EP0030060B1 - Process and apparatus for automating a vacuum degassing stage of aluminium alloys - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet le dégazage sous vide des alliages d'aluminium et sa régulation.The present invention relates to vacuum degassing of aluminum alloys and its regulation.
On sait que les alliages d'aluminium dissolvent des gaz en particulier de l'hydrogène. Ces gaz étant moins solubles dans le métal solide que dans le métal liquide, peuvent se dégager lors de la solidification et donner des microporosités.It is known that aluminum alloys dissolve gases, in particular hydrogen. These gases being less soluble in solid metal than in liquid metal, can be released during solidification and give microporosities.
Pour diminuer la teneur en gaz et essentiellement en hydrogène des alliages d'aluminium on peut:
- - ou effectuer un dégazage chimique par l'introduction dans le métal de produits qui, en se décomposant, donnent un élément susceptible de se combiner avec l'hydrogène (en général C12 pour donner HCI, le chlore étant sous forme de chlore naissant);
- - ou effectuer un dégazage physique par un barbottage de gaz (azote, argon, chlore en général); la pression partielle de l'hydrogène dans la bulle de gaz barbotteur étant inférieure à celle du métal, l'hydrogène du métal diffuse dans la bulle;
- - ou effectuer un dégazage sous vide. Le métal est introduit dans un four étanche dans lequel on fait le vide ou on pose sur le creuset un couvercle et on fait le vide sous celui-ci. Les niveaux de vide résiduels sont de 1 à 30 millibars. Le vide est arrêté après un temps tel que la solidification sous vide, après opération, d'un lingotin prélevé dans le métal, soit satisfaisante (concavité de la surface, mesure de la densité, tranche radiographique).
- - or carry out a chemical degassing by the introduction into the metal of products which, by decomposing, give an element capable of combining with hydrogen (in general C1 2 to give HCI, the chlorine being in the form of nascent chlorine) ;
- - or carry out a physical degassing by bubbling gas (nitrogen, argon, chlorine in general); the partial pressure of the hydrogen in the bubbling gas bubble being lower than that of the metal, the hydrogen of the metal diffuses in the bubble;
- - or perform a vacuum degassing. The metal is introduced into a sealed oven in which a vacuum is created or a cover is placed on the crucible and a vacuum is created under it. Residual vacuum levels are from 1 to 30 millibars. The vacuum is stopped after a time such that the solidification under vacuum, after operation, of an ingot taken from the metal, is satisfactory (concavity of the surface, measurement of the density, radiographic section).
Si le résultat est non satisfaisant, on reprend le dégazage.If the result is not satisfactory, the degassing is resumed.
Un tel dégazage sous vide est illustré par exemple par le document "FONDERIE, vol. 30, N° 350, Novembre 1975, K. ALKER: dégazage par le vide des alliages d'aluminium de fonderie."Such vacuum degassing is illustrated, for example, by the document "FOUNDRY, vol. 30, No. 350, November 1975, K. ALKER: vacuum degassing of foundry aluminum alloys."
Dans ce document on utilise la méthode de la première bulle qui ne s'applique qu'au départ du dégazage car ensuite les bulles se dégagent sous un plan d'oxyde et ne peuvent plus s'observer. Ce procédé consiste donc à constater a posteriori que l'opération de dégazage est terminée et ne permet pas de diriger cette opération en fonction de son évolution mesurée.In this document, the first bubble method is used, which only applies at the start of degassing because then the bubbles are released under an oxide plane and can no longer be observed. This process therefore consists in observing a posteriori that the degassing operation has ended and does not allow this operation to be directed according to its measured evolution.
L'objet de la présente invention est un procédé d'automatisation d'un cycle de dégazage dans un four sous vide d'alliages d'aluminium, caractérisé en ce qu'il consiste:
- - après avoir au préalable enregistré les courbes optimales de dégazage, c'est-à-dire les courbes de pression partielle en fonction du temps, de l'alliage considéré, au cours d'un stade de mise au point par enregistrement des cycles d'essais et établissement des corrélations existant entre ces enregistrements et les propriétés d'un lingotin solidifié sous vide et celles d'une éprouvette présentant des gradins d'épaisseurs différentes;
- - à décomposer les courbes de dégazage en quatre phases: une première phase pendant laquelle l'alliage passe de la pression partielle d'origine P1 à une pression P2 avec une vitesse V1 suffisamment lente pour éviter tout bouillonnement de l'alliage, une seconde phase entre les pression P2 et P3, effectuée avec une vitesse V2 supérieure à V1, une troisième phase entre les pressions P3 et P4, effectuée avec une vitesse V3 inférieure à V2 et une quatrième phase de maintien à la pression partielle P4 avec une vitesse de dégazage nulle et à mettre en mémoire les valeurs Pt, P2, P3, P4 ainsi que Vt, V2 V3;
- - au stade opérationnel de dégazage d'un alliage donné dans un four, à mesurer à intervalles de temps donnés (At) la valeur de la pression partielle d'hydrogène au cours du dégazage, à calculer la variation de pression partielle pendant le temps At, à comparer ces valeurs avec les valeurs optimales mémorisées correspondantes et à agir en conséquence sur le vide à l'intérieur du four de manière que lesdites valeurs mesurées suivent constamment lesdites valeurs optimales correspondantes jusqu'à l'obtention, dans la phase finale de maintien, de la pression partielle d'hydrogène prédéterminée.
