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La présente invention se rapporte, en général, à un appareil et à un procédé pour le conditionnement des métaux en fu- sion, et particulièrement à un appareil et à des procédés pour extraire les gaz des métaux en fusion,- pour régler l'introduction de gaz dans les métaux en fusion, et pour homogénéiser des mélanges de métaux en fusion.
Il est bien-connu que, dans la solidification des mé- taux et alliages en fusion, des gaz sont fréquemment occlus dans ceux-ci, provoquant dos vides, de la porosité et d'autre imperfec- tions. D'un autre côté, l'introduction contrôlée de gaz dans des métaux et des alliages en fusion, est utilisée pour protéger contre l'oxydation et pour la réduction des oxydes, et pour con trôler l'occlusion de gaz clans les métaux solidifiés, dans le but d'eliminer, ou de reduire, la retassure des lingots. Un exemple
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de ce dernier procédé est l'acier effervescent'.
Il est également vrai que des alliages non-eutecti- ques ont une tendance à la ségrégation, pendant la solidification et qu'il est extrêmement difficile de produire des pièces coulées de composition homogène, lorsque les métaux en fusion sont com- binés alors qu'ils ne sont pas miscibles ou qu'ils sont seulement miscibles à un degré très limité.
Divers procédés et appareils ont été projetés pour dégazer les métaux en fusion, pour introduire des gaz dans des métaux en fusion, et pour amener des métaux peu miscibles à for- mer des alliages solides homogènes. En dépit de ces efforts, ni le dégazage des métaux par de tels appareils et procédés, .ni l'introduction contrôlée de gaz dans des métaux en fusion, ni la solidification homogène de métaux' incompatibles n'ont été entièrement couronnée de succès.
Cette invention est faite en raison de ce qu'il est désirable de conditionner les métaux en fusion et les mélan- ges de métaux en fusion, pour léur conférer un caractère homogène, après-solidification, quand les métaux en combinaison sont incompa tibles, ou pour introduire des' gaz dans les métaux en fusion dans des conditions strictement contrôlées, ou pour extraire complète- ment des- gaz des métaux en fusion. Tous ces objectifs peuvent être réalisés par l'appareil décrit, et les procédés spécifiés ici, qui peuvent être mis en pratique de la faceon la plus rapide dans l'appareil mentionné ci-dessus.
Un but de cette invention est de procurer un appa- reil et un procédé pour l'introduction contrôlée de gaz dans des métaux en fusion, particulièrement l'introduction contrôlée d'hydrogène dans l'acier en fusion, pour la production de lingots d'acier effervescent.
Un autre but d cette invention est de procurer un appareil et un procédé pour mélanger complètement des composants d'alliages peu ou non miscibles en vue d'obtenir une meilleure uniformité des pièces coulées avec de telles combinaisons de
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métaux.
Dans ces buts, la présente Invention consiste à procu- rn appareil pour conditionner les 'métaux en fusion, 'comprenant un récipient rotatif, une chambre enfermant le récipient, un moyen pour faire tourner le récipient, une paroi extérieure du récipient divergente vers l'extérieur et vers le bas à partir du sommet, une paroi intérieure de la chambre disposée en face de la paroi exté- rieure du récipient.
De plus, la présente invention proposé un procédé pour conditionner le métal en fusion, comprenant le versement du me tal en fusion dans un récipient ayant des parties de sa surface extérieure se prolongeant d'une façon générale vers l'extérieur et vers le bas, la rotation du récipient dans une chambre ayant dès par. ties de sa surface Intérieure se prolongeant de même wers l'extêrieur vers bas, continuation mouvemen rotation rieur et vers le bas, la continuation de ce mouvement de rdtation .. i du récipient pour décharger le métal e'n fusion vers'la périphérie d celui-ci, et l'animer d'un mouvement d'aller et retour entre les surfaces Intérieure et extérieure.
Afin que cette invention puisse être clairement com- 'prise et facilement mise en pratique, elle sera maintenant décrite plus complètement en se reportant au dessin ci-annexé, dans lequel:
La figure 1 est une coupe verticale d'un appareil pour conditionner les métaux en fusion, suivant la procédure indi- quée.
L'appareil pour conditionner les métaux à l'état fon- du comprend une cuve rotative, ouverte au sommet et fabriquée en, ou garnie de, matériau réfractaire convenable, résistant à la des- truction par les métaux en fusion à traiter. Cette cuve' tournante possède une paroi extérieure Inclinée vers le bas et vers l'exté- rieur, à partir du sommet de la cuve. La cuve tournante est placée dans une chambre dont les gaz peuvent être évacués, ou dans laquelle des gaz choisis peuvent être Introduits. La chambre possè- de 4 sa partie supérieure un récipient stationnaire pour recevoir le métal en fusion, et pour le décharger dans la cuve tournante.
Des moyens sont prévus, en dehors de la chambre,
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.pour provoquer la rotation de la cuve tournante. Les parois de la chambre, à l'intérieur, définissent une cavité pour la cuve tour- :nante, et sont disposées suivant des angles correspondant en substan- ce avec la paroi extérieure de la cuve, ou bien choisis de telle façon qu'ils coopèrent avec le fonctionnement de la paroi extérieure de la cuve tournante.
De même que la cuve tournante, la paroi de la chambre est formée, ou garnie, d'un matériau réfractaire, -résistant convena - blement aux métaux en fusion, et à l'action érosive des métaux en fusion déchargés avec force contre la paroi de la chambre. De l'oxyde d'aluminium fondu, par exemple, peut être utilisé dans ce but, au moins aux endroits où une haute résistance à la chaleur, et à. l'action érosive, est requise.'La paroi Intérieure de la cuve tour- nante est divergente vers le haut et vers l'extérieur, à partir du fond de la cuve.
La rotation de la cuve fait passer, sous l'effet de la force centrifuge, le métal en fusion par dessus le sommet de la cuve, de telle façon que, suivant la vitesse de rotation, il s'é- coule par dessus bord, et le long de la paroi extérieure de la cuve, ou bien il est projeté plus ou moins violemment en contact avec la paroi de la chambre.
