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L'objet de la présente invention est un procédé de coulée par aluminothermie permettant, en particulier, de réparer de très grosses pié- ces, ou de les former, en soudant en bout d'une pièce ou entre des pièces existantes, une grosse masse de métal. L'invention permet aussi l'élabora- tion complète de pièces par coulée d'aciers spécialement préparables par aluminothermie.
La technique actuelle pour la réparation ou l'assemblage par aluminothermie est la suivante
La réaction aluminothermique produit un acier à 2.8000 que l'on fait couler entré deux parties à souder. Ces deux parties à souder sont plus ou moins espacées suivant l'importance de la section. Cet in- tervalle s'appelle, en termesde métier, l'intercalaire. Il est complété par des bossages qui sont par la suite enlevés lors du parachèvement de la pièce coulée. Les extrémités des deux parties à souder sont préalable- ment portées à une température égale à 850 . Ce préchauffage sert à la fois à sécher le sable qui entoure les pièces et à conserver le volume dans lequel se fera la coulée. La réaction aluminothermique est produite dans un creuset dont le revêtement est fait en magnésie.
On débouche le creuset au moyen d'un simple clou, qui est isolé du mélange aluminother- mique par une petite rondelle d'amiante et une couche de magnésie, On ar- rache le clou avec un outil approprié ou de préférence avec une pelle à balancer.
Pour déterminer l'écartement des parties à assembler et pour connaître le volume capable de recevoir une masse en fusion pouvant céder une quantité suffisante de calories, la technique allemande a établi une formule algébrique bien connue qui donne pour un diamètre déterminé la va- leur de l'intercalaire et les dimensions du bossage.
Cette formule est exacte jusqu'à un certain diamètre ne dépassant pas 350 mm. A partir de 350 mm de diamètre, les dimensions ainsi calculées de l'intercalaire et du bossage sont insuffsiantes. Pour les très grandes dimensions de cassures et pour les pièces non cylindriques,la formule est entièrement fausse de tsl le sorte qu'en appliquant celle-ci, on ne peut obtenir aucune soudure correcte. La masse de métal coulée est dans ce cas in- suffisante et nâpporte pas assez de calories pour faire une fusion.
Expérimentalement,la demanderesse a constaté l'inexactitude des dimensions des intercalaires calculées d'après la méthode rappelée ci-dessus. Selon l'invention, les intercalaires doivent être plusieurs fois supérieurs aux épaisseurs fixées par la technique actuelle si l'on veut reconstituer le métal manquant et fusionner celui-ci avec le métal des pièces à joindre.
La technique actuelle de 1'aluminothermie ne peut pas non plus, dans certains cas,être appliquée, notamment lorsque la masse des intercalaires nécessaires dépasse ce que l'on a pu faire jusqu'à ce jour dans le domaine de la réparation ou de l'assemblage de grosses pièces par la méthode des intercalaires coulés.
La masse de métal que l'on peut traiter dans un creuset aluminothermique est limitée. Au delà d'une certaine masse, la réaction prend une allure dangereuse et tend à devenir explosive. Il faut donc s'efforcer de maîtriser la vitesse de réaction. Mais si l'on veut élaborer rapidement une grande masse de métal, on rencontre une nouvelle difficulté; l'écoulement est ralenti parce que l'orifice de coulée ne peut pas être trop large. Une coulée lente est défavorable à l'alimentation d'un grand volume d'intercalaire et de bossage.
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En pratique, on se trouve dans l'obligation de faire couler à très haute température et très vite une masse de métal pouvant être, dans certains cas, de l'ordre de 10 tonnes d'acier.
L'invention permet d'éviter les inconvénients des procédés aluminothermiques actuels et de résliser les coulées dans des conditions favorables. C'est ainsi qu'il a été reconnu particulièrement avantageux de fractionner la masse aluminothermique en autant de creusets qu'il le faut pour obtenir au total une masse de métal, même très importante, et la couler très rapidement et à très haute température.
Selon ce procédé, les coulées de tous les creusets se font presque simultanément et sont réunies pour former une seule.coulée propre à alimenter en un temps très-court l'intercalaire et les bossageso Une autre caractéristique de l'invention consiste en ce que dans aucun de ces creusets, la masse aluminothermique mise en oeuvre ne pose une question de sécurité ou de ralentissement de la coulée, les diverses opérations de mises de feu et de débouchages des creuséts étant faites aussi simultanément que possible.
