquelles son usinabilité, sa résistance et sa conductivité électrique sont des qualités extrèmement importantes. Par exemple du fil de cuivre est fréquem- ment étiré à des dimensions très fines pour des applica- tions électriques et si le métal est poreux ou mélangé d'impuretés le fil est faible et de faible conductivité.
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On sait depuis longtemps que l'oxygène est la cause de la mauvaise qualité du cuivre, et que si la quantité d'oxy- gène présent est trop élevée, le cuivre n'est pas poreux, mais qu'un excès d'oxyde de cuivre diminue la résistance et la conductivité du cuivre, et que si l'oxygène est présent en quantité trop faible, le cuivre est extrême- ment poreux. La quantité d'oxygène qui donne le meilleur cuivre varie quelque peu avec la quantité des autres impu- retés, mais est en général de 0,03 %. Jusqu'ici il a été d'usage de s'en tenir au jugement d'opérateurshabiles, quant à la quantité d'oxygène qui doit être laissée dans chaque bain de métal.
Il existe de nombreuses théories pour expliquer pourquoi le cuivre contenant moins de 0,03 % d'oxygène est de qualité inférieure. Jusqu'à présent aucune de ces théories n'est d'acceptation générale. Mais d'après une théorie qui a été acceptée ces derniers temps la porosité est dûe à une réaction de l'oxygène avec l'hydrogène pen- dant le cours de la solidification du cuivre.
Il existe- rait un certain rapport entre les quantités d'hydrogène et d'oxygène qui peuvent être présentes simultanément pendant que le cuivre est à l'état de fusion, et lorsqu'un excès d'oxygène est présent la teneur en hydrogène est si faible qu'aucune réaction avec de l'oxygène ou des oxydes ne peut avoir lieu pour la formation de vapeur d'eau dans le métal se solidifiant, tandis que si la quantité d'oxygène présen- te est inférieure à une quantité critique, la quantité d'hydrogène qui peut rester dans le métal est si grande que la réaction se produit avec l'oxygène restant.
Cette théorie et toutes les autres théories ad- mettent comme un fait que l'oxygène est la cause dû trou- ble et qu'une certaine quantité d'oxygène est toujours présente. Même des quantités minuscules peuvent provoquer une porosité nuisible. En se basant sur cette supposition, on a procédé à de nombreux essais pour fabriquer du cuivre
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débarrassé d'oxygène au point que la réaction provoquant la porosité ne puisse pas avoir lieu. On a trouvé que des substances métalliques, ou des scories telles que les scories phosphoreuses, le chlorure de baryum, etc..., en- lèvent complètement l'oxygène, mais ces substances sont elles-mêmes sujettes à objection. Elles sont très coûteu- ses et si elles ne sont pas employées avec le maximum de précision, elles ne donnent pas de résultats satisfaisants.
Si la quantité de ces substances employée est trop faible, l'oxygène n'est pas complètement enlevé, et si la quanti- té employée est trop grande, l'excès nuit au cuivre en le rendant cassant, en diminuant sa conductivité, ou autre- ment.
L'Inventeur a trouvé que tout l'oxygène peut être enlevé sans se servir de ces agents réducteurs mé- talliques. Ce résultat s'obtient à l'aide d'un agent ré- ducteur carboné ou d'un autre agent réducteur non métal- lique, ou bien si l'oxygène n'est pas présent au début, il peut être tenu à l'écart par l'agent carboné ou les autres agents réducteurs, ou même par certaines substan- ces inertes qui ne provoquent pas d'effets nuisibles sur le métal. Ce résultat s'obtient en se servant du procédé et de l'appareil d'après la présente invention.
On sait évidemment que le carbone réduit la te- neur en oxygène du métal. Il a été longtemps employé dans le traitement du cuivre. Il peut dans certaines con- ditions enlever tout l'oxygène d'un bain soigneusement protégé. De faibles quantités de cuivre libre d'oxygène peuvent être fabriquées de cette manière par des procédés de laboratoire ou d'autres procédés à petite échelle. On peut par exemple laisser le métal se solidifier en lieu et place. Pour des travaux de laboratoires cette manière de procéder est satisfaisante car le récipient peut être enlevé, mais si le métal se solidifie dans un four, il ne peut pas être enlevé sans détruire le four. Ces méthodes
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sont entièrement impraticables dans le domaine 'indus- triel.