Lors'que la vitesse de rotation est faible, et que le- métal en fusion s'écoule le long de la paroi extérieure de la cuve, la pellicule de métal liquide sur les parois extérieures de la cuve est très mince, c'est-à-dire, la colonne hydrostatique de métal li- quide est extrêmement faible.
Lorsque la vitesse de rotation est élevée, le métal en fusion, en traversant l'espace entre la cuve tournante et la paroi Intérieure de la chambre, prend, au hasard, des formes diverses, tel- les que globules, rubans ou autres mais au contact violent avec la paroi de la chambre, ces formes sont énergiquement réduites en dimen- sion, et ces petites particules de metal liquide rebondissant vers la paroi extérieure de la cùve tournante rebondissent à partir des parois de celle-ci, ou bien sont de nouveau entrainées à tournoyer et à entrer en contacts violents et repetés avec la paroi intérieu-
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re de la chambre.
De cette façon les particules de métal liquide deviennent graduellement de plus en plus réduites en dimension, et atteignent 'un état d'atomisation poussée, jusqu'à ce qu'elles tom- bent finalement dans une rigole à la base.de la chambre. Plus la vitesse de rotation est élevée, plus efficace est la réduction de la dimension des particules de métal liquide. Le métal en fusion accumulé dans la rigole, quitte cette dernière ,par un ou plusieurs orifices de sortie, et s'écoule dans les moules, Le métal en fusion est introduit dans la chambre à une température sufflsamment élevée, ,-de façon qu'il ne se solidifie pas avant d'être déchargé de la rigo- le dans les moules.'Afin de maintenir le métal à l'état fondu,' l'appareil doit'être préchauffé avant usage.
La chambre peut être chauffée pendant le traitement de différentes façons en vue de la maintenir à une température suffisamment élevée pour empêcher la solidification du métal en fusion. La chambre est vidée d'air,. soit avant l'introduction du métal en fusion - dans ce cas* l'entrée et la sortie pour le métal doivent être bouchées '- soit/après Intro' duction du métal en fusion, lorsque l'entrée est bloquée par le mé- tal en train d'être versé, et que la sortie de la rigole est bou- chée par le métal'fondu en train de sortir. Dans de semblables circonstances, le gaz choisi peut être introduit dans la chambre sous une pression choisie convenabl.e.
En se reportant maintenant au dessin, on verra que la présente Invention utilise le principe 'de la pression hy- drostatique réduite dans le but d'extraire-les gaz des métaux en fusion, et également pour introduire des gaz dans ceux-ci. L'homo- généisation simultanée de métaux miscibles ou peu miscibles est effectuée en réduisant la dimension des particules des composants à mélanger. Il est bien connu que dans tous les cas de solutions simples, l'absorption de gaz dans les métaux est proportionnelle à la racine carrée de la pression du gaz. La réduction de la pression hydrostatique de la colonne de métal liquide, dans des conditions de vide poussé, accélère par conséquent fortement l'extraction du gaz du metal en fusion.
Les conditions favorables sont encore
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améliorées dans la partie du métal qui est atomisée par rebondisse- ments répétés, sans ces conditions; l'équilibre optimum est atteint
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ee.nuun, p;s 1mès, con mamt1.s ggue 1l.e métal iU..q.u1de passe à tra- vers i 'l' appal'e11. -,D'. unr .âtl'ee c até., i l0rs--,\U'e 4es ,gaz inertes,, tels. que l'hélium sont introduits pendant que le metal liqueide passera tra- vers l'appareil, la pression de -vapeur des gaz dégagés du métal liquide, tels que l'hydrogène, le monoxyde de carbone, etc., est fortement réduite.
Lorsque l'introduction de gaz'réducteurs, tels que l'hydrogène est le but poursuivi (par exemple, dans le but de pro- duire des lingots d'acier effervescent de bonne qualité uniforme) l'appareil permet l'introduction dans chaque unité de p,oids ou de volume d'acier liquide, du montant'exact d'hydrogène qui est requis pour réduire ou éliminer la retassure dans le lingot, mais. la quantité d'hydrogène Introduit peut être contrôlée si étroite- ment que la prrosité, ou des défauts similaires, dans l'acier ' laminé est évité.
Poux ce qui concerne l'homogénéisation de composés , peu miscibles, on comprendra facilement que des particules extrê- mement petites de métaux en fusion, résultant de rebondissements répétés, demandent plus de temps pour s'agglomérer que des parti- cules plus grandes, de façon que le passage rapide .à travers la' rigole et la décharge dans les moules refroidis produit des pié- ces coulées homogènes et uniformes.
Un appareil 11, en matériau réfractaire convenable, ou garni avec une couche de réfractaire convenable, résistant à la détérioration par la chaleur et le contact érosif avec le mé- tal en fusion est fourni. Une chambre, ou cavité, 12 est prévue dans'l'appareil 11. Une conduite de gaz 13 se prolopge à travers la paroi de l'appareil dans la cavité 12. Une vanne 114 réglera l'écoulement'du gaz dans la cavité 12, avec un moyen indicateur de pression convenable 15.
Le soumet de l'appareil 11 est pourvu d'un réservoir 16 pour la réception du métal en fusion, avant son entrée dans la cavité 12, et le réservoir 16 possède un ori-
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fice d'entrée 17, à travers lequel le métal en fusion est'Introduit dans la chambre 12: Un-autre conduit 18 passe à travers les parois de l'appareil 11, vers la cavité 12, et à travers ce conduit les gazde la cavité 12 peuvent être évacués.
Une vanne 19 contrôle ce conduit 18. Celui-ci est relié à une pompe, à vide.
Les parois de la chambre sont, de préférence, pourvus de tubes de chauffage 20 par lesquels la cavité 12 peut être main- tenue à une température élevée, de façon que le métal en fusion, venant en contact avec les parois, ne verra pas sa température ré- duite suffisamment pour se refroidir, soit par le contact, soit plus tard, dans la rigole mentionnée ci-après, avant que le métal en fusion puisse être évacué. Sous l'appareil 11, ou dans un compar- timent convenable dans celui-ci) un moteur électrique @1, avec un moyen de changement de vitesse convenable 22, est relié, par -,Un en- grenage conique 23, à un second engrenage conique 24, monté sur l'arbre vertical 25.