Dans le cas d'une réparation, les pièces à joindre sont préparées pour pouvoir être mises en place dans un moule garni de sable, en présentant entre elles des intercalaires de dimensions suffisantes pour que le métal provenant des creusets provoque la fusion du métal des pièces à réunir jusqu'à une certaine profondeur, les intercalaires et les pièces elles-mêmes étant, préalablement à la coulée, échauffés à une température supérieure à 850 C. grâce par exemple à la combustion de gaz propane.
Ce gaz et l'air nécessaire à sa combustion, sont amenés à l'endroit voulu au moyen de passages aménagés dans le moule en sable, la longueur des passages et les pressions utilisées étant tels que l'on obtienne une combustion complète sans dépôt de carbone, limitée au voisinage immédiat des pièces à échauffer.
L'invention se caractérise donc par les dispositions suivantes.
On enlève éventuellement de la matière aux parties à assembler qui se font face, et on place les parties à assembler, aux endroits convenables, dans une masse de sable, en laissant entre elles des intervalles et des creux de bossage plus grands que ceux prévus au moyen de méthodes connues, le volume de ces intervalles et de ces creux pouvant admettre une masse de métal d'apport capable de fusionner avec les pièces à raccorder, après que ces dernières ont été préalablement réchauffées vers 850 C.
On ménage dans le sable, des passages servant à amener depuis l'extérieur du moule jusqu'aux parties à réchauffer, du gaz et de l'air, de telle sorte que la combustion se fasse uniquement dans la chambre de coulée formée par les intervalles et les creux de bossages; sur le dessus de la masse de sable qui entoure les pièces à joindre et qui est maintenue latéralement par tout entourage approprié, on prépare les moyens de coulée aboutissant aux intercalaires et creux de bossage et débouchant dans au moins un entonnoir; au dessus des moyens de réception et de guidage dans le moule du métal élaboré, on arrange un nombre suffisant de creusets pour constituer la masse totale de métal désirée, chacun des creusets étant garni d'une certaine quantité de composition aluminothermique ne dépassant pratiquement pas 300 kilogrammes;
On allume le plus simultanément possible les creusets et, après l'achèvement de la réaction, on les débouche pratiquement tous en même temps, de manière à libérer rapidement la masse totale de métal en fusion et à remplir les intercalaires et les creux de bossages tout en provoquant la fusion sur une certaine profondeur du métal des pièces à joindre, au voisinage de la jonction.
La suite des opérations consiste à laisser refroidir les pièces avant de démouler.
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A titre d'exemples pour couler de l'acier à partir d'un poids total de 10 tonnes de mélange aluminothermique, on Utilise entre 33 et
40 creusets qui renferment chacun de 250 à 300 kilogrammes de mélange.
La réaction s'achève complètement et sans danger, en un temps qui peut ne pas excéder 90 secondes.
Le procédé selon l'invention peut s'appliquer, en raison du tan- nage d'acier qui peut être coulé, non seulement à la réparation, mais enco- re à la fabrication de pièces moulées neuves de dimensions relativement im- portantes
On peut, en particulier, envisager la construction de grosses pièces par coulée successive de diverses parties, assemblées ensuite par coulée de parties*intermédiaires, le procédé de l'invention étant appliqué au moins pour ces dernières et pouvant l'être pour toutes.
Si la composition de l'acier dans chaque coulée est différente, on peut constituer ainsi des pièces mixtes dans lesquelles les quantités locales du métal sont appropriées aux mieux au travail de la pièce.
On a vu précédemment que l'une des caractéristiques de l'inven- tion consiste à échauffer les pièces jusqu'à une température supérieure à 850 C., par exemple par combustion de gaz propaneo Ce gaz et l'air né- cessaire, sont amenés par des passages ménagés dans le moule en sable, de telle sorte que la combustion se fasse uniquement au voisinage des parties à échauffer.
