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Conducteur électrique.
La présente Invention corceme un conducteur qui comprend une gaine de titane et une âme d'un autre métal et qui convient particulièrement pour l'utilisation dans les conditions corrosives régnant dans les cellules électrolytiques.
Dans les cellules électrolytiques, surtout celles où s'effectue l'électrolyse de chlorures, les conditions sont très corrosives, spécialement à l'égard du matériau constituant les anodes et des conducteurs oui pénètrent dans les cellules pour amener le courant électrique aux anodes. Des conducteurs de courant en graphite sont utilisés depuis de nombreuses années avec des anodes en graphite dans des cellules électrolytiques, mais pour supprime@
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les inconvénient' qu'offrent les conducteurs en praphite dans les @ cellules d'électrolyse de solutions de chlorurce alcalins,
on a proposé récemment d'utilliser du titane ou des métaux moins onéreux et/ou meilleur'! conducteurs recouverts de titane'pour amener le courant aux anode*- en graphite. Un a proposé aussi de se passer entièrement de graphite dans la construction de ces cellules et d'u-' tiliser comr-e matériau anodique un revêtement ou'une pellicule d'un métal du groupe du platine déposé sur du titane ou un autre métal recouvert de titane, de telle sorte que cet ensemble serve de support au métal du groupe du platine et de conducteur l'alimentant en courant électrique. ; .
Etant donné que le titane est onéreux et qu'il n'a pas une conductivité électrique très élevée, il est souhaitable que les conducteurs métalliques ci-dessussoient constitués par une gaine de titane entourant une tune d'un métal moins coûteux et/ou meilleur conducteur. Un conducteur consistant en une âme gainée de titane est satisfaisant, grâce à ce revêtement, du point de vue de'la résistance à l'attaque par les électrolytes et les pro- duits anonicues de l'électrolyse, mais dans la fabrication d'un tel conducteur se pose encore le problème de l'établissement, entre . le revêtement de titane et l'Ame. d'une liaison à faible résis- tance électrique.
Des conducteurs comportant une âme de cuivre gainée de titane ont été fabriqués, par exemple, en adaptant , un tube de titane autour d'un barreau de cuivre et en étirant le tout de manière qu'un contact étroit s'établisse entre les deux métaux. Ces conducteurs de cuivre revêtus de titane no sont ce- pendant pas tout à fait satisfaisants comme connecteurs des anodes, la résistance de contact entre le cuivre et le titane étant apprécia- ble. Il convient de noter que le courant est conduit dans de tels connecteurs principalement par le cuivre,qui est bon conducteur, mais doit finalement traverser l'interface cuivre-titane pour attein- dre, en passant par la gaine de titane, le matériau constituant l'anode.
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La demanderesse a découvert qu'un conducteur électrique comprenant une gaine de titane et une âme métallique, entre le.quel- les existe une bonne connexion électrique, peut être fabriquéen uti- lisant de l'aluminium, du zinc ou de l'étain ou encore un alliage d'au moins.deux de ces métaux comme métal d'âme et en coulant l'lme dans la gaine dans des conditions réglées,
de telle sorte que l'âme et la faine sont connectées électriquement et mécaniquement par une couche intermédiaire d'un alliage de titane et du métal d'âme. j
La présente invention a pour objet un procédé de fa- brication d'un conducteur électrique comprenant une gaine de titane et une âme métallique, suivant lequel (1) on élimine la pellicule d'oxyde de la surface intérieure d'une graine creuse en ti- tane, (2) on met en contact le métal dogme fondu tel que défini ci-'essus, avec cette surface intérieure de façon à remplir la gaine, (3)
on maintient la Laine de titane et le métal d'âme à une tempé- rature!1 .comprise entre les boints de fusion du métal d'âme et du ti= tane pendant un teups non supérieur à celui qui est nécessaire pour former une zone! d'alliage titane/métal dogme à l'interface titane/métal dogme, et (4) on laisse le métal d'âme fondu se soli- difier, les opérations 2,3 et 4 étant exécutées en atmosphère d'un gaz inerte.
Le raz inerte peut être choisi dans le groupe des gaz rares du tableau périodique. On choisit habituellement l'arpon pour de* raisons économioues, mais on peut également utiliser l'hélium si on dispose d'une source peu onéreuse de ce gaz.