Pour posséder une valeur industrielle le procédé doit être continu et de nature à donner un produit uni- forme.
D'après l'invention, il est possible de fabri- quer du cuivre libre d'oxygène à l'état solide, dans les formes commercialement usuelles au moyen d'appareils et de processus pratiques et industriellement économiques.
L'Inventeur a réussi à produire de nombreuses tonnes de cuivre de cette manière et on décrira maintenant l'appa- reil et le mode opératoire de l'invention.
Le procédé de l'invention peut être mis en oeu- vre dans différentes formes d'appareil, mais à titre d'il- lustration on a représenté une forme préférée.
La fig. 1 des dessins ci-joints est une coupe verticale schématique de cet appareil. Cette figure ne montre pas tous les détails, mais indique la nature et la disposition des divers dispositifs qui peuvent être utili- sés, et ce de manière suffisante pour permettre au spécia- liste de construire l'appareil et de mettre en oeuvre le procédé.
Si on suppose que le métal pris pour le traite- ment est suffisamment pur au début, il suffit de le main- tenir pur pendant le processus d'affinage pyrométallique subséquent. Le cuivre cathodique dont on se sert en géné- ral possède d'ordinaire cette pureté. Le procédé de l'in- vention doit maintenir le métal pur et si le métal est contaminé, il doit aussi enlever les impuretés. Dans la mise en oeuvre du procédé au moyen de l'appareil représen- té, le métal est chargé par la porte 55 dans le four de coulée 30; l'appareil représenté à gauche du four 30, comprenant la tête de liaison 25, est considéré comme n'étant pas présent à ce moment.
Le four est construit pour contenir une quantité relativement grande de métal, afin d'éviter des changements de température dans le
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métal coulé par suite du chargement de métal.
Une couverture en charbon de bois G est main- tenue sur le bain S de métal pour enlever l'oxygène de ce bain. Si le métal est libre d'oxygène lors de son chargement, la couverture de carbone seule, ou même une atmosphère inerte pour empêcher l'admission d'air, suffi- sent et on n'a pas besoin de mesure particulière pour obtenir un contact étendu entre le carbone et le métal.
Par exemple le métal peut être chargé sous formes solides telles que les cathodes qui sont pratiquement pures ou peut être chargé pur à l'état fondu, en provenance d'un processus d'affinage précédent. Il suffit d'appliquer suffisamment de chaleur pour fondre le métal ou pour le maintenir en fusion suivant que requis. On peut employer un moyen de chauffage quelconque à condition qu'il n'in- troduise pas d'impuretés nuisibles telles que le soufre et l'oxygène. Pour cette raison il faut éviter des mo- yens de chauffage tels que des flammes découvertes qui donnent d'ordinaire des gaz de combustion.
On préfère chauffer le métal par des chauffeurs ou radiateurs électriques à induction 34, car nun seule- ment ils évitent complètement la contamination, mais assurent aussi une circulation parfaite du métal. Ceci fait passer à reprises fréquentes tout le métal à la sur- face ce qui est extrèmement important lorsque la couvertu- re de carbone ou autre agent est employée pour enlever les impuretés du métal. Le carbone est un agent désoxy- dant actif, mais dans certains cas il n'enlève pas tout l'oxygène car un contact intime avec le métal n'a pas été réalisé. Par exemple un bain de métal fondu peut compor- ter une couverture de carbone maintenue sur le bain pen- dant un temps prolongé, sans être desoxydée,si on ne pro- voque pas de circulation appropriée.
La circulation pro- voquée par un chauffage à induction aide à assurer une désoxydation extrèmement rapide et effective.