Un moyen de réalisation de cette caractéristique de l'invention sera maintenant décrit plus en détailo
Pour assurer une combustion complète du mélange air-gaz nécessaire à une bonne mise en oeuvre de l'invention, on introduit le mélange combustible dans le moule en sable, aux endroits appropriés, au moyen de tubes qui constituent les passages mentionnés ci-avant. Ce mélange combustible est préparé, extérieurement au moule, dans les brûleurs fixés à l'extrémité correspondante des tubeso
Dans chaque brûleur, l'air est entraîné par un courant de gaz combustible sous pression, issu d'un bec percé d'au moins un orifice approprié, à travers un étranglement convergent-divergent.
Chaque brdleur est caractérisé par le fait que le corps du brûleur, tubulaire et percé en son milieu d'une large fenêtre de rentrée d'air, reçoit intérieurement un des tubes mentionnés ci-avant et dont l'extrémité, fixée en avant de la dite fenêtre est, par rétreinte locale, mise en forme voulue pour faire office de convergent-divergent (Venturi). Ce tube est prolongé autant que nécessai- re, pour guider le mélange combustible à travers le moule jusqu'au lieu où on le fait -brûler.
Sur la partie du corps tubulaire, en arrière de la dite fenêtre, est fixé un tronçon de tube cylindrique qui présente dans les plans radiaux perpendiculaires l'un sur l'autre, deux saignées parallèles à l'axe dont l'une a toute la longueur de ce tronçon, tandis que l'autre est ouverte seulement à l'avant et est fermée à une certaine distance de l'arrière du dit tronçon.
Dans ce dernier débouche un conduit d'amenée du gaz ayant, dans sa partier: médiane, un diamètre tel qu'il prisse coulisser librement dans le tronçon muni de fentes longitudinales tout en y étant guidé. La première nommée des deux saignées permet l'introduction du dit conduit et est munie, vers l'avant qui porte le bec, d'un taquet méplat, lequel, tourné d'un quart de tour et dégagé en avant du tronçon de guidage, peut être engagé vers l'arrière dans la deuxième nommée des deux saignéeso La rotation d'un quart de tour amène une partie faisant fourche et qui est munie d'un verrou mobile, à ve-
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nir embrasser, en avant et en arrière de ce verrou, une tige filetée lon- gitudinalement, sur la partie arrière du corps du brûleur.
La dite fourche ne peut tourner sur le conduit d'amenée quand le taquet méplat est engagé dans sa rainure d guidage, et permet, quand on actionne l'écrou, de régler la position longitudinale du bec par rapport au Venturi. Le conduit d'amenée, qui porte à son arrière une embouchure recevant d'une façon connue le tuyau d'arrivée du gaz, peut être assujetti en place, après réglage, par la pression d'une vis papillon se vissant transversalement à travers le corps tubulaire et le tronçon de guidage.
Les figures annexées montrent, très schématiquement, et à titre d'exemple non limitatif, un brûleur suivant 1-*invention.
Dans ces figures, la figure 1 est une coupe élévation avec deux demi-coupes du tube d'amenée du gaz, en position d'introduction et en position de guidage.
Les figures 2, 3, 4 et 5 correspondent aux coupes transversales A, B, C et D à différentes places
Le corps du brûleur est indiqué en (1) et la fenêtre d'entrée d'air en (2).
Le tronçon de guidage (3) est fixé concentriquement dans (1).
Il comporte la fente longitudinale (4) et la fente de guidage (5) ouverte seulement vers l'avant.
A l'avant de la fenêtre (2), le corps (1) reçoit le tube (6) rétreint en (7) et raccordé en (8) à (1) qui forme Venturi.
Le tube (9) d'arrivée du gaz est guidé dans sa partie médiane en.,(3) et est muni à l'avant du bec (11) vissé sur lui. Le bec (11) est convenablement percé et profilé extérieurement pour le bon écoulement de l'air entraîné dans le Venturi.
En arrière du bec (11), le tube (9) le taquet méplat (12), qui permet la mise en place de -(9) en passant à travers la fente (4) de (3), et, après orientation et recul de (9) s'engage en étant guidé dans la fente (5) de (3), fente qui est fermée à l'arrière.
Dans cette rotation, la fourche (13) fixée sur (9) vient buter en l'entourant contre une vis (14) fixée sur le corps (1), parallëlement à l'axe du brûleunr. Un écrou (15) déplagable sur (14) par vissage vient se loger dans un évidement (16) de la fourche (13) et immobilise ainsi longitudinalement le tube (9) tandis qu'en se logeant dans la fente (5) le tequet (12) immobilise ce tube dans le sens de la rotation. On peut donc, en agissant sur (15), régler exactement la position du bec (II), par rapport à la fenêtre (2) et au Venturi (7), c'est-à-dire régler l'entraînement et la richesse du mélange alimentant le tube (6).