Cet arbre est supporté à son extrémité infé- rieure, sur une crapaudine 26, et passe à travers une buselure 27, essentiellement étanche à l'air, dans la cavité 12. Montée sur 'l'extrémité de.l'arbre 25, se trouve une platèforme, ou support, 28 qui soutient une cuve 29 en, ou garni de,matériau réfractaire convenable, pour résister à l'action détérioratrice du métal en fusion.
Disposé à la base de la cuve 29,se' trouve une rigole annulaire 30, pour recevoir tout le métal en fusion qui tomberait, par gravite, au fond de la cavité 12. Un orifice de sortie 31 con- duit le métal en fusion'recueilli en dehors de la rigole 30. La paroi- extérieure 32 de la cuve 29, est inclinée vers l'extérieur et vers le bas, à partir du sommet de la cuve vers la base de celle-ci. De préférence, l'angle de base formés sur le fond de la cuve par la paroi latérale devrait être approximativement de 15 à 30 par rapport à l'horizontale.
Ceci procure une pente longue et graduelle, du sommet de la cuve vers le fond, à partir de laquelle le métal en fusion peut-être projeté à plusieurs reprises, par la force centri-
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f.uge, pour entrer en contact, plus ou moins violemment, avec la paroi intérieure de la chambre 12. De même le métal s'écoulant en couche mince, vers le haut de la paroi intérieure 34 de la cuve 29, disposera d'une surface longue et relativement grande, sur la paroi extérieure 32 de la cuve, pour s'écouler par dessus, ou rebondir à partir de celle-ci. Ceci augmente la réceptivité du métal au conditionnement.
La réceptivité au conditionnement est augmentée au plus haut degré, que le métal coule en couche mince sur la paroi latérale, ou bien qu'il soit projeté violemment, et atomisé par le contact avec la paroi Intérieure de la chambre.
Mais le conditionnement le plus prononcé résulte de l'atomisation par contact viole nt. Une dépression 33, dans le dessus de la cuve 29, reçoit le métal en fusion, qui entre par l'orifice d'entrée 17. La paroi 34 de cette dépression s'évase vers le haut, et vers l'extérieur, à mesure qu'elle progresse à partir du fond de la dépression 33, vers le sommet de la cuve. Cette dépression 33.peut être très peu profonde, ou avoir une profondeur accusée.
La paroi 35 de la chambre est, de préférence, disposée essentiellement en conformité angulaire avec la paroi extérieure 32 de-la .cuve 29, bien que certaines Irrégularités dans les surfa- ces de la paroi latérale 32 de la cuve 29 et de la paroi latérale 35 de la cavité 12, soient possibles, et peuvent effectivement augmenter l'atomisation du .nétal en fusion. L'essentielle conformi- té angulaire (avec un certain écart) de ces parois 32 et 35, est toutefois calculée pour provoquer un rebondissement, d'une paroi à l'autre, des particules de métal en fusion, jusqu' à ce qu'un degré élevé d'atomisation se produise, et jusqu'à la formation ultérieure d'un brouillard de métal en fusion.
Le fonctionnement de l'appareil, et la pratique du procédé, pour conditionner le métal peut se poursuivre dès le pré- chauffage de l'appareil 11. Dans le cas où l'opération désirée est l'introduction de gaz dans du métal en fusion, telle que pour la production d'acier effervescent, de l'acier au carbonae en fu- --long avec les pourcentages désirés de manganèse et de silice,
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est introduit'dans le réservoir 16. Le métal en fusion, dans le rêceptable 16, s'écoule à travers l'orifice d'entrée 17,- aprèsl'enlèvement d'un obturateur, 'et ce métal tombe alors dans la cavité 33 de la cuve 29. La cuve 29 sera alors entraînée en rotation à une vitesse très élevée, et le métal sera projeté hors de la concavité 33.
Il s'écoulera en couche mince vers le dessus ,de la paroi intérieure 34 de la cuve 29 et sortira en passant au dessus du bord de la cuve 29. Le métal en fusion entrera violem- ment en contact avec la paroi intérieure 35'de la chambre 11, et rebondira violemment entre cette paroi et le coté 32 de la cuve
29. Le renversement en la modification du sens du mouvement du métal en fusion, après contact avec l'intérieur de la chambre et la paroi extérieure de la cuve tour à tour, doit être rapporté simplement aux rebondissements et aux ricochets, ou à ces mouve- ments modifiés par l'action de la gravité ou de la force centri- fuge. Le métal s'accumulera finalement dans la rigole 30, en raison de la gravité, et s'écoulera par l'orifice de sortie 31.
Un gaz convenable, l'hydrogène par exemple, est introduit par le conduit 13, et la pression maintenue au niveau désiré, Le ré- gime approprié d'introduction de l'hydrogène, en vue de produire le résultat optimum dans le lingot, peut être déterminé par l'ana- lyse d'échantillons prélevés à la cuiller, ou pris dans le lingot fini, aussi bien que par d'autres essais effectués pour trouver les conditions les meilleures.
Une fois que ces chiffres sont connus pour un acier d'une composition déterminée, ou un résultat identique peut être logiquement reproduit; par exemple, la quan- tité d'hydrogène (ou de tout autre gaz choisi) introduite dans le métal, peut être quantitativement réglée, avec une grande précision, ajustant la vitesse d'introduction du gaz dans la cham bre, à la quantité de métal traité dans celle-ci, par unité de temps, le métal sortant de la cavité 12 par la sortie 31. se solidifiera en lingots ayant exactement la quantité d'hydrogène requise pour empêcher la, retassure, mais en évitant la porosité ou d'autres imperfections de l'acier laminé.
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D'un autre côté, si, au lieu d'introduire des gaz dans la cavité 12 par le conduit 13, les gaz de la cavité 12 sont ex- traits par le conduit 18, le métal abandonnera facilement son conte- nu gazeux, et lors du déchargement par la sortie 31, formera des pièces coulées de métal dégazé.
Du métal peut, de même, être conditionné à un degré moin- dre, sans l'atomiser, en réglant la vitesse de la cuve 29 de façon à juste faire monter le métal, par la force centrifuge, le long des parois 34 et le faire couler vers le bas de la paroi 32.