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Lorsque de l'oxygène doit être enlevé du métal contenu dans le bain, on préfère se servir aussi d'un dé- soxydant gazeux, au lieu ou en plus de la couverture de carbone. Le métal peut être pris sous forme solide ou liquide, le soufre et autres impuretés métalliques étant de préférence enlevés. Par exemple le métal peut être pris d'un four à réverbère juste avant la phase de cou- lée usuelle. Un moyen de production de cet agent gazeux consiste à engendrer de l'oxyde de carbone à l'extérieur et à l'introduitre dans le four.
On peut aussi produire de manière semblable un gaz composé comprenant de l'oxyde de carbone, de l'azote et de faibles quantités de bioxyde de carbone, ce gaz étant quelque peu moins coûteux. Ou bien on peut introduire du bioxyde de carbone, ou de fai- bles quantités d'air exactement contrôlées, qui, par réaction avec la couverture de carbone, produisent de l'oxyde de carbone. Une entrée réglable 31 peut être utilisée pour l'introduction de l'un quelconque de ces gaz.
Si les gaz désoxydants ou inertes sont amenés en continu et s'échappent en continu du four, ils rédui- sent la quantité d'hydrogène qui peut être présent dans le métal, aussi bien que l'oxygène. Ce résultat s'obtient du fait de la tendance de l'hydrogène, aidée par la cir- culation du métal, à s'échapper du bain et à se mélanger avec les autres gaz ou à les diluer, et à être enlevé avec eux. Tant qu'on introduit du gaz frais libre d'hy- drogène, l'hydrogène du bain se mélange avec ce gaz et on peut obtenir l'enlèvement de l'hydrogène par dilution.
Si le four ne comporte pas d'ouvertures de sor- tie de gaz régulières, il existe toujours un certain échappement de gaz par des fentes ou pores par suite de la pression gazeuse régnant dans le four. Cette pression reste toujours supérieure à la pression atmosphérique, que le gaz soit injecté ou qu'il soit produit uniquement
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par l'action du carbone sur les impuretés du métal.
Après avoir obtenu dans le four du métal libre d'oxygène, il est ensuite nécessaire de l'obtenir à l'é- tat solide, sous forme de barres, de plaques, de tubes, de billets, de lopins, etc... Cette partie du procédé doit être effectuée avec le maximum de soin car la réab- sorption de l'oxygène dans le métal a lieu avec une ra- pidité extrême, et des quantités même faibles d'oxygène suffisent à souiller le métal. Dans des procédés connus, le métal est exposé à l'air en un point ou l'autre, et ceci n'est pas admissible. Le métal doit être complète- ment protégé jusqu'à ce qu'il soit refroidi au point où il ne réabsorbe plus de gaz nuisibles. Comme l'oxygène n'est plus réabsorbé après solidification du métal, il est nécessaire de protéger ce métal jusqu'à ce point au moins.
L'Inventeur a trouvé que la protection requise ne peut être assurée que par une construction enveloppan- te et par une enveloppe de gaz close pour le métal, pen- dant qu'il est versé et par une construction enveloppante ou une couverture protectrice pendant qu'il refroidit. De préférence la construction enveloppante est en forme de conduit disposé de façon à envelopper le courant de dé- versement. Cette disposition non seulement permet l'accès et l'inspection par les opérateurs, ce qui ne serait pas possible par exemple avec des enveloppes logeant l'ensem- ble de l'appareil de coulée, mais assure en outre une ap- plication et une conservation convenables du gaz protec- teur. Elle protège aussi complètement l'opérateur contre les gaz nuisibles.
Le dispositif d'enveloppement pour la coulée doit être articulé pour tenir compte des mouvements d'in- clinaison du four pendant la coulée. Dans l'exemple re- présenté, l'orifice de coulée 32 est disposé sur un côté du plan vertical central du four cylindrique et le
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métal est versé de l'orifice lorsque le four tourne sur ses supports, L'articulation est assurée dans ce cas par des plaques de revêtement sur le four 30 et par le cha- peau protecteur 33 pour le courant ou jet. Les plaques sont assemblées les unes aux autres par des moyens appro- priés quelconques, de préférence élastiques.