Le tube (5) est muni à l'arrière d'une partie (17) avec des ressauts concentriques (18), pour recevoir le raccord du tuyau souple amenant le gaz combustible sous pression.
Une vis papillon (19) vissée dans (1) et (3), permet un blocage de (9) complétant l'action de l'écrou de réglage (15)a
Le fonctionnement est évident d'après la description précédente.
On réalise avec ce dispositif un brûleur dont le réglage est très étendu et très précis, ce brûleur étant cependant réalisé avec des organes simples, robustes, dont le démontage rapide permet facilement l'accès du bec ainsi
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que son' remplacement, par'exemple.
On ne sortirait pas de l'invention si, au lieu de pièces tubu- laires soudées les unes dans les autres,on utilisait des pièces coulées de forme et de fonctions similaires ou d'autres variantes de réalisationo
La première partie du présent mémoire descriptif se réfère aussi à une autre caractéristique de l'invention qui sera analysée en dé- tail ci-après.
Il a été dit au début de l'exposé que l'invention concerne un procédé de coulée par aluminothermie.
Cette technique est basée sur la propriété de l'aluminium de réduire l'oxyde de fer en produisant du fer métallique en fusion à très haute température, suivant la réaction chimique
2 Al + Fe203 = 2 Fe + Al2O3
Le fer en fusion issu de cette réaction est utilisé pour la soudure des pièces métalliques entr-elles.
Divers dispositifs connus sont utilisés pour déclencher cette réaction chimique entre l'oxyde de fer et l'aluminium,et pour recueillir le fer en fusion à très haute température ainsi produit.
Le plus simple de ces dispositifs consiste en un creuset de forme tronconique, garni de réfractaire et comportant à sa petite base, un orifice de vidange obturé par un clou et une rondelle d'amiante. Cette obturation se fait à l'occasion de la préparation ou du chargement du creuset; le mélange aluminothermique d'oxyde de fer et d'aluminium pulvérulent est disposé dans ce creuset en vue de la réaction chimique à obtenir.
Lorifice de la petite base du creuset est débouché après accom- plissement de la réaction du mélange, et le métal élaboré s'écoule, par gravité, dans le moule de soudure que le creuset surmonte.
Comme on l'a dit ci-dessus, la quantité de métal qui peut être obtenue normalement au moyen d'un seul creuset est limitée par le danger de déflagration du mélange qui croît en même temps que la masse de matière en réaction augmente.
En pratique, on est limité à une masse de mélange aluminothermique de 300 kgs. au maximum par creuset.
Lorsqu'il s'agit de réparer, en ressoudant entr'eux les morceaux de grosses ou de très grosses pièces métalliques cassées; fissurées, ou encore mises hors de service par accident ou pour quélqu'autre cause, et dont la réparation semble économique, ou est imposée par d'impérieuses nécessités industrielles d'exploitation, on est conduit à disposer au-dessus du moule prévu pour la soudure de ces pièces, un grand, et parfois un très grand nombre de creusets de réaction. A titre d'exemple non limitatif, la réparation par soudure alumino-thermique d'un pot de grosse presse hydraulique d'extrusion, nécessite 15 creusets de 300 Kgs chacun.
Dans une telle opération, les 15 creusets doivent obligatoirement être placés au-dessus du moule de soudure et il est nécessaire.de prévoir dans celui-ci, sous l'orifice de vidange de chacun des creusets, un trou de coulée prolongeant l'entonnoir habituel, afin de conduire le métal aux divers endroits prévus dans le moule pour la bonne exécution de la soudure.
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Cette pratique dont il semble qu'on ne puisse s'affranchir, oblige à prévoir au-dessus du moule de soudure, une surface disponible tellement importante, du fait de l'encombrement de chaque creuset, qu'elle devient une disposition absolument incompatible avec la réaction économique de l'opération, indépendamment du grand nombre de points de pénétration du métal dans le moule de soudure, et dont la position ne peut être qu'irrationnelle pour la réalisation de cette dernièreo
Le dispositif, objet de la présente invention, permet de ramener la surface supérieure du moule à des dimensions mieux en rapport avec celles de la pièce à souder, de choisir l'emplacement des points de pénétration du métal alumino-thermique en fusion dans le moule, et de réduire leur nombre.