La paroi extérieure de la cuve tournante peut avoir la forme de marches. Si un tel modèle est utilisé, la forme et l'incli- naison de la paroi intérieure de la chambre devrait être choisi d'une conformité correspondante telle qu'une action de rebondisse- ment maximum soit obtenue.
La ligne équatoriale A-B dans la figure Indique le point ou l'appareil peut être divisé en deux parties pour la faci- lité de l'assemblage, du nettoyage, etc.
Supposons que le diamètre extérieur au sommet de la cuve tournante soit 2'3 " et le diamètre extérieure du fond 7'. La cir- conférence au sommet est de 7,0886' et la circonférence du fond est 21,9911'. Lorsque la cuve tourne à 300 tours/minutes, la vites- se circonférentielle au sommet est de 35,34' par seconde, la vitess circonférentielle à l'extérieur du fond est de 109,51' par seconde.
La force centrifuge aigssant sur le métal en fusion, s'accroît à partir du somaet vers le fond, en proportion de la vitesse circonférentielle accrue. En conséquence, avec chaque re- bondissement, l'action d'atomisation augmente, réduisant ainsi de plus en plus la dimension des particules de métal liquide.
Ceci n'est pas seulement important dans le but d'atteindre les objectifs de dégazer, ou d'introduire des gaz et d'homogénéiser, mais également pour permettre au matériau de l'appareil de résister à la détérioration par impacts, puisque la masse des particules diminue à mesure que leur vitesse augmente.
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Au sommet, le métal est projeté en rubans ou en gros globules contre la paroi de la chambre. Même le meilleur maté- riau,réfractaire peut seulement résister à'un certain impact.
Ear conséquent, la réduction graduelle de la dimension des parti- cules, en passant du sommet au fond, rend.possible la construction de l'appareil.
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On a parlé du conditionnement de métal en fusion, par l'intro- duction ou l'extraction de gaz. Un autre conditionnement est effec- tué simultanément, si un mélange de métaux en fusion est déposé dans le réceptacle 16. Certains métaux sont difficilement misci- bles l'un avec l'autre, et plutôt que de se solidifier d'une ma- nière homogène, ils tendent à se séparer l'un de l'autre, lors- qu'ils sont à l'état fondu. L'introduction de métaux en fusion in- compatibles dans le réservoir 16, suivant les procédures auxquel- les on s'est reporté jusqu'ici, aura comme résultat le décharge- ment par la sortie 31 d'un mélange hautement homogène de métaux fondus, et si des-pièces coulées sont solidifiées plutôt rapide- ment, l'incompatibilité des métaux fondus ne donnera pas lieu à une ségrégation importante.
Le mélange des métaux peut'être déga- zé, ou se voir introduire des gaz simultanément.
Des exemples d'alliages commerciaux de métaux difficilement miscibles sont l'alliage plomb-cuivre pour coussinets SAE 48 (67- 74% Cu et 25-32% P6) et le SAE 480 (60-70% Cu et 30-40% P6).De tels coussinets sont fréquemment fabriqués en appliquant de la pou- dre cuivre-plomb à des bandes d'acier, qui sont passées à travers des fours'où les mélanges sont agglomérés et liés.
Toutefois, quand des buselures'en ces alliages sont fabriquées par coulée, une ségrégation du plomb se produit.
Des coussinets et des buselures en alliage cuivre-plomb fabri- qués par agglomération de la poudre, sont supposés avoir une cer- taine porosité, qui améliore la rétention des lubrifiants. Lorsque l'appareil faisant l'objet du brevet est utilisé avec la rigole pratiquement vide tandis que des gàz inertes ou réducteurs sont in- troduits, un mélange de particules de.métal fondu, de très 'petite dimension, et de gaz sort par l'orifice.
Lorsqu'un tel mélange vient directement de la sortie dans les moules, des pièces coulées de porosité contrôlée sont produites, parce que les pores dépendent de la proportion des gouttes de mé- tal et du gaz et qu'elle peut être modifiée comme on le désire.
Il est également possible de combiner des composés non-métalli-'
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ques, tels que du graphite (dans un.but de lubrification) avec le métal en'fusion, dans-les proportions désirées.
Un autre exemple est la combinaison aluminium-cadmium. L'ad- de dition/cadmium à l'aluminium et' aux alliages d'aluminium a été re- commandée comme soudure d'aluminium, alliages -pour coussinets à' ' base d'aluminium, alliages d'aluminium à coupure nette, et allia- ges d'aluminium avec résistance accrue à l'aspersion par l'eau de mer. En raison de la miscibilité difficile de l'aluminium et du cadmium ces recommandations n'ont été utilisées que dans un degré très limité. L'appareil suivant l'invention'surmonte ces difficul- tés.
Dans le domaine des métaux ferreux, des combinaisons simi- laires apparaissent possibles, telles que l'addition de,bismuth à des alliages inoxydables, pour obtenir une résistance améliorée à la corrosion. Quand du bismuth solide est ajouté à des alliages inoxydables en fusion, dans le réservoir 16, il fondra immédiate- ment, mais avant qu'il puisse s'évaporer, l'alliage liquide a tra- versé l'appareil, et il est sorti de la rigole 30 à travers l'ori fice de sortie 31, dans un moule. En introduisant un gaz dans du métal en fusion, comme on peut s'y attendre, plus élevée est la pression, plus rapidement le gaz sera absorbé par le métal atomi- sé.
De même, puisque le gaz sera absorbé par de petites particules de métal en fusion, lorsque ces petites particules de métal, qui ont chacune absorbé une quantité de gaz, sont rassemblées dans une grande masse, le gaz sera distribué de façon homogène à tra- vers la masse entière de métal. Ainsi, les pièces coulées sont d'un, caractère hautement homogène par autant que cela concerne les in- clusions gazeuses.
En dégazant le métal, un haut degré de métal dégazé est réa- lisé, par l'usage d'un vide élevé, de l'ordre de 0,1 à 0,001 atmos phère.