Dans certains cas le chapeau ou hotte peut être prolongé et disposé de façon à faire directement joint avec un moule à billettes 43, mais un entonnoir peut être parfois désirable, notamment lorsqu'on coule dans de peti- tes ouvertures, et on a représenté un semblable entonnoir.
Il est logé à l'intérieur de l'enveloppe 42 qui est jointoyée avec le moule à billettes et est reliée au cha- peau 33. L'enveloppe et le chapeau, ou le moule, sont disposés pour un léger mouvement vertical en vue d'éta- blir et de rompre le contact avant et après la coulée.
Il est désirable que l'opérateur puisse en tout temps contrôler les opérations de coulée, et on a prévu dans ce but dans le conduit ou couloir de coulée des regards pourvus de glaces étanches. Dans le présent exemple il existe trois regards 47,48, 49, qui assurent des directions de vision telles qu'indiquées par les traits mixtes, vers l'orifice de coulée, l'entonnoir, le jet sortant de l'entonnoir, le sommet du moule et le fond du moule.
Un écumoir 37 peut être prévu dans le four pour retenir la scorie. Des radiateurs électriques 39 et 44, ou d'autres moyens de chauffage he provoquant pas de contamination du métal peuvent être employés à l'orifi- ce et à l'entonnoir, pour maintenir le métal en fusion en ces points, où il tendrait sans cela à se solidifier entre des coulées.
Le moule et le conduit le reliant au four peu- vent être rempli.s d'un gaz inerte ou désoxydant tel que de l'oxyde )de carbone, du gaz d'éclairage ou de l'azote,
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à une pression supérieure à la pression atmosphérique, de sorte qu'il peut se produire une certaine fuite à l'exté- rieur mais aucune entrée d'air à l'intérieur.
Ce gaz peut être introduit du four, ou peut être engendré dans le moule ou le conduit, ou peut. être intro- duit dans le moule ou le conduit de sources autres que le four. Lorsqu'il est amené du four, il passe par un con- duit de détour 38 au delà de l'écumoir , dans le chapeau et de là par les ouvertures de coin 50 au delà de l'en- tonnoir dans le moule. Avant de commencer la coulée, le fond 45 du moule est enlevé pour permettre aux gaz d'ex- pulser l'air de ce moule. Lorsque les gaz sont amenés sé- parément au conduit, ils peuvent être injectés par une ad- mission 46 dans l'enveloppe de l'entonnoir, auquel cas le conduit de détour peut être fermé, à moins qu'on désire que les gaz montent d'en-dessous dans l'intérieur du four.
Cette dernière méthode comporte certains avantages lorsque le conduit de détour n'est pas bouché, car s'il existe des poussières provenant du four, elles ne peuvent pas suivre le métal dans le moule.
Lorsque le métal contenu dans le four est ini- tialement libre d'oxygène, il est avantageux d'employer le gaz inerte seul, au lieu du gaz désoxydant, dans le conduit et le moule.
Avant de couler le métal dans les moules à bil- lettes, ces moules sont soigneusement nettoyés à l'inté- rieur et sont enduits d'une substance désoxydante appro- priée, de préférence de noir animal.
Les billettes sont de préférence coulées dans des moules verticaux profonds, et la coulée est conduite assez lentement pour assurer la solidification du fon vers le haut, lorsque les moules sont froids, afin de re- fouler les gaz vers le haut et d'éviter ainsi qu'ils soient retenus dans le métal ce qui nuirait à la qualité de ce dernier.
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Il est important de maintenir une température de coulée uniforme, et dans ce but le conjoncteur de cou- rant menant aux éléments de chauffage 34 est contrôlé par un pyromètre 51 et par des relais appropriés Rl, R2, etc... de la manière connue pour le contrôle de conjonc- teurs de force au moyen de pyromètres. Le pyromètre doit être logé dans un tube de silicate d'alumine, fermé à l'extrémité interne, pour le protéger du métal. On ne connaît aucune matière pouvant servir d'enveloppe et ré- sistant à l'action de l'oxygène dans le métal fondu, mais on peut se servir du pyromètre pour le contrôle car le métal contenu dans le four est libre d'oxygène au point d'employer un tube réfractaire et en conséquence un pyro- mètre.