Par "titane" on entend ici non seulement le titane lui-mê- me mais aussi les alliages à base de titane ayant des propriétés de polarisation anodique analogues à celles du titane. De* exemples de ces alliages sont les alliages de titane et de zirconium conte- ; nant Jusqu'à 14% de irconium, Ici alliacé? de titane avec Jusque @ 5% d'un métal du troupe du platine tel que le platine, le rhodium ou l'iridium, et les alliages de titane avec du niobium ou du tantale
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contenant JU8t'U'4 10* de l'élément d'addition.
La vaine creuse en titane peut avoir une forme quelconque. La forme la plus simple pour un conducteur électrique est un tabe de diamètre uniforme. Ce tube peut être ouvert à ses deux
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xtré;it6s et dans ce cas, il faut obturer provisoirement une de ces extrémités pour que le tube puisse retenir le métal fondu formant
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l'awe pendant l'exécution du procédé suivant l'invention. Toutefois, pour certaines applications du conducteur, par exemple lorsqu'une de ses extrémités doit être insérée dans une anode en graphite qui est perméable à l'électrolyte, il est souhaitable que le métal
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d'ase soit rerouvert de titane aussi bien à une de ses extrémités que sur toute sa longueur.
Dans ce cas, la gaine en titane peut consister en un tube borgne comportant un opercule en titane permanent. One tello gaine peut s'obtenir, par exemple, par emboutissage profond du titane ou par soudage d'un opercule en titane sur un tube en titane à extrémités ouvertes. /
Lorsqu'un conducteur fabriqué suivant l'invontion est utilisé pour alimenter de courant une anode, il est habituellement adapté dans un évidement prévu dans le matériau formant l'anode, /
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par exemple dans un aléqare foré dans un bloc de raohite ou dans un rodet attacha à une tale de titane revêtue de platine.
La sur- / face de contact entre le conducteur et l'anode peut être augmentée/
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si on le déyira, sans augmenter la profondeur de lbévidebnent ou 1 diamètre global du conducteur, en utilisant une gaine de titane une extrémité a un diamètre plus grand que le reste de la gaine
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d* manière à s'adapter dans un évidement de plus grand diamètre
Il entre également dans le cadre de l'invention de fa- çonner un conducteur de manière qu'il puisse servir de support d
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rect d'une surface anodique active d'un métal du groupe du !'Ilt" t1 f.
Fn effet, un conducteur simple en forme de barreau dont une ext ait* est pourvus d'un opercule en titane, compte décrit c1-de""'\l9, pe recevoir un revêtement d'un métal du groupe du platine t 19éléi nt
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etigi-'-ee*4 Odt servir irais de conducteur tt 9 pour la ptat-tion cathodique de constructions sous-marines 311ec nue les bepafttement et le* Jetées, mais lorFu'il est utilisé dan* les condition? plus sévère qui règnent dans les Huiez électroly tiques produisant dWalûore et où l'anode doit avoir #une\ surface plans, le conducteur suivant l'invention peut comporter, ?ar daPmpl, un opercule d'extrémité en titane, l'extraite fer- 'f |M diamètre suffisamment augmenté pour que l'opercule --surface #tj* ihji ( de la grandeur nécessaire, après t/';*pif é%\-vk'yktv d'un méta;.;roupe du platine.
Toutefois, si t', ',4fbriqué st,#"t,lvtnvention doit servir à alisentar cyrvx un* anode séparé'*, fora 4e d'une thle de titane portant ; F '$ . 1.. -' !. t 3 ' ' . ,.. -ru&rW- - d'un cote une couche anodique d'un métal du froupe du platine et pourvue de l'autre coté d'un ou plusieurs godets en titane recevant le*? extrémités d'un conducteur de courant, il ne doit pas être muni d'un opercule d'extrémité en titane, étant donné que l'extrémité du conducteur pénétrant dans le godet en titane est protégée contre l'électrolyte par la tôle de titane qui supporte le métal du groupe du platine constitutif de l' anode. Dans ce cas,
le conducteur fa-
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briqué par le croeédé de l'invention peut avoir toute longueur appro- priée et des tronçons de la longueur requise peuvent être coupés par la suite pour être utilisés comme connecteurs de l'anode.
Pour la simplicité, on se référera dans la description
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ci-après de la mise en oeuvre de l'invention, a l'utilisation de l'aluminium qui est le métal préféré pour lime, mais il va de soi que Io-.q même'! conditions de travail s'appliquent de façon générale à d'autres métaux, comme on l'a déjà indiqué.
. Pour exécuter le procédé de l'invention, de l'aluminium est introduit dans une gaine de titane, qui est conçue de façon à retenir de l'aluminium fondu,et la gaine et l'aluminium sont , alors maintenus en atmosphère inerte à une température supérieure '
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f # y au point de fusion de l'aluminium mais inférieure à celui du tttmé-
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pendant un tamps suffisant pour fermer une ment d'alliage titane/ aluminium à l'interface titanc/aluminium. Le temps pendant lequel l'aluminium fondu est maintenu au contact du titane ne doit copen- dant pas être inutilement long/ si on veut éviter une dissolution importante du titane dans 1'aluminium, dont il résulterait une ré- duction de la résistance à la corrosion de la gaine en titane.
On a trouvé qu'une température de 700 à 750 C entretenue pendant 30 minutes est satisfaisante, la durée diminuant progressivement avec l'augmentation de latempérature.
Dans le procédé de l'invention, il faut/ avant d'introduire l'aluminium, traiter la gaine en titane pour éliminer la pelli- cule d'oxyde eventuellede de$ surfaces inférieures*.' La pellicu- le d'oxyde peut être éliminée, par exemple, endécapant le titane pendant 2 à 5 minutes dans un mélange de 20% d'acide nitrique et de 4% d'acide fiuorhydrlque. Il est préférable aussi de dé- graisser le titane avant le décapage.
Pour obtenir les meilleurs résultats, il convient d'éliminer de l'aluminium la pellicule éven- tuelle de lubrifiant protecteur et d'oxyde, avant de le faire fondre pour l'utiliser dans le procédé de l'invention, par exemple, en le décapant dans une solution aqueuse froide à 30% de soude caustique pendant environ 5 minutes.
L'aluminium peut être introduit dans la gaine en titane sous la forme d'un ou de plusieurs barreaux ou lingots qui ont été nettoyés par décapage, comme décrit ci-dessus. La gaine contenant les barreaux doit être chauffée alors en atmosphère inerte afin de faire fondre l'aluminium puis de maintenir la température de l'ensem: ble au-dessus du point de fusion de1'aluminium pendant un temps suffisamment long pour former la zone d'alliage.
La fusion et la formation de l'alliage peuvent s'obtenir, par exemple, en plaçant l'ensemble dans un four à la température choisie ou en le faisant passer de haut en bas par rapport à un dispositif de chauffage par induction, de façon que,la fusion et la formation 1-1,alliage
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aient lieu de bas en haut et que la gaine soit bien remplie par l'aluminium. Un autre procédé consiste à faire fondre dans un récipient séparé l'aluminiun nettoyé au préalable et à introduire, en atmosphère de gaz inerte, l'aluminium fondu dans la gaine en titane, décapée au préalable.
La température de la gaine et de l'âme fondue est maintenue alors au-dessus du point de fusion de l'aluminium pendant le temps nécessaire pour former la couche d'alliage. Lorsqu'on exécute le procédé de cette façon, il est préférable de chauffer la gaine en titane à une température supérieure au point de fusion de l'aluminium avant d'y introduire l'aluminium fondu.
Les exemples suivants, dans le"quels on se réfère aux dessins annexés, illustrent davantage l'invention et ses applications.
Les figs. 1 à 4 des dessins illustrent le procédé de l'invention et les figs. 5 à 7 certaines façons d'utiliser le conducteur électrique suivant l'invention.
Sur la fig. 1, une gaine en titane 1, constituée par un tube à extrémités ouvertes ayant un diamètre de 88,89 mm et des parois d'un. épaisseur de 0,559 mm, dégraissé puis décapé pendant 5 minutes dans un mélange acide nitrique:acide fluorhydrique, est munie d'un opercule d'extrémité provisoire résistant à la chcleur 2 et contient un lingot d'aluminium 3 qui a été nettoyé par décapa. pendant 5 minutes dans une solution aqueuse à 30% de soude causti- @ que. Pour former le conducteur électrique, la coulée et la formation d'alliage peuvent être exécutées en plaçant l'ensenble repré- senté à la fig. 1 dans un four à atmosphère d'argon, par exemple à 700-7500 C pendant 30 minutes au total.
La fig. 2 représente un autre ensemble prêt pour les opérations de coulée et d'alliage. La gaine en titane 1 comprend une partie de diamètre plus rrand 4 et un opercule d'extrémité en titan.
5 venus d'une pièce. Lorsque 1'assemblage est porté à une température supérieure au point de fusion de l'aluminium, les barreaux
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d'aluminium 3 fondent et remplissent la partie de plus grand diamè- tre de la gaine 4 ainsi que la partie inférieure du col de la gaine.
La flg. 3 illustre un agencement approprié convenant pour la fabrication d'un long conducteur électrique tubulaire. Une gaine tubulaire en titane 1, qui a été dégraissée et décapée dans un mé- lance acide nitrique/acide fluoahydrique, est pourvue d'un opercule intérieur thermorésistant provisoire, comme représenté en 6 et contient un lingot d'aluminium 3 qui a été nettoyé par décapage dans une solution de soude caustique et s'adapte dans la gaine en titane en ne laissant qu'un étroit espace libre. La gaine en titane 1 est entourée d'une chemise 7 contenant une bobine de chauffage par induction 8 et comportant une admission 9 et une sortie 10 permettant de faire passer un courant d'argon en vue de protéger la surface extérieure de la'gaine en titane contre l'attaque par l'air.
La chemise 7 est pourvueégalement à chaque extrémité de dispositifs d'étanchéité sensiblement étanches aux gaz
11 et la gaine en titane 1 est ajustée avec glissement dans ces dispositifs. La fig. 3 montre la position des éléments pendant les opérations de coulée et d'alliage suivant l'invention.
Au début de ces opération., lagaine en titane 1 est disposée de façon que l'extrémité inférieure du lingot d'aluminium 3 se trouve à l'intérieur de la bobine de chauffage par induction 8. On fait passer un courant d'argon dans la chemise 7 et également dans la partiesupérieure de la faine 1, en 12, pour chasser l'air de l'intérieur de la gaine et la bobine de chauffage est alimentée de courant électridue, à partir d'une source non représentée, pour faire fondre la partie inférieure du lingot d'aluminium 3. On fait alors descendre la gaine en titane 1 par rapport au manteau 7 et à la bobine de chauffage 8 de façon que le lingot d'aluminium 3 tome progressivement depuis son extrémité inférieure au fur et à mesure qu'il pénètre dans la bobine de chauffage,
et l'aluminium fondu se resolidifie au sortir de la bobine, la vitesse du dépla-
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cement relatif de la gaine en titane et de la bo@ @ étant telle qu chaque partie de la gaine et de l'aluminium qu'alle contient soit maintenue à une température supérieure au point de fusion de l'aluminium pendant le temps nécessaire pour former une zone d'alliage titane/aluminium à ]'interface titane/aluminium.
Au stade que représente la fig. 3, la partie 13 de l'aluminium a déjà traversé la bobine de chauffage et 'est résolidifiée, et il s'est formé dans cette région une zone d'alliage 14. Le chiffre 15 indique une partie fonJue d'aluminium et le chiffre 16 la par- tie supérieure du lingot qui n'a pas encore été fondue.
La fig. 4 illustre une forme d'exécution de l'invention dans laquelle l'aluminiun formant l'âme est fondu avant d'être introduit dans la gaine en titane. Le chiffre 17 représente une chambre de four comportant une admission 18 et une sortie 19 per- mettant de faire circuler un courant d'argon et d'entretenir une atmosphère d'argon dans la chambre, laquelle est munie à sa périphé- rie d'éléments de chauffage par rayonnement 20 qui servent à préchauf. fer une faine en titane 1 à une température supérieure au point de fusion de l'aluminium et à entretenir la température de la gaine et de l'âme fondue pendant la formation de l'alliage.
De l'alu- minium métallique 21 est fondu dans le récipient 22 à l'aide d'une bobine de chauffage par induction 23 et l'aluminium fondu est introduit par une vanne 24 dans la gaine préchauffée 1.