- - after having previously recorded the optimal degassing curves, that is to say the partial pressure curves as a function of time, of the alloy considered, during a development stage by recording the cycles d 'tests and establishment of the correlations existing between these records and the properties of an ingot solidified under vacuum and those of a test piece having steps of different thicknesses;
- to decompose the degassing curves into four phases: a first phase during which the alloy changes from the original partial pressure P 1 to a pressure P 2 with a speed V 1 sufficiently slow to avoid any bubbling of the alloy, a second phase between the pressures P 2 and P 3 , carried out with a speed V 2 greater than V 1 , a third phase between the pressures P 3 and P 4 , carried out with a speed V 3 less than V 2 and a fourth phase of maintaining partial pressure P 4 with zero degassing speed and storing the values Pt , P2 , P3 , P4 as well as Vt , V2 V 3 ;
- - at the operational degassing stage of a given alloy in a furnace, to measure at given time intervals (At) the value of the partial pressure of hydrogen during degassing, to calculate the variation in partial pressure during the time At , to compare these values with the corresponding optimal stored values and to act accordingly on the vacuum inside the furnace so that said measured values constantly follow said corresponding optimal values until obtaining, in the final maintenance phase , the predetermined partial pressure of hydrogen.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus comporte un four étanche, un creuset contenant l'alliage à dègazer et une source de vide, et est caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, un pilote régulant une vanne interposée entre la source de vide et le four étanche contenant le creuset avec l'alliage à dégazer, une électrode à dosage d'hydrogène immergée dans l'alliage et reliée à un enregistreur de pression partielle d'hydrogène lui-même relié au pilote, le pilote comprenant un ensemble entrées-sorties permettant l'introduction des valeurs des paramètres, un ensemble calculateur, et un ensemble mémoires où sont stockées les valeurs des paramètres correspondants des courbes optimales.The device for implementing the above method comprises a sealed oven, a crucible containing the degassing alloy and a source of vacuum, and is characterized in that it further comprises a pilot regulating an interposed valve between the vacuum source and the sealed oven containing the crucible with the alloy to be degassed, a hydrogen metering electrode immersed in the alloy and connected to a partial hydrogen pressure recorder itself connected to the pilot, pilot comprising an input-output assembly allowing the introduction of the values of the parameters, a computer assembly, and a memory assembly where the values of the corresponding parameters of the optimal curves are stored.
A la présente description sont annexées la figure 1 représentant le schéma de dégazage selon l'invention, la figure 2 illustrant une réalisation de l'invention, la figure 3 illustrant le principe de la régulation et la figure 4 représentant une plaque à gradins.To the present description are attached Figure 1 showing the degassing diagram according to the invention, Figure 2 illustrating an embodiment of the invention, Figure 3 illustrating the principle of regulation and Figure 4 showing a stepped plate.
Dans la présente invention le dégazage sous vide est conduit pour atteindre les objectifs suivants:
- - obtenir dans trois premières phases des vitesses de dégazage déterminées;
- - obtenir dans une quatrième phase, phase finale de maintien, une pression partielle déterminée;
- - réguler par un automatisme ces phénomènes;
- - avoir une agitation de la masse du métal;
- - ne pas détruire la modification du silicium dans le cas des alliages siliciés.
- - obtain in the first three phases determined degassing rates;
- - obtain in a fourth phase, final maintenance phase, a determined partial pressure;
- - regulate these phenomena automatically;
- - have an agitation of the mass of the metal;
- - do not destroy the modification of silicon in the case of silicon alloys.
Il est apparu en effet que le dégazage, exprimé par la pression partielle d'hydrogène dans le métal en fonction du temps, doit s'effectuer selon le schéma figure 1.It appeared in fact that the degassing, expressed by the partial pressure of hydrogen in the metal as a function of time, must be carried out according to the diagram in FIG. 1.
Dégazage à vitesse lente V1 pour éviter tout bouillonnement conduisant à la création d'oxydes dans cette phase où la pression dans l'enceinte laisse subsister dans l'atmosphère au-dessus du métal une pression partielle d'oxygène trop importante.Degassing at slow speed V 1 to avoid any bubbling leading to the creation of oxides in this phase where the pressure in the enclosure leaves too much partial pressure of oxygen in the atmosphere above the metal.