Après la coulée et avant l'échappement du gaz protecteur, on couvre les billettes pour empêcher la réo- xydation. On se sert d'une couverture telle que du char- bon de bois finement pulvérisé, du chlorure de baryum. du chlorure de calcium, ou un gaz lourd, le charbon de bois étant préféré car il enlève l'oxygène de la surface au cas où de l'oxygène a été absorbé par une brève exposi- tion éventuelle. Parmi les substances de couverture men- tionnées se trouvent des scories métalliques dont l'em- ploi a été rejeté, mais dans leur utilisation dans la présente invention elles ne provoquent qu'une faible con- tamination superficielle, qui est admissible car l'extré- mité supérieure de la billette est de toute manière enle- vée. On laisse la scorie jusqu'à ce que le métal soit refroidi au-dessous du point où il réabsorbe des gaz de l'atmosphère.
Bien que le four d'induction utilisé dans le présent exemple soit préférable pour obtenir un chauffa- ge propre et une circulation parfaite du métal, il peut ne pas être le plus économique. Pour cette raison il peut être désirable de fournir une partie de la chaleur
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de fusion au métal avant qu'il entre dans le four 30. Si le métal contient beaucoup d'impuretés, il peut aussi être désirable de fondre et d'affiner partiellement le mé- tal avant de l'introduire dans le four 30. Dans ce but on a prévu un réchauffeur 15 comportant un dispositif de chauffage électrique, par exemple des radiateurs à ré- sistance 16, ou d'autres dispositifs de chauffage, et dans certains cas on prévoit le four de fusion 20 qui est chauffé inductivement.
Le réchauffeur en plus de ce qu'il fournit éco- nomiquement de la chaleur, peut être employé pour enlever le soufre éventuellement présent. Par exemple après in- troduction d'une charge 10 de métal brut par la porte 13 dans la chambre 12 au moyen du transporteur 11, on abaisse la porte 14 et un gaz, par exemple de l'hydrogè- ne (pour le cuivre) peut être injecté à l'admission 21 pour réduire le soufre et une certaine partie de l'oxygène aussi dès que le métal est suffisamment chauffé. Pour d'autres métaux et pour enlever d'autres impuretés on peut évidemment employer d'autres gaz, par exemple de l'oxyde de carbone pour du laiton, de l'aluminium, etc... Les gaz de combustion s'échappent par la sortie 23.
Les charges sont transportées par le transporteur 17 tout en étant chauffées et sont finalement déchargées dans le four de fusion 20, lorsqu'on se sert de ce four.
Lorsqu'on se sert d'hydrogène, le bain contenu dans le four 20 reste découvert et l'action continue par suite de la circulation produite par le chauffage à induc- tion. Le procédé mis en oeuvre dans le four 30 est ap- proprié pour l'enlèvement d'une partie de l'hydrogène res- té dans le métal.
Un orifice de coulée 24, protégé contre la sor- tie de la matière de couverture comme l'orifice 33, et chauffé lui aussi par un dispositif ne provoquant pas de contamination, peut être employé pour faire passer le métal
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au four 30. Un chapeau articulé 25 constitue une fer- meture pour des gaz désoxydants ou inertes coulant du four 30 vers le four 20, dans le but de protéger le métal pendant qu'il est versé.
Au lieu de se servir d'hydrogène pour enlever le soufre on peut aussi se servir d'air, si le bain con- tenu dans le four 20 est protégé par une couverture ap- propriéetelle que du carbone. Lorsqu'on se sert d'air, la porte interne 14 reste ouverte en permanence et après introduction d'une charge, la porte externe 13 reste ouverte dans une faible mesure pour admettre la pe- tite quantité d'air requise. Les fumées d'échappement peuvent s'échapper par l'ouverture 21 ou par un autre près évent prévu/de l'extrémité four de la chambre de réchauf- fage l'autre évent 23 étant fermé dans cette opération.
