TITRE : PROCEDE DE FUSION DE METAL AU MOYEN D'UN THERMOPLONGEUR ELECTRIQUE

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001 ] La présente invention relève du domaine des équipements de la fonderie et concerne surtout la fonderie des métaux non ferreux présentant un point de fusion relativement bas, typiquement au-dessous de 1100 °C. Elle vise un procédé de fusion de métal au moyen d’au moins un thermoplongeur électrique. L’invention vise plus particulièrement à fondre un lot de métal solide, notamment des alliages ou métaux pur d’aluminium, de magnésium ou de zinc.

[0002] La présente invention vise également un dispositif pour la mise en œuvre dudit procