METHOD AND DEVICE FOR AUTOMATIC VACUUM DEGASSING OF ALUMINUM ALLOYS

PROCEDE ET DISPOSITIF D'AUTOMATISATION D'UN CYCLE DE DEGAZAGE SOUS VIDE D'ALLIAGES D'ALUMINIUM

Abrégé français

PRECIS DE LA DIVULGATION
Procédé et dispositif permettant de régler les
vitesses de dégazage sous vide d'alliages d'aluminium
et la pression partielle résiduelle d'hydrogène. Le
procédé consiste en une décomposition du cycle de
dégazage en phases caractéristiques associées à des
paramètres particuliers. Le dispositif est un ensemble
calculateur permettant d'obtenir ces paramètres.
L'invention peut être utilisée pour la préparation du
métal avant coulée de pièces de fonderie, de lingots ou
d'ébauches de corroyage.

Revendications

Les réalisations de l'invention au sujet des-
quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège
est revendiqué, sont définies comme il suit:
1. Procédé d'automatisation d'un cycle de
dégazage sous vide d'alliages d'aluminium caractérisé
par:
- la décomposition du cycle de dégazage en
quatre phases de base:
PHASE I. le métal passe d'une pression par-
tielle d'hydrogène P1 origine à une pression inférieure
P2 avec une vitesse de dégazage fixée, lente, V1;
PHASE II.- on passe de la pression partielle
P2 à une pression P3 à une vitesse V2 plus rapide que
V1, et fixée;
PHASE III.- on passe de la pression P3 à P4
avec une vitesse V3 fixée lente;
PHASE IV.- on maintient le métal avec une
vitesse de dégazage nulle, avec une pression partielle
d'hydrogène P4;
- la détermination des paramètres de dégazage
attachés à ces différentes phases dans le stade de mise
au point par enregistrement des cycles et établissement
des correlations existant entre ces enregistrements et
les propriétés d'un lingotin solidifié sous vide et
celles d'une plaque présentant des gradins d'épais-
seurs différentes; et
- 10 -
- la régulation du vide de manière à assurer
la concordance entre les paramètres retenus et ceux
réellement obtenus lors du déroulement du cycle de
dégazage.
2. Procédé d'automatisation selon la
revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à
déclencher la phase par une électrode de dosage
immergée dans le métal.
3. Procédé d'automatisation suivant l'une
quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce
qu'il consiste à associer à l'ensemble un four de
chauffage à induction.
4. Dispositif destiné à réaliser le procédé
d'automatisation décrit dans la revendication 1,
caractérisé par:
- un ensemble entrées-sorties qui
transforme les indications données sous forme numérique
pour les paramètres du cycle de dégazage, à savoir les
pressions d'hydrogène en fin de phases (P2, P3,P4) et
les vitesses de diminution de pression partielle
d'hydrogène au cours des phases (V1, V2, V3) et l'unité
de temps de mesure;
- un ensemble calculateur capable de
transformer la vitesse de dégazage en variation de
pression partielle théorique et de régler la pression
dans l'enceinte du four pour obtenir une variation
-11-
identique à celle demandée à partir des indications de
la courbe type mises dans un ensemble mémoire, la
comparaison entre les pressions partielles et
théoriques entraînant par le microproceseur la commande
d'ouverture et de fermeture de la vanne mettant en
communication le four et le réservoir sous vide.
-12-
5. Dispositif d'automatisation selon la
revendication 4, caractérisé en ce qu'il est constitué
comme un appareil autonome à partir de composants tels
que zones codeuses, microprocesseurs, mémoires pour lui
donner les caractéristiques d'un appareil d'atelier.
6. Dispositif d'automatisation selon la
revendication 4, caractérisé par le fait qu'il règle
plusieurs fours.
7. Dispositif d'automatisation selon l'une
quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le
fait que les différents fours sont raccordés à un même
réservoir sous vide.
8. Dispositif d'automatisation selon l'une
quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par la
régulation de la température du métal à un niveau qui
est celui du maintien avant coulée ou transvasement ou
celui de l'une de ces deux opérations.
-13-