L'air forme évidemment des oxydes additionnels dans le métal, mais ces oxydes sont réduits sous la cou- verture de carbone dans le bain du four 20 et tout res- te est complètement enlevé dans le four 30.
Il peut être désira-ble de couvrir le bain dans le four 20 de carbone même lorsque de l'hydrogène est employé dans le réchauffeur pour enlever le soufre et l'oxygène. Dans ce cas et si la teneur initiale en oxy- gène est faible, il peut arriver que le carbone enlève tout le résidu d'oxygène ou le réduit à une très faible quantité et que le métal peut être versé directement du four 20 dans les moules. En pareil cas la protection pendant et après la coulée doit être assurée de la maniè- re décrite pour le métal du four 30.
Dans toutes les variantes du procédé ci-dessus décrit, le métal est traité dans une atmosphère inerte ou réductrice, qui d'ordinaire est maintenue, en partie au moins, par une couverture de carbone sur le bain. D'autre part le métal est fondu ou maintenu à l'état de fusion à l'intérieur d'un four électrique d'induction chauffé de
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manière à engendrer une'circulation par chauffage et ef- fets électriques de façon à amener à reprises fréquentes tout le métal à la surface pour faire contact avec le carbone ou l'atmosphère réductrice.
L'assurance d'obtenir du métal.pur à l'état fi- nal est donnée par le soin extrême pris.pour protéger le courant fondu à l'aide d'enveloppes étanches et le con- tact d'un gaz lorsque le métal est déversé pendant la coulée et aussi en couvrant le métal dans les moules jus- qu'à ce qu'il passe de l'état de fusion à l'état solide.
On évite de cette manière la combinaison d'hydrogène et d'oxygène dans le métal' fondu au stage final et on ob- tient un métal sain. Les gaz restants peuvent être faci- lement enlevés en travaillant à chaud le métal à l'état solide.
On peut enlever à la fin du procédé certaines impuretés qui diminuent la conductivité électrique du cuivre, par exemple le fer, l'arsenic et le silicium. Il est d'ordinaire plus désirable de produire un métal sain libre d'oxygène, qu'un métal possédant le maximum de conductivité. Mais si on désire une grande conductivité électrique, elle peut être assurée en admettant une fai- ble quantité contrôlée d'air ou d'oxygène au courant de métal pendant la coulée, par exemple au moyen du tuyau 57. Cet air ou oxygène oxyde le fer et augmente la con- ductivité du métal.
En cas d'admission d'oxygène il faut prévoir de grandes quantités de gaz inerte à l'oxygène, tel que C02 et Az, et seulement une quantité relativement faiblP de gaz s'oxydant, tel que CO, auquel cas l'oxygène attaque de préférence le fer dans le cuivre fondu, au lieu du gaz CO. On peut utiliser du bioxyde de carbone seul. En aucun cas la quantité d'oxygène dans le métal final doit dépasser la quantité requise pour se combiner avec les impuretés oxydables. On évite ainsi de former des quantités nuisibles de vapeur d'eau par combinaison
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de l'oxygène avec l'hydrogène dans le métal se solidifiant.
On sait que de faibles quantités d'oxygène et d'hydrogène peuvent exister dans le métal fondu, et si on n'introduit de nouveau que la quantité requise d'oxygène, elle ne se combine qu'avec le fer, l'arsenic ou le silicium, et non pas avec l'hydrogène, lorsque cet hydrogène n'est présent qu'en faible quantité.
Le métal obtenu peut recevoir des formes diver- ses. Lorsqu'on se sert du métal en formes qui sont ensui- te usinées, il est préférable de se servir de moules pro- fonds et de couler verticalement. Les formes particuliè- res préférées sont des billettes rondes ; tiges à côtés parallèles et une extrémité au moins pointue, et des lin- gots dont les côtés sont à peu près parallèles.
Le métal obtenu au moyen du procédé ci-dessus décrit possède des caractéristiques physiques et de struc- . ture qui le différencient du métal obtenu par d'autres procédés connus, et ces caractéristiques peuvent être ob- servées par examen microscopique ou par des photomicro- graphes de spécimens convenablement préparés par polissa- ge et attaque à l'acide de sections de ce métal.
