Procédé et dispositif d'automatisation d'un cycle de dégazage sous vide d'alliages d'aluminium

Abstract

 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.

Description

[0001] La présente invention a pour objet le dégazage sous vide des alliages d'aluminium et sa régulation.

[0002] 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.

[0003] 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 HC1, 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 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 satisfaisant (concavité de la surface, mesure de la densité, tranche radiographique).

[0004] Si le résultat est non satisfaisant, on reprend le dégazage.

[0005] 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 4e 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.

[0006] 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 I.

[0007] PHASE I. 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.

[0008] 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.

[0009] PHASE II. 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.

[0010] PHASE III. 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.

[0011] PHASE IV. Quand la pression partielle d'hydrogène est P , établissement d'une vitesse nulle pour conserver dans le métal une pression d'hydrogène résiduelle.

[0012] 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.

REALISATION.

[0013] La réalisation comprend selon figure II :

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.

[0014] 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 9.

2) UN CIRCUIT DE VIDE comprenant :

[0015] 

- 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 SYSTEME DE MESURE ET DE REGULATION comprenant :

[0016] 

- un électrode à dosage d'hydrogène immergée 14

- un enregistreur de pression partielle d'hydrogène 16

- un pilote 17 régulant la vanne 22.

[0017] 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.

[0018] ENSEMBLE ENTREES-SORTIES. Il y est introduit les paramètres de la courbe de base figure I :

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'UNITE DE TEMPS DE MESURE de pression partielle : ΔT

ENSEMBLE CALCULATEUR :

[0019] 

- reçoit l'indication de variation réelle de pression partielle dans le temps ΔT soit ΔP_R

- calcule la variation théorique de pression partielle à obtenir dans le même temps ΔT soit ΔP_T par la relation :

- compare ΔP_R et ΔP_T

- commande

- la fermeture de la vanne automatisée 22 si ΔP_R > ΔP_T

- l'ouverture de la vanne si ΔP_R ≤ ΔP_T.

[0020] Le principe de la régulation est représenté par le schéma figure III.

[0021] 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.

ENSEMBLE MEMOIRES.

[0022] 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.

[0023] L'obtention du vide optimal est alors commandée par ces deux seuls paramètres.

UTILISATION DE L'APPAREILLAGE.

[0024] 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 2 tests significatifs :

1) Un lingotin de métal est prélevé dans le creuset 3 figure III par une capsule d'acier 26 selon figure III. Il est solidifié sous 2 millibars en branchant l'enceinte 27 où il va se solidifier sur le réservoir 18.

[0025] L'enceinte est munie d'un couvercle de verre 28 à travers lequel on peut suivre la solidification.

[0026] On note :

- le temps d'apparition des lères bulles

- la concavité de la surface

- la densité du lingotin.

[0027] 2) UNE PLAQUE A GRADINS de 200 mm par 200 mm par exemple selon figure IV constituée de gradins d'épaisseur variable de 20. 16. 12. 8. 4 mm par exemple est coulée dans un moule en sable de préférence en basse-pression.

[0028] La plaque est examinée en radiographie. Un métal satisfaisant doit conduire avec un alliage AS7606 par exemple à des microporosités :

de rang 0 en clichés 2STME155 pour le gradin 4 mm

≤1 8

g2 12.16.20

une dégradation éventuelle de la modification du silicium ne devant apparaître que dans le gradin de 20 mm.

[0029] Les caractéristiques mécaniques des différents gradins sont par ailleurs comparées aux profilés des courbes.

[0030] Les courbes optimales à mettre en mémoire pour les différents alliages peuvent être déterminées par exemple par ces tests.

ALIMENTATION DU FOUR.

[0031] 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.

Revendications

1.- Procédé d'automatisation d'un cycle de dégazage sous vide d'alliages d'aluminium caractérisé par :

- la décomposition d'un cycle de dégazage en cycles de base;

- 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 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;

- 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 que le cycle de dégazage comporte 4 phases de base :

PHASE I. Le métal passe d'une pression partielle 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.

3.- Procédé d'automatisation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,. caractérisé en ce qu'il consiste à déclencher la phase par une électrode de dosage (14) immergée dans le métal (4).

4.- Procédé d'automatisation suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste à associer à l'ensemble un four de chauffage à induction (1).

5.- Dispositif destiné à réaliser le procédé d'automatisation décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par :

- un ensemble entrées-sorties qui transforme les indications données sous forme numérique pour les paramètres du cycle de dégazage;

- un ensemble calculateur capable de transformer la vitesse de dégazage en variation de pression partielle théorique et de réguler la pression dans l'enceinte du four pour obtenir une variation identique à celle demandée à partir des indications de la courbe type mises dans un ensemble mémoires.

6.- Dispositif d'automatisation selon la revendication 5, 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.

7.- Dispositif d'automatisation selon l'une quelconque des revendications 5-6, caractérisé par le fait qu'il régule plusieurs fours.

8.- Dispositif d'automatisation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé par le fait que les différents fours sont raccordés à un même réservoir (18) sous vide.

9.- Dispositif d'automatisation selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, 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.

Dessins