Tandis qu'on s'est reporté à une inclinaison angulaire de 15 à 30 de la paroi extérieure 32 de la cuve 29, on ne doit pas com- prendre que cette inclinaison angulaire est critique, car l'angle pourrait probablement être réduit à moins de 15 , ou augmenté au-
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delà de 30 . Toutefois, l'inclinaison de la paroi extérieure 32, en vue de fournir une pente suffisamment longue pour le rebondis- sement du métal de la paroi 35, est une des principales caracté- ristiques de l'invention.
Jusqu'ici la centrifugation du métal en fusion a été utilisée en vue du dégazage, l'atomisation du métal en fusion a été incomplète, et ainsi temporaire, à cause que les globules de métal produits sont presqu'instantanment tombées dans une rigole et se sont agglomérées en grandes masses fondues, avant qu'une quantité substantielle de gaz ait été extraite.
Dans le pro- cédé de conditionnement suivant l'invention, le dépôt rapide et direct du métal dans la rigole est évité, et'pour autant que cela puisse être calculé, on croit qu'à une valeur appropriée de la vi- tesse, le métal atomisé, ainsi que les globules plus'grands et les rubans de métal, seront projetés contre la paroi intérieure de la chambre, pour rebondir contre la paroi extérieure de la cuve, de manière répétée, de façon que, avec chaque rebondissement, une a- tomisation de finesse croissante est réalisée finalement, avec com me résultat la formation d'un brouillard de métal. La fréquence de rebondissement est une fonction de la vitesse de révolution de la cuve 29, de l'inclinaison angulaire, et de la longueur des parois 32 et 35.
DEFINITIONS.
"Rebondissement" se rapporte au contact du métal, ou du maté- riau, contre la paroi extérieure de la cuve, et le bond en arriè- re qui s'ensuit, soit en raison de l'élasticité du matériau, ou du métal, s'exerçant contre la paroi ; unepartie du bond en arrière à partir de l'extérieur de la cuve, et de l'intérieur de la chambre peut être gouvernée par la gravité; de même, le bond en arrière à partir de l'extérieur de la cuve peut être-le résultat du fait que le métal, ou un autre matériau, ou la paroi est élastique, ou bien ce bond peut être le résultat de la rotation de la cuve tournante, ou une combinaison de plusieurs de ces facteurs. Le "rebondisse- ment" inclut tout bond en arrière, sans égard à sa cause.
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" Conditionnement Il se rapporte à la mise du métal, ou d'un au- tre matériau, dans une condition désirée; ceci comprend l'établisse- ment d'une qualité homogène, dans une masse de métal, ou d'un autr matériau, l'introduction de gaz dans le métal, ou dans un autre ma- tériau, le dégazage du métal, ou d'un autre matériau, l'enveloppe- ment du métal, ou d'un autre matériau, dans une atmosphère gazeuse inerte, l'enveloppement, ou mélange réciproque, du métal, ou d'un autre matériau, dans une atmosphère gazeuse active. L'enveloppement ou le mélange réciproque du métal, ou d'un autre matériau, dans une atmosphère gazeuse active peut provoquer des changements physiques ou chimiques. Le conditionnement comprend ces résultats.
On a décrit l'appareil et les procédés pour le conditionne- ment du métal, et il doit être entendu que l'appareil 'et les procé- dés peuvent être utilisés pour le conditionnement d'autres matériaux de caractère métallique ou non-métallique, avec, ou sans, inclusions' gazeuses, ou bien d'un caractère hautement homogène. On doit noter, en outre, que diverses modifications peuvent être apportées dans la nature du matériau gazeux qui est introduit dans le métal, et des changements dans la forme précise de l'appareil peuvent de même être.
' faits, tous dans les limites de la portée des revendications, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Le procédé précis d'introduc- tion du gaz dans la chambre,!ne fait pas partie' de l'invention, puis- que les gaz peuvent aussi être Introduits dans celle-ci en introdui- sant des liquides, ou des solides, générateurs de gaz dans la cham- bre. Il doit être entendu de la description qui précède que le ter- me "conditionnement", comme utilisé ici, inclut l'établissement d'une qualité homogène dans le matériau traité, ou l'introduction du gaz dans ce matériau, ou l'extraction de gaz hors de ce matériau, sans égard à ce que le traitement a pour but de produire des chan- gements physiques ou chimiques dans ce matériau ou les deux.
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The present invention relates, in general, to an apparatus and method for conditioning molten metals, and particularly to apparatus and methods for extracting gases from molten metals, - for regulating the introduction. gases in molten metals, and for homogenizing mixtures of molten metals.
It is well known that in the solidification of molten metals and alloys gases are frequently occluded therein causing voids, porosity and other imperfections. On the other hand, the controlled introduction of gases into molten metals and alloys is used to protect against oxidation and for the reduction of oxides, and to control the occlusion of gases in solidified metals, for the purpose of eliminating, or reducing, ingot shrinkage. An example
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of the latter process is effervescent steel.
It is also true that non-eutectic alloys have a tendency to segregate during solidification and that it is extremely difficult to produce castings of homogeneous composition when the molten metals are combined while they are not miscible or they are only miscible to a very limited extent.
Various methods and apparatus have been designed to degas molten metals, to introduce gases into molten metals, and to cause poorly miscible metals to form homogeneous solid alloys. Despite these efforts, neither the degassing of metals by such apparatus and methods, nor the controlled introduction of gases into molten metals, nor the homogeneous solidification of incompatible metals has been entirely successful.
This invention is made because of the desirability of conditioning the molten metals and mixtures of molten metals to impart homogeneity to them, after solidification, when the metals in combination are incompatible, or to introduce gases into molten metals under strictly controlled conditions, or to completely remove gases from molten metals. All of these objects can be achieved by the apparatus described, and the methods specified herein, which can be practiced from the fastest side in the apparatus mentioned above.
It is an object of this invention to provide an apparatus and a process for the controlled introduction of gases into molten metals, particularly the controlled introduction of hydrogen into molten steel, for the production of ingots. effervescent steel.
Another object of this invention is to provide an apparatus and method for thoroughly mixing poorly or immiscible alloy components in order to obtain better uniformity of castings with such combinations of.
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metals.