Il convient de noter oue pour la plupart des applications, les conducteurs fabriqué*! comme décrit ci-dessus doivent recevoir, après refroidissement, un usinage leur donnant une forme cylindri- que vraie.
Les figs. 5 à 7 représentent en coupe un conducteur élac- trique fabriqué suivant l'invention et utilisé comme connecteur élec- trique d'une anode.
La fig. 5 représente une gaine tubulaire en titane 1 com- portant une partie inférieure de plus grand diamètre 4 qui est aou- dée à sa circonférence en 25 à un opercule d'extrémité en
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et contenant une âme en aluminium 3 ainsi qu'une couche intermédiai- re d'alliage 14. L'opercule d'extrémité en titane 5 s'étend au- delà de la circonférence de la partie tubulaire inférieure de plus grand diamètre 4 et est rectangulaire pour pouvoir s'adapter dans une cellule électrolytique rectangulaire. Une couche anodique de métal du groupe du platine a été appliquée sur le côté inférieur de cet opercule d'extrémité 5, comme représenté en 26.
La fig. 6 montre un conducteur comprenant une gaine tubulaire en titane 1 et un opercule d'extrémité venus d'une pièce, une âme en aluminium 3 et une couche intermédiaire d'alliage 14, qui a été revêtu d'une couche anodique 27 d'un métal du groupe du platine pour pouvoir servir à la fois de conducteur et d'anode dans des applications de protection cathodique.
La fig. 7 représente un conducteur qui comprend une gai- ne tubulaire en titane 1 et un'opercule d'extrémité venus d'une pièce, une &me en aluminium 3 et.une couche intermédiaire d'alliage 14,et qui est adapté dans une plaque anodique en graphite 28.
Pour assurer une bonne connexion électrique entre la gaine en tita- ne et la plaque anodique en graphite, l'extrémité de la gaine en titane a reçu un revêtement 29 d'un métal du groupe du platine avant d'être ajustée avec serrage dans un trou foré dans le graphite, comme décrit dans le brevet anglais n 881.625. Un barreau de cui- - vre fileté 30 est vissé dans l'extrémité* supérieure de l'âme d'alu- , minium 3, prêt à être relié au pôle positif d'une source de courant.
La fabrication d'un conducteur électrique modifié suivent l'Invention est illustrée par les tirs. 8 et 9. Ce mode d'exécution permet d'obtenir un dispositif pour fixer au conducteur un connec- ' teur électrique extérieur plus robuste que l'agencement de la fig.
7, où un barreau de cuivre 30 est vissé directement dans l'âme d'a- luminium 3.
La fig. 8 montre les éléments du conducteur modifié, prêts à être chauffés pour former une zone d'alliage entre la gaine en titane 1 et l'âme en aluminium 3. Dans ce mode d'exécution, l'âme en aluminium 3 a la forme d'un lingot, et 31 reprérente un
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lingot de fer ou d'acier, par exemple d'acier doux, de diamètre plut petit, suspendu proviscirement dans la gaine 1 à l'aide du barreau ou du fil de support 32.
Pour former le conducteur, on chauffe le tout en atmosphère inerte afin de faire fordre l'aluminium et constituer la vone d'alliage entre le titane et l'aluminium, et le lingot d'acier 31 est abairré simultanément de façon à l'immer- ger à peu près totalement dans l'aluminium fondu, de telle porte qu'il se crée également ure zone d'alliage (33, fig. 9) connectant l'aluminium et l'ême intérieure en acier.
L'assem- blage est alors refroidi dans l'atmosphère inerte, le support provisoire 32 est retiré, la surface supérieure de l'âme en alu- mini,. et de l'âme en acier est de pleférence planée per usinage et l'âme d'acier est forée et taraudée pour recevoir un connecteur* électrique vissé, par exemple un barreau de cuivre 34, comme indiqué ; sur la fig. 9, laouelle représente l'ensemble achevé. Le barreau 34 peut aussi être ajusté à serrage dans l'âme en acier. Si on le désire, la seetior de la gaine de titane 1 peut être de plus grand diamètre à son extrémité inférieure, comme c'est le cas de la gaine représentée sur la fig. 2.