Dans les explications qui vont suivre on pren- dra le cuivre comme exemple spécifique eu égard au fait que les photomicrographes ci-dessous mentionnés ont été faits d'après des spécimens de cuivre, mais il est évident que des résultats similaires s'obtiennent avec d'autres métaux ou alliages non ferreux, qui à l'état de fusion ont une affinité marquée pour l'oxygène qui les endommage.
En général, le cuivre obtenu d'après le présent procédé possède les caractéristiques suivantes par les- quelles il peut être distingué d'autre cuivre. La première caractéristique du cuivre coulé obtenu d'après le procédé de l'invention, cuivre appelé dans la suite "libre d'oxy- gène", est relative à l'union intime entre le métal pur de cristaux voisins, et l'absence de toute matière étrangère
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entre ces cristaux.
'Le cuivre fondu commercial ordinaire qui sera appelé le cuivre "standard" contient de l'oxyde cuprique (CU20), et on sait que pendant la solidification du cuivre fondu, le cuivre pur se solidifie d'abord pour former des cristaux, et qu'ensuite à une température quel- que peu plus basse l'eutectique, qui dans ce cas est un mélange de cuivre et d'oxyde cuprique, se solidifie entre les faces des cristaux de cuivre en forme d'une couche ou d'une série de globules qui séparent le métal pur d'un cristal du métal pur des cristaux voisins. En se repor- tant par exemple à la fig. 2 qui est une microphvtogra- phie d'un spécimen poli et traité à l'acide de- cuivre standard, à un agrandissement de 1000 diamètres, on voit que les cristaux ou grains a sont séparés par les glo- bules nettement définis b d'oxyde. cuprique.
La fig. 3 est une reproduction d'une photomicrographie d'un spéci- men semblable, quelque peu plus fortement mordu à l'acide, au même agrandissement que la fig. 2. Dans cette derniè- re photographie) la séparation des cristaux par une cou- che de matière de séparation apparaît très clairement.
Les photographies 2 et 3 sont des illustrations typi- ques de cuivre standard obtenu par les méthodes ordinai- res.
Par contre, le cuivre fondu libre d'oxygène ob- tenu par le procédé ci-dessus ne contient pas d'eutecti- que, et il en résulte que le cuivre pur de chaque grain est en contact direct avec le métal pur des grains adja- cents, sans l'interposition d'une couche ou de,globules de séparation quelconques. La fig. 4 montre une repro- duction d'une photomicrographie d'un spécimen poli et mordu à l'acide de cuivre libre d'oxygène à un agrandis- sement de 75 diamètres. On voit que les limites des grains sont nettes et montrent le métal pur en contact direct. La fig. 5 est une reproduction d'une photomicro- graphie d'un spécimen semblable quelque peu plus f ortement
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mordu à l'acide, à un agrandissement de 1000 diamètres, montrant de nouveau les limites des grains.
Le contraste entre les fig. 3 et 5 prises à de relativement forts agrandissements identiques et de spécimens préparés pour l'examen par la même méthode, et montrant d'une part sur la fig, 3 la séparation des grains par une couche distinc- te, et d'autre part sur la fig. 5 le contact direct et l'absence de toute matière de séparation, sert à illustrer très clairement cette différence caractéristique de struc- ture entre le cuivre fondu standard et le cuivre fondu li- bre d'oxygène.
La deuxième caractéristique distinctive du cui- vre fondu libre d'oxygène concerne son manque relatif de porosité telle qu'observée d'ordinaire dans le cuivre stan- dard. On sait que le cuivre standard contient toujours un grand nombre de trous, dont beaucoup sont visibles et les autres microscopiques ; trous étant formés par l'évolu- tion de gaz pendant la solidification et le refroidissement.
Les parois de ces trous sont très souvent enduites d'une pellicule d'impuretés. La présence et la nature de ces trous sont aisément observables à l'examen microscopique.
Par exemple sur la fig. 6, qui est une reproduction d'une photomicrographie d'un spécimen de cuivre standard à un agrandissemenz de 100 diamètres, on peut voir les trous ± qui sont caractéristiques du cuivre standard.