For these purposes, the present invention is to provide an apparatus for conditioning molten metals, comprising a rotating container, a chamber enclosing the container, means for rotating the container, an outer wall of the container diverging towards the end. outside and down from the top, an interior wall of the chamber disposed opposite the exterior wall of the container.
Further, the present invention provides a method for conditioning molten metal, comprising pouring molten metal into a container having portions of its outer surface extending generally outward and downward, the rotation of the container in a chamber having from by. parts of its Inner surface extending in the same way towards the outside towards the bottom, continuation movement rotation laughing and downwards, the continuation of this movement of repetition ... i of the container to discharge the molten metal towards the periphery of the latter, and animate it with a back and forth movement between the interior and exterior surfaces.
In order that this invention may be clearly understood and easily practiced, it will now be described more fully with reference to the accompanying drawing, in which:
Figure 1 is a vertical section of an apparatus for conditioning molten metals, following the procedure indicated.
The apparatus for conditioning molten metals comprises a rotating vessel, open at the top and made of, or lined with, suitable refractory material resistant to destruction by the molten metals to be treated. This revolving vessel has an outer wall sloping downward and outward from the top of the vessel. The revolving vessel is placed in a chamber from which gases can be evacuated, or into which selected gases can be introduced. The chamber has at its upper part a stationary vessel for receiving the molten metal, and for discharging it into the revolving vessel.
Means are provided, outside the room,
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. to cause the rotating bowl to rotate. The walls of the chamber, on the inside, define a cavity for the rotating vessel, and are arranged at angles corresponding substantially with the outer wall of the vessel, or alternatively chosen so that they cooperate with the operation of the outer wall of the rotating vessel.
Like the revolving vessel, the chamber wall is formed, or lined, with a refractory material, suitably resistant to molten metals, and to the erosive action of molten metals forcefully discharged against the wall. from the room. Molten aluminum oxide, for example, can be used for this purpose, at least at places where high heat resistance, and at. erosive action is required. The inner wall of the revolving vessel diverges upward and outward from the bottom of the vessel.
The rotation of the tank causes the molten metal to pass over the top of the tank under the effect of centrifugal force, in such a way that, depending on the speed of rotation, it flows over the edge, and along the outer wall of the vessel, or it is thrown more or less violently into contact with the wall of the chamber.
When the rotational speed is low, and the molten metal flows along the outer wall of the vessel, the film of liquid metal on the outer walls of the vessel is very thin, that is, that is, the liquid metal hydrostatic column is extremely weak.
When the speed of rotation is high, the molten metal, passing through the space between the rotating vessel and the inner wall of the chamber, takes, at random, various shapes, such as globules, ribbons or other but at violent contact with the wall of the chamber, these shapes are drastically reduced in size, and these small particles of liquid metal bouncing towards the outer wall of the revolving tank either rebound from the walls thereof, or else are again trained to spin and come into violent contact and repeated with the interior wall
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re of the room.
In this way the liquid metal particles gradually become smaller and smaller in size, and reach a state of high atomization, until they finally fall into a gully at the base of the chamber. The higher the speed of rotation, the more efficient the reduction in the size of the liquid metal particles. The molten metal accumulated in the channel, leaves the latter, through one or more outlet openings, and flows into the molds, The molten metal is introduced into the chamber at a sufficiently high temperature, - so that ' it does not solidify before being discharged from the channel into the molds. In order to maintain the metal in a molten state, the apparatus must be preheated before use.
The chamber can be heated during processing in a number of ways to maintain it at a temperature high enough to prevent solidification of the molten metal. The room is emptied of air. either before the introduction of molten metal - in this case * the inlet and outlet for the metal must be plugged '- or / after Intro' duction of the molten metal, when the inlet is blocked by the metal being poured, and that the outlet of the gutter is blocked by the molten metal coming out. Under similar circumstances, the selected gas can be introduced into the chamber at a suitable selected pressure.
Referring now to the drawing, it will be seen that the present invention utilizes the principle of reduced hydrostatic pressure for the purpose of extracting gases from molten metals, and also to introduce gases into them. Simultaneous homogenization of miscible or poorly miscible metals is accomplished by reducing the particle size of the components to be mixed. It is well known that in all cases of simple solutions, the absorption of gas in metals is proportional to the square root of the pressure of the gas. Reducing the hydrostatic pressure of the molten metal column under high vacuum conditions therefore greatly accelerates gas extraction from the molten metal.
Favorable conditions are still
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improved in that part of the metal which is atomized by repeated rebounding, without these conditions; optimum balance is reached
EMI6.1
ee.nuun, p; s 1mès, con mamt1.s ggue 1l.e metal iU..q.u1de passes through the appal'e11. -, D '. unr .âtl'ee c até., i l0rs -, \ U'e 4es, inert gases ,, such. As helium are introduced while the acid metal is passing through the apparatus, the vapor pressure of gases given off from the liquid metal, such as hydrogen, carbon monoxide, etc., is greatly reduced.
When the introduction of reducing gases, such as hydrogen is the object pursued (for example, with the aim of producing effervescent steel ingots of uniform good quality) the apparatus allows the introduction into each unit. weight or volume of liquid steel, the exact amount of hydrogen that is required to reduce or eliminate shrinkage in the ingot, but. the amount of hydrogen introduced can be controlled so closely that the consistency, or the like, in the rolled steel is avoided.
However, with regard to the homogenization of compounds which are not very miscible, it will be readily understood that extremely small particles of molten metals, resulting from repeated bouncing, require more time to agglomerate than larger particles of so that the rapid passage through the gutter and the discharge into the cooled molds produces smooth and uniform castings.
An apparatus 11, of suitable refractory material, or lined with a layer of suitable refractory, resistant to deterioration by heat and erosive contact with molten metal is provided. A chamber, or cavity, 12 is provided in the apparatus 11. A gas line 13 extends through the wall of the apparatus into the cavity 12. A valve 114 will regulate the flow of gas into the cavity 12. , with a suitable pressure indicator 15.
The subject of the apparatus 11 is provided with a reservoir 16 for receiving the molten metal, before it enters the cavity 12, and the reservoir 16 has an ori-
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inlet fuse 17, through which the molten metal is introduced into the chamber 12: Another conduit 18 passes through the walls of the apparatus 11, to the cavity 12, and through this conduit the gases of the cavity 12 can be evacuated.