Ce phénomène entraînerait également la disparition du sodium introduit pour assurer la modification de la forme du silicium de l'alliage dans le cas des alliages siliciés.This phenomenon would also cause the disappearance of the sodium introduced to ensure the modification of the shape of the silicon of the alloy in the case of silicon alloys.
Quand on atteint une pression partielle d'hydrogène P2 dans le métal, application d'une vitesse rapide de dégazage V2 jusqu'à obtention d'une pression partielle P3, le bouillonnement ayant été évité par le passage de P1 à P2.When a partial pressure of hydrogen P 2 in the metal is reached, application of a rapid degassing speed V 2 until a partial pressure P 3 is obtained, boiling having been avoided by the passage from P 1 to P 2 .
Quand on atteint une pression partielle d'hydrogène P3, application d'une vitesse lente V3 jusqu'à la pression P4 afin de permettre ensuite l'établissement d'une vitesse nulle.When a partial pressure of hydrogen P 3 is reached, application of a slow speed V 3 to the pressure P 4 so as to then allow the establishment of a zero speed.
Quand la pression partielle d'hydrogène est P4, établissement d'une vitesse nulle pour conserver dans le métal une pression d'hydrogène résiduelle.When the partial pressure of hydrogen is P 4 , establishment of a zero speed to maintain in the metal a residual hydrogen pressure.
Il est en effet apparu qu'avec une teneur trop faible en hydrogène dans le métal, des défauts apparaissent au cours de la solidification, caractérisés par une localisation au lieu d'une dispersion sous la forme généralement de retassures marquées dans des rayons de raccordement ou de criques.It has indeed appeared that with a too low hydrogen content in the metal, defects appear during solidification, characterized by a localization instead of a dispersion in the form generally of indentations marked in connecting radii or of coves.
La réalisation comprend selon figure 2:
- 1. un four étanche 1 assurant de préférence le chauffage par induction pour maintenir une température (en général voisine de 750°C) et assurer des mouvements de la masse de métal liquide pour renouveler les couches en contact avec le vide.
- Le four comprend ou contient:
- - l'inducteur 2;
- - le
creuset 3; - - le métal 4;
- - le
couvercle 5; - - le
joint 6 résistant à des températures de l'ordre de 300°C (polymère à base de silicone de préférence) protégé de l'atmosphère du four par des briques isolantes; - - le
thermocouple 7 permettant d'assurer l'enregistrement de la température et sa régulation par l'enregistreur-régulateur 8 qui commande le circuit de l'inducteur 2.
- Le four comprend ou contient:
- 2. un circuit de vide comprenant:
- - la prise 9 dans le four;
- - le réfrigérant 10 par exemple à eau;
- - les filtres 11 pour neutraliser les produits qui peuvent subsister sous forme de flux dans le métal ou sur les parois du creuset;
- -
un réservoir 18; - - une pompe à vide 19 branchée sur ce réservoir;
- - un ensemble de mesure et de régulation de vide dans le réservoir 18 par:
- . l'indicateur de pression 20;
- . le pressostat régulateur 21 qui commande la pompe, le vide dans le réservoir étant par exemple de l'ordre de 2 millibars;
- . une vanne automatisée 22 mettant le réservoir en communication avec le four;
- .
un robinet 23 permettant d'isoler le four.
- 3. un système de mesure et de régulation comprenant:
- - une électrode à dosage d'hydrogène immergée (14, 15)
- - un enregistreur de pression partielle d'hydrogène 16;
- -
un pilote 17 régulant la vanne 22.
le pilote comprend par exemple:- - un ensemble entrées-sorties;
- - un ensemble calculateur;
- - un ensemble mémoires;
- - et peut être construit autour de microprocesseurs et d'horloges électroniques;
- 1. a sealed
oven 1 preferably providing induction heating to maintain a temperature (generally close to 750 ° C.) and ensuring movements of the mass of liquid metal to renew the layers in contact with the vacuum.- The oven includes or contains:
- -
inductor 2; - -
crucible 3; - - metal 4;
- - the
cover 5; - - The
seal 6 resistant to temperatures of the order of 300 ° C (preferably silicone-based polymer) protected from the atmosphere of the oven by insulating bricks; - - the
thermocouple 7 enabling the temperature to be recorded and regulated by the recorder-regulator 8 which controls the circuit of theinductor 2.