Le cuivre libre d'oxygène possède un autre genre de porosité. Quelle que soit la théorie exacte quant aux raisons pour cette différence caractéristique, le fait ob- servable au microscope consiste en ce que tandis que dans le cuivre standard on voit des trous formés par le gaz, d'ordinaire de forme ronde, ovale ou irrégulière, on obser- ve dans le cuivre libre d'oxygène, premièrement des trous qui sont complètement ou presque complètement remplis par l'influx de métal, et deuxièmement des trous qui bien qu'incomplètement fermés ont été fortement resserrés par le
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rapprochement mutuel des parois. La fig. 7 montre une reproduction d'une photomicrographie à l'agrandissement de 100 diamètres d'un spécimen de cuivre fondu libre d'oxygène, dans laquelle on voit des trous d qui ont été remplis de métal.
La fig. 8 prise à un agrandisse- ment de 1000 diamètres montre un autre exemple d'un trou rempli, et la fig. 9, prise à un agrandissement de 2000 diamètres, est un exemple typique d'un trou contracté.
La troisième caractéristique distinctive du cuivre libre d'oxygène fondu concerne l'homogénéité du mé- tal. On sait que des essais ont été effectués pour ob- tenir du cuivre libre d'oxygène par addition d'agents dé- soxydants, tels que le phosphore, le baryum, le calcium ou d'autres métaux ou composés; au métal liquide, et on fabrique et vend un certain cuivre "spécial", qu'on peut appeler ainsi pour le distinguer du cuivre standard, trai- té de cette manière. La difficulté consiste à calculer avec précision la quantité appropriée de désoxydant à ajouter. Si la quantité est trop faible, de l'oxyde est encore présent dans le métal ; la quantité est trop forte, l'excès de désoxydant forme une solution avec le métal, ou forme un nouveau constituant de structure.
En tout cas, même si la quantité d'agent désoxydant est cal- culée avec précision le produit de sa réaction avec l'o- xyde reste dans le métal et peut être décelé par l'exa- men approprié du spécimen, et si la quantité est calculée de façon inexacte, on peut aussi le déceler. Des spéci- mens de cuivre libre d'oxygène d'après l'invention, exa- minés au microscope-, montrent en plus des caractéristi- ques de limites nettes et de porosité spéciale, déjà dé- crites une surface homogène. D'autre part le cuivre spécial dans lequel on s'est servi de désoxydants qui peuvent entrer en solution solide, montre d'ordinaire au microscope' des surfaces marbrées avec des aires sombres et lumineuses irrégulières, qui indiquent que les cristaux
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sont hétérogènes dans leur composition.
Si le spécimen examiné est un spécimen dans lequel l'agent désoxydant n'entre pas en solution solide, des traces du produit ré- sultant sont trouvées dans le métal comme inclusions sé- parées.
Le cuivre fondu libre d'oxygène peut aussi être facilement distingué par examen microscopique d'un cuivre obtenu par dépôt galvanique ou d'un cuivre de cathode,qui évidemment est libre d'oxygène. Dans le cuivre fondu li- bre d'oxygène, l'orientation des cristaux est irrégulière.
Dans le cuivre galvanique, les grains sont uniformément orientés, et sont disposés perpendiculairement à la surfa- ce de la cathode.
Le cuivre fondu libre d'oxygène de l'invention contient d'ordinaire de faibles quantités d'autres subs- tances métalliques, telles que présentes dans le cuivre électrolytique du commerce. Mais en raison de l'absence d'oxygène, une partie de ces substances métalliques en- trent en solution solide avec le cuivre, et contribuent probablement aux caractéristiques physiques du cuivre, telles que l'augmentation de résistance, que le cuivre chimiquement pur ne possède pas. En conséquence le cuivre fabriqué d'après l'invention peut être distingué du cuivre chimiquement pur par la présence de ces substances métal- liques qui peuvent être décelées par analyse chimique ou photomicrographique même si leur présence n'est pas obser- vable à l'examen microscopique.