A valve 19 controls this conduit 18. The latter is connected to a vacuum pump.
The walls of the chamber are preferably provided with heating tubes 20 by which the cavity 12 can be maintained at an elevated temperature, so that the molten metal, coming into contact with the walls, will not see its. temperature reduced enough to cool, either by contact or later, in the trough mentioned below, before the molten metal can be discharged. Under the apparatus 11, or in a suitable compartment therein) an electric motor @ 1, with a suitable speed changing means 22, is connected, by -, A conical gear 23, to a second bevel gear 24, mounted on the vertical shaft 25.
This shaft is supported at its lower end, on a slider 26, and passes through a nozzle 27, essentially airtight, into the cavity 12. Mounted on the end of the shaft 25, is finds a platform, or support, 28 which supports a vessel 29 made of, or lined with, suitable refractory material, to resist the damaging action of molten metal.
Arranged at the base of the vessel 29, is an annular channel 30, to receive all the molten metal which would fall, by gravity, to the bottom of the cavity 12. An outlet 31 leads the molten metal. collected outside the channel 30. The outer wall 32 of the tank 29 is inclined outward and downward from the top of the tank to the base thereof. Preferably, the base angle formed on the bottom of the tank by the side wall should be approximately 15 to 30 from the horizontal.
This provides a long and gradual slope from the top of the tank to the bottom, from which the molten metal can be thrown several times, by the centric force.
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f.uge, to come into contact, more or less violently, with the inner wall of the chamber 12. Similarly, the metal flowing in a thin layer, towards the top of the inner wall 34 of the tank 29, will have a long and relatively large surface, on the outer wall 32 of the vessel, for draining over, or bouncing therefrom. This increases the receptivity of the metal to packaging.
The receptivity to conditioning is increased to the highest degree, whether the metal flows thinly on the side wall, or whether it is thrown violently, and atomized by contact with the inner wall of the chamber.
But the most pronounced conditioning results from atomization by contact violates. A depression 33, in the top of the tank 29, receives the molten metal, which enters through the inlet port 17. The wall 34 of this depression widens upwards, and outwards, as that it progresses from the bottom of the depression 33, towards the top of the tank. This depression may be very shallow, or have marked depth.
The wall 35 of the chamber is preferably disposed substantially in angular conformity with the outer wall 32 of the vessel 29, although some irregularities in the surfaces of the side wall 32 of the vessel 29 and the wall. side 35 of cavity 12, are possible, and can effectively increase the atomization of the molten metal. The essential angular conformity (with a certain deviation) of these walls 32 and 35, however, is calculated to cause the particles of molten metal to bounce from one wall to the other, until a high degree of atomization occurs, and until the subsequent formation of a fog of molten metal.
The operation of the apparatus, and the practice of the method, for conditioning the metal can continue as soon as the pre-heating of the apparatus 11. In the case where the desired operation is the introduction of gas into molten metal , such as for the production of effervescent steel, fu- --long carbon steel with the desired percentages of manganese and silica,
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is introduced into the reservoir 16. The molten metal, in the receptor 16, flows through the inlet port 17, - after removal of a shutter, 'and this metal then falls into the cavity 33 of the tank 29. The tank 29 will then be rotated at a very high speed, and the metal will be projected out of the concavity 33.
It will flow in a thin layer upwards from the inner wall 34 of the vessel 29 and exit, passing over the edge of the vessel 29. The molten metal will come into strong contact with the inner wall 35 'of the vessel. chamber 11, and will rebound violently between this wall and side 32 of the tank
29. The reversal in the modification of the direction of movement of the molten metal, after contact with the interior of the chamber and the outer wall of the vessel in turn, must be referred simply to twists and ricochets, or to these movements. - elements modified by the action of gravity or the centrifugal force. The metal will eventually accumulate in channel 30, due to gravity, and flow out through outlet 31.
A suitable gas, for example hydrogen, is introduced through line 13, and the pressure maintained at the desired level. The appropriate rate of introduction of hydrogen, in order to produce the optimum result in the ingot, can be determined by analysis of samples taken with a spoon, or taken from the finished ingot, as well as by other tests carried out to find the best conditions.
Once these figures are known for a steel of a determined composition, or an identical result can be logically reproduced; for example, the quantity of hydrogen (or any other chosen gas) introduced into the metal, can be quantitatively regulated, with great precision, adjusting the speed of introduction of the gas into the chamber, to the quantity of metal processed therein, per unit time, the metal exiting cavity 12 through outlet 31 will solidify into ingots having exactly the amount of hydrogen required to prevent shrinkage, but avoiding porosity or shrinkage. other imperfections in rolled steel.
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On the other hand, if, instead of introducing gases into cavity 12 through conduit 13, gases from cavity 12 are withdrawn through conduit 18, the metal will easily give up its gaseous content, and upon unloading through outlet 31, will form degassed metal castings.
Metal can also be conditioned to a lesser degree, without atomizing it, by adjusting the speed of the tank 29 so as to just cause the metal to rise, by centrifugal force, along the walls 34 and the flow down the wall 32.
The outer wall of the revolving vessel may have the form of steps. If such a design is used, the shape and inclination of the interior wall of the chamber should be chosen with corresponding conformity such that maximum rebound action is obtained.
The equatorial line A-B in the figure indicates the point where the device can be divided into two parts for ease of assembly, cleaning, etc.
Suppose the outside diameter at the top of the rotating bowl is 2'3 "and the outside diameter of the bottom 7 '. The circumference at the top is 7.0886' and the circumference of the bottom is 21.9911 '. tank rotates at 300 rpm, the circumferential speed at the top is 35.34 'per second, the circumferential speed outside the bottom is 109.51' per second.
The sharp centrifugal force on the molten metal increases from the somaet to the bottom in proportion to the increased circumferential speed. As a result, with each bounce, the atomizing action increases, thus reducing more and more the size of the liquid metal particles.
This is not only important in order to achieve the objectives of degassing, or introducing gases and homogenizing, but also to allow the material of the apparatus to resist deterioration by impacts, since the mass particles decrease as their speed increases.