- -
- The oven includes or contains:
- 2. a vacuum circuit comprising:
- - socket 9 in the oven;
- - The refrigerant 10, for example water;
- - The filters 11 to neutralize the products which may remain in the form of flux in the metal or on the walls of the crucible;
- - a
reservoir 18; - - a
vacuum pump 19 connected to this tank; - a set of measurement and regulation of vacuum in the
reservoir 18 by: - . the
pressure indicator 20; - . the regulator pressure switch 21 which controls the pump, the vacuum in the tank being for example of the order of 2 millibars;
- . an automated valve 22 putting the reservoir in communication with the oven;
- . a
valve 23 for isolating the oven.
- 3. a measurement and regulation system comprising:
- - an immersed hydrogen metering electrode (14, 15)
- - a hydrogen
partial pressure recorder 16; - - a
pilot 17 regulating the valve 22.
the pilot includes for example:- - an input-output set;
- - a computer assembly;
- - a set of memories;
- - and can be built around microprocessors and electronic clocks;
Il y est introduit les paramètres de la courbe de base figure 1:
- a) Pressions P2 fin de la phase I;
- P3 II;
- P4 III;
- b) Vitesses V1 pour la phase I;
- V2 II;
- V3 III;
- c) L'unité de temps de mesure de pression partielle: Δt
- a) P 2 pressures at the end of phase I;
- P 3 II;
- P 4 III;
- b) V 1 speeds for phase I;
- V 2 II;
- V 3 III;
- c) The partial pressure measurement time unit: Δt
- - reçoit l'indication de variation réelle de pression partielle dans le temps ΔT soit ΔPR;- receives the indication of actual variation in partial pressure over time ΔT, ie ΔPR;
- - calcule la variation théorique de pression partielle à obtenir dans le même temps ΔT soit ΔPT par la relation: ΔPT - V.ΔT- calculates the theoretical partial pressure variation to be obtained at the same time ΔT or ΔP T by the relation: ΔPT - V.ΔT
- - compare ΔPR et ΔPT;- compare ΔP R and ΔP T ;
-
- commande:
- . la fermeture de la vanne automatisée 22 si ΔPR > ΔPT
- . l'ouverture de la vanne si ΔPR ≤ ΔPT.
- . closing the automated valve 22 if ΔP R > ΔP T
- . opening the valve if ΔPR ≤ ΔPT.
Le principe de la régulation est représenté par le schéma figure 3.The principle of regulation is represented by the diagram in Figure 3.
Le pilote peut recevoir ses informations de plusieurs fours à vide et les réguler comme le premier à partir des vannes automatisées 24, 25, etc.The pilot can receive his information from several vacuum furnaces and regulate it like the first from the
Il peut recevoir toutes les indications d'entrées sans passer par l'affichage, les paramètres étant mis en mémoire pour:
- - chaque type d'alliage;
- - chaque dimension de creuset.
- - each type of alloy;
- - each crucible dimension.
L'obtention du vide optimal est alors commandée par ces deux seuls paramètres.Obtaining the optimal vacuum is then controlled by these two parameters alone.
Les courbes donnant la pression partielle d'hydrogène en fonction du temps sont enregistrées et comparées lors de la mise au point aux résultats de deux tests significatifs:
- 1) Un lingotin de métal est prélevé dans le creuset 3 figure 2 par
une capsule d'acier 26 selon figure 2. Il est solidifié sous 2 millibars en branchant l'enceinte 27 où il va se solidifier sur le réservoir 18.
- 1) A metal ingot is taken from the
crucible 3 in FIG. 2 by asteel capsule 26 according to FIG. 2. It is solidified under 2 millibars by connecting the enclosure 27 where it will solidify on thereservoir 18.
L'enceinte est munie d'un couvercle de verre 28 à travers lequel on peut suivre la solidification.The enclosure is provided with a
On note:
- - le temps d'apparition des premières bulles;
- - la concavité de la surface;
- - la densité du lingotin.
- 2) Une plaque à gradins de 200 mm par 200 mm par exemple selon figure 4, constituée de gradins d'épaisseur
20, 16, 12, 8, 4 mm par exemple est coulée dans un moule en sable de préférence en basse-pression.variable de
- - the time of appearance of the first bubbles;
- - the concavity of the surface;
- - the density of the ingot.
- 2) A 200 mm by 200 mm stepped plate for example according to FIG. 4, made up of steps of variable thickness of 20, 16, 12, 8, 4 mm for example is poured into a sand mold preferably in low- pressure.
La plaque est examinée en radiographie. Un métal satisfaisant doit conduire avec un alliage AS7606 par exemple à des microporosités:
Le four peut être alimenté en métal à partir du four de fusion par pompe, électromagnétique par exemple. De même pour l'évacuation du métal après le dégazage sous vide, par exemple vers le creuset d'une machine basse-pression.The furnace can be supplied with metal from the melting furnace by pump, electromagnetic for example. Likewise for the evacuation of the metal after degassing under vacuum, for example to the crucible of a low-pressure machine.
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