Ce dispositif consiste en un pont de coulée supportant tous les creusets nécessités par l'importance de l'opération, quel qu'en soit le nombre, et comportant en outre sous les creusets, mais faisant corps également avec le pont, un réseau de canaux aboutissant à un ou plusieurs chenaux collecteurs destinés à accumuler à et distribuer le métal aux points choisis du moule.
En variante, et selon le nombre de creusets nécessaires, le réseau de canaux peut être supprimé, les creusets peuvent être alignés en une ou plusieurs files et déboucher directement dans le ou les chenaux collecteurs.
A chaque chenal collecteur peut correspondre un trou de coulée surmonté de son entonnoir; toutefois, lorsque le pont de coulée comporte plusieurs chenaux collecteurs, ceux-ci peuvent être réunis à leur extrémité la plus basse, et déverser dans un seul entonnoir de coulée, le métal en fusion qu'ils ont recueilli lors du débouchage des creusets.
Dans une forme préférée de réalisation, le pont de coulée suivant l'invention est monté sur des piliers télescopiques munis de roues de sorte qu'il puisse se déplacer comme un portique, en restant au dessus du moule de soudure.
Le pont mobile peut ainsi être garni de tous ses creusets, alors qu'il se trouve non pas au dessus du moule de soudure mais à proximitéo
La réaction chimique du mélange alumino-thermique peut être alors déclenchée très commodément, à distance, par allumage électrique, ou pyrophorique, ou par tout autre moyen.
A la fin de la réaction qui a élaboré du métal en fusion et à haute température, le pont mobile de coulée est amené par roulement jusqu'au-dessus du moule de soudure, de telle façon que l'orifice (ou les orifices) de ses chenaux collecteurs se trouve à l'aplomb des entonnoirs de coulée, prévus aux endroits voulus pour la bonne alimentation du moule de soudure.
Lorsque le pont mobile de coulée est en position convenable, après la réaction, on procède au débouchage des creusets, conformément à l'invention, au moyen d'un système de tringlage articulé ou rotatif, agissant par des leviers, simultanément sur tous les clous d'obturation des orifices de vidanges des creusets.
A partir de ce moment, la masse totale de métal qui était répartie entre les creusets, se rassemble dans les chenaux collecteurs, d'où elle s'écoule,par gravité, dans les entonnoirs de coulée prévus sur le moule de soudure.
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La mobilité du pont de coulée permet accessoirement, dès que le métal en fusion contenu dans chaque creuset s'est écoulé, d'évacuer l'alumi- ne (Al2O3) qui, après la réaction, surmontait le bain de métal dans les creu- sets.
Au lieu d'un pont de coulée déplagable sur roues, on peut utili- ser un pont de coulée qui peut être posé sur des plateaux d'assise prévus à cet effet autour des moules. Dans ce cas, après avoir préparé le moule sans entrave, le pont de coulée est mis en place au-dessus de lui, par tout moyen de levage approprié, sur ses pièces d'assise. Comme dans le disposi- tif sur roue, on garde l'avantage de la mobilité du pont de coulée puisqu'il est possible d'écarter celui-ci durant les opérations de préparations du moule et après les opérations de couléeo
Malgré la multiplicité des creusets, imposée par la notion de masse critique et par l'obligation de produire un tonnage de métal important, le dispositif suivant l'invention permet de réduire la surface supérieure du moule et son volume en même temps que le nombre des trous de coulée.
On peut à la fois obtenir en un temps très court une grande masse de métal par aluminothermie et utiliser cette masse au moment et au point voulus.
Enfin, on réalise une excellente homogénéité grâce awmélange et au brassage du métal qui s'écoule des différents creusets dans les chenaux collecteurs.
Les figures annexées, et leur description permettront de mieux précisér le dispositif de l'invention en montrant, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de cette partie de l'inventiono
La figure I est une élévation longitudinale, schématique, du dispositif.
La figure 2 est une élévation transversale correspondante avec des coupes partielles.