Description

-- 1 --
La présente invention a pour objet le dégazage
sous vide des alliages d'aluminium et sa régulation.
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 micro-porosités.
Pour diminuer la teneur en gaz et
essentiellement en hydrogène des alliages d'aluminium,
on peut:
- ou effectuer un dégazage chimique par
l'in-troduction dans le métal de produits qui, en se
décomposant, donnent un élément susceptible de se
combiner avec l'hydrogène (en général C12 pour donner
HCl, 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 sur 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 son-t de 1 a 30 millibars. Le vide est arrêté
après un temps tel que la solidification sous vide,
r~ ~1
après opération, d'un li.ngotin prélevé dans le mé-tal,
soit sa.tisfaisan-t (concavité de la surface, mesure de
la densi-te, tranche .radlographique).
Si le resultat est non sa-tisfaisant, on
reprend le degazage.
Dans la presente invention le degazage sous
vide est conduit pour atteindre les objec-tifs suivants:
- obtenir dans trois premières phases des
vitesses de degazage determinées.
- obtenir dans une 4e phase, phase finale de
mai.ntien, une pression partielle determinée.
- 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 silicies.
Dans les dessi.ns annexes,
la flgure 1 illustre un schema de la pression
partielle d'hydrogène dans l'alliage d'aluminium sous
vide en fonction du temps, montrant les differentes
vitesses de degazage des phases de degazage;
la figure 2 est un schema de l'appareil de la
presente invention;
Ia figure 3 est un schema illustrant le
système de mesure et de regulation de la presente
invention; et
la figure 4 montre une plaque à gradins
- 3
utilisee pour obtenir les paramè-tres de degazage de la
presente inven-tion.
Il est apparu en efEet que le degazage,
exprime par la pression partielle d'hydrogène dans le
métal en fonction du temps, doit s'effectuer selon le
schema figure I.
PH~SE I. - Dégazage à vitesse lente Vl pour
éviter tout bouillonnement conduisant à la créa-tion
d'oxydes dans cet-te phase où la pression dans
l'enceinte laisse subsister dans l'a-tmosphère au-dessus
du métal une pression partielle d'oxygène trop
importante.
Ce phénomène entraînerait également la
disparition du sodium introduit pour asurer la
modification de la forme du silicium de l'alliage dans
le cas des alliages siliciés.
PH~SE II. - Quand on atteint une pression
partielle d'hydrogène P2 dans le métal, application
d'une vitesse rapide de dégazage V2 jusqu'à obtenti,on
d'une pression partielle P3, le bouillonnement ayant
été évité par le passage de la pression partielle Pl,
telle qu'elle se trouve au départ, à P2
PHASE III.- Quand on atteint une presion
partielle d'hydrogène P3, application d'une vitesse
lente V3 jusqu'à la pression P4 afin de permettre
ensuite l'é-tablissement d'une vitesse nulle.
PHASE I~. - Quand la pression partielle
d'hydrogène est P4, établissemen-t dune vitesse nulle
pour conserver dans le métal une pression d'hydrogène
résiduelle.
Il est en effet apparu qu'avec une -teneur trop
faible en hydrogène dans le mé-tal, des défau-ts
apparaissent au cours de la solldification carac-terisés
par une localisation au l:i.eu d'une dispersion sous la
forme généralement de retassures marquées dans des
rayons de raccordemen-t ou de criques.
REALISATIO~.
La réalisation comprend selon figure II:
1) UN FOUR étanche (1) assurant de préférence
le chaufEage par induction pour maintenir une
températuxe (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
- l.e thermocouple (7) permettant
d'assurer l'enregistxement de la température e-t sa
régulation par l'enregistreu:r-régula-teur (8)qui
commande le circui-t de l'induc-teur (9).
2 ) UN CI~CUIT DE' VID~ comprenant:
- la prise (9) dans le four.
- le réfrigérant (10) par exemple à eau.
- les ~iltres (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 pressos-tat 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 SYSTEME DE MESURE ET DE REGULATION
comprenant:
- une électrode à dosage d'hydrogène
ij~
-- 6 --
immergée 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 etre construi-t autour de
microprocesseurs et d'horloges
électroniques.
- ENSEMBLE ENTREES-SORTIES. Il y est
introduit les paramètres de la courbe de base figure I:
a) PRESSIONS P2 fin de la phase I
3 II
4 III
b) VITESSES Vl pour la phase I
V2 II
v3 III
c) l'UNITE DR TEMPS DE MESURE de
pression parti.elle:~T
- ENSEMBLE CALCULATEUR
- reçoi-t l'indication de variation réelle
de pression partielle dans le temps QT soit ~PR
- calcule la variation théorique de
presion partielle à obtenir dans le meme temps ~T soit
,~
~PT par la relation:
~PT= V.~T
- Compaxe ~PR et A T
- commande
- la :Eermeture de la vanne
automatisée (22) si ~PR >~PT
- l'ouverture de la vanne si ~PR~Pr~,
Le principe de la régula-tion es-t représenté
par le schéma figure Ill.
Le pilo-te peut recevoir ses informations de
plusieurs fours à vide et les réguler comme le premier
à partir des vannes automatisées 24, 25, etc.
- ENSEMBLE ~EMOIRES
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.
L'ob-tention du vide optimal est alors
commandé par ces deux seuls paramètres.
- UTILISATION DE L9APPAREILLAGE
Les courbes donnant la presion par-tielle
d'hydrogène en fonction du temps sont enregistrées et
comparées lors de la mise au point aux résultats de 2
tes-ts significatifs:
1) Un lingo-tin de métal est prélevé
r~
~,g
8 -
dans le creuse-t 3 f:igure [Il par une capsule d'acier
(26) selon figure III. Il est solldifié sous 2
millibars en branchant l'enceinte (27) où il va se
solidifier sur le réservoir 18.
L'enceinte est munie d'un
couvercle de verre (28) à travers lequel on peu-t suivre
la solidifica-tion.
On note:
- le temps d'apparition des
lères bulles
- la concavi-té de la surface
- la densité du lingotin
2) Une plaque à gradins de 200mm par
200mm par exemple selon figure IV constituée de gradins
d'épaisseur variable de 20. 16. 12. 8. 4mm par exernple
est coulée dans un moule en sable de préférence en
basse-pression.
La plaque est examinée en
radiographie. Un métal satisfaisant doi-t conduire avec
un alliage AS7606 par exemple à des microporosités:
de rang 0 en cliches ASTME155 pour le gradin 4mm
1 8
~ 2 12.16.20
une degradation eventuelle de la modification du
silicium ne devant apparaître que dans le gradin de
20mmO
Les carac-téris-tiques mécaniques
des difEérents gradins son-t par ailleurs comparés aux
profils des courbes.
Les courbes optimales a mettre
en mémoire pour les différents alliages peuvent ê-tre
déterminées par exernple par ces tests.
ALIMENTATION DU FO~R
Le four peut etre alimenté en métal à
par-tir du four de fusion par pompe, électromagnétique
par exemple. De meme pour l'évacuation du métal après
le dégazage sous vide, par exemple vers le creuset
d'une machine ~asse-Pression.
"~