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At the top, the metal is projected in ribbons or large globules against the wall of the chamber. Even the best, refractory material can only withstand some impact.
Therefore, the gradual reduction in particle size from top to bottom makes the construction of the apparatus possible.
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We have talked about the conditioning of molten metal by the introduction or extraction of gas. Another conditioning is carried out simultaneously, if a mixture of molten metals is deposited in the receptacle 16. Some metals are difficult to mix with one another, and rather than solidify in a manner. homogeneous, they tend to separate from one another when in the molten state. The introduction of incompatible molten metals into tank 16, following procedures heretofore referred to, will result in the discharge through outlet 31 of a highly homogeneous mixture of molten metals. , and if castings solidify rather quickly, incompatibility of molten metals will not result in significant segregation.
The mixture of metals can be degassed, or have gases introduced simultaneously.
Examples of commercial alloys of poorly miscible metals are lead-copper bearing alloy SAE 48 (67-74% Cu and 25-32% P6) and SAE 480 (60-70% Cu and 30-40% P6 Such bearings are frequently made by applying copper-lead powder to steel strips, which are passed through furnaces where the mixtures are agglomerated and bonded.
However, when nozzles of these alloys are made by casting, lead segregation occurs.
Copper-lead alloy bushings and nozzles made by powder agglomeration are believed to have some porosity, which improves lubricant retention. When the apparatus to be the subject of the patent is operated with the channel substantially empty while inert or reducing gases are introduced, a mixture of molten metal particles, of very small size, and gas exits through the apparatus. 'orifice.
When such a mixture comes directly from the outlet into the molds, castings of controlled porosity are produced, because the pores depend on the proportion of the drops of metal and the gas and can be changed as required. longed for.
It is also possible to combine non-metallic compounds.
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ques, such as graphite (in a lubrication purpose) with the molten metal, in the desired proportions.
Another example is the aluminum-cadmium combination. The addition of cadmium to aluminum and aluminum alloys has been recom- mended for welding aluminum, aluminum base bearing alloys, clean cut aluminum alloys, and aluminum alloys with increased resistance to seawater spraying. Due to the difficult miscibility of aluminum and cadmium these recommendations have only been used to a very limited extent. The apparatus according to the invention overcomes these difficulties.
In the field of ferrous metals, similar combinations appear possible, such as the addition of bismuth to stainless alloys, to obtain improved corrosion resistance. When solid bismuth is added to molten stainless alloys, in tank 16, it will immediately melt, but before it can evaporate, the liquid alloy has passed through the apparatus, and is released. of the channel 30 through the outlet opening 31, in a mold. By introducing a gas into molten metal, as one would expect, the higher the pressure, the faster the gas will be absorbed by the atomized metal.
Likewise, since the gas will be absorbed by small particles of molten metal, when these small particles of metal, which have each absorbed a quantity of gas, are gathered into a large mass, the gas will be distributed evenly through- towards the entire mass of metal. Thus, the castings are of a highly homogeneous character as far as the gaseous inclusions are concerned.
By degassing the metal, a high degree of degassed metal is achieved, by the use of a high vacuum, of the order of 0.1 to 0.001 atm.
While reference has been made to an angular inclination of 15 to 30 of the outer wall 32 of the vessel 29, it should not be understood that this angular inclination is critical, as the angle could probably be reduced to less. by 15, or increased by
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beyond 30. However, the inclination of the outer wall 32, in order to provide a sufficiently long slope for the rebound of the metal from the wall 35, is one of the main features of the invention.
Hitherto the centrifugation of the molten metal has been used for degassing, the atomization of the molten metal has been incomplete, and thus temporary, because the globules of metal produced almost instantly fell into a gully and collapsed. are agglomerated into large melts, before a substantial amount of gas has been extracted.
In the conditioning process according to the invention, the rapid and direct deposition of the metal in the gutter is avoided, and as far as can be calculated, it is believed that at an appropriate value of the speed, the atomized metal, together with the larger globules and metal ribbons, will be thrown against the inner wall of the chamber, to bounce against the outer wall of the vessel, repeatedly, so that with each bounce a - tomisation of increasing fineness is finally carried out, with the result of the formation of a metal fog. The rebound frequency is a function of the speed of revolution of the tank 29, of the angular inclination, and of the length of the walls 32 and 35.
DEFINITIONS.
"Bounce" refers to the contact of the metal, or material, against the outer wall of the tank, and the subsequent bounce back, either due to the elasticity of the material, or the metal, exercising against the wall; a part of the backward bound from the outside of the tank, and from the inside of the chamber can be governed by gravity; likewise, the jump back from the outside of the tank may be the result of the metal, or some other material, or the wall being elastic, or the jump may be the result of the rotation of revolving vessel, or a combination of several of these factors. "Bounce back" includes any leap back, regardless of its cause.
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"Conditioning It refers to bringing the metal, or other material, into a desired condition; this includes establishing a consistent quality, in a mass of metal, or other material. , the introduction of gas into the metal, or into another material, the degassing of the metal, or of another material, the enveloping of the metal, or of another material, in an inert gas atmosphere envelopment, or reciprocal mixing, of metal, or other material, in an active gas atmosphere. Enveloping or reciprocal mixing of metal, or other material, in an active gas atmosphere can cause physical or chemical changes Conditioning includes these results.
The apparatus and methods for conditioning metal have been described, and it should be understood that the apparatus and methods may be used for conditioning other materials of a metallic or non-metallic character, with or without gaseous inclusions, or else of a highly homogeneous character. It should be noted, furthermore, that various modifications can be made in the nature of the gaseous material which is introduced into the metal, and changes in the precise shape of the apparatus can likewise be.
'facts, all within the scope of the claims, without departing from the spirit of the invention. The precise method of introducing gas into the chamber does not form part of the invention, since gases can also be introduced into it by introducing liquids, or solids, generators. of gas in the room. It should be understood from the foregoing description that the term "conditioning", as used herein, includes establishing a consistent quality in the material being processed, or introducing the gas into that material, or extracting it. of gas out of that material, regardless of whether the treatment is intended to produce physical or chemical changes in that material or both.