Dans ces figures, les mêmes parties sont désignées par les mêmes numéros de référence.
Sur une plate-forme supérieure (I) sont disposés les creusets (2) en nombre voulu, par exemple quinze creusets en trois files de cinq.
Les orifices de coulée (3) de ces creusets sont débouchables de la manière décrite, en enfonçant au moment de la coulée une tige (4) qui soulève une rondelle obturatriceo Le soulèvement de ces tiges est, par exemple, obtenu par la percussion de masses (5) fixées à des bras (6) montés sur des tiges (7) qui tournent dans des paliers (8). Ces tiges (7) sont par exemple au nombre d'une par file de creusets, les masses (5) agissant simultanément quand la tige (7) correspondante est manoeuvré par un levier (9) attaché à une extrémitéo
Le châssis (I) est supporté par des montants tubulaires verticaux (II) convenablement entretoisés et reliés entr'eux pour la stabilité.
De préférence, ces montants (II) coulissent à l'extérieur de mon- tants tubulaires dont les bases (12) reposent sur un châssis inférieur (13) portant des roues (14) qui peuvent rouler sur des rails (15).
Des vérins hydrauliques, ou autres,non figurés, agissent entre les montants tubulaires (il) et l'assise inférieure (13) pour permettre une surélévation de l'ensemble du pont au-dessus du sol, à une hauteur adap-
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tée à celle du moule à alimenter.
Cette hauteur peut être maintenue par des chevilles enfoncées dans des trous (16) dans les montants tubulaires (11) en coïncidence avec des trous percés dans le montant intérieur.
Les coulées de chaque file de creusets (2) sont recueillies dans des chenaux collecteurs (17) montés obliquement sur l'horizontale et reposant sur des traverses (18). (19), (21), placées entre les montants tubulaires respectifs (il).
Ces chenaux collecteurs 17 aboutissent dans un compartiment inférieur commun (22), qui porte au moins un orifice de coulée (23), la partie (22- étant suffisamment en porte à faux, pour pouvoir être amenée exactement au dessus du trou de coulée du moule. Au lieu d'un compartiment (22) et d'un orifice (23), il peut y en avoir autant que de chenaux collecteurs ou que de groupes de chenaux collecteurs, et chaque partie (22) peut comporter le nombre désiré d'orifices de coulée (23) en correspondance avec les emplacements des trous de coulée du moule.
Le fonctionnement découle de la description et de l'examen même des figures.
Le dispositif ayant été préparé en un endroit éloigné du moule, peut être amené en place au dessus du moule par roulement, soit avant la réaction, soit immédiatement après ; orifices de coulée (23) doivent être placés au dessus des trous de coulée du moule.
En agissant alors simultanément sur les leviers (9), tous les clous (4) sont enfoncés et les creusets (2) sont de ce fait débouchés.
En abandonnant les leviers (9), les marteaux (5) dégagent les orifices de coulée.(3) et le métal est rassemblé et conduit par les chenaux collecteurs vers les trous de coulée (19) correspondantso
Le dispositif qui, jusqu'àu moment de la coulée était aloigné du moule, peut être préparé à l'aise, sans gêner nullement l'élification du moule.
Si l'allumage des creusets se fait avant la mise en place au dessus du moule, on peut éviter que les fumées de réaction envahissent le local de moulage.
Le chargement des creusets, leur mise en place, les préparations mécaniques des chenaux collecteurs et de l'ensemble du dispositif peuvent être faits sans utiliser les moyens de levage de l'atelier de coulée, et en éloignant de celui-ci les produits aluminothermiques pendant les manipulations préliminaires qui s'exécutent ainsi avec le maximum de sécuritéo
L'éloignement rapide de l'ensemble du dispositif du moule, après coulée, facilite le dégagement des scories chaudes et libère les environs du moule en vue de son démontage ultérieuro
Le dispositif sur semelles fixes peut être amené, monté en place et enlevé avec rapidité si le local de coulée est équipé des moyens de levage appropriés.
L'aluminothermie est la plus normale des opérations utilisables pour l'élaboration de métal, dans les creusets du dispositif, mais sans sortir de l'invention, tout mélange exothermique, dont la réaction en creuset permet l'élaboration d'un métal ou d'un.alliage quelconque, sera utilisable dans le cadre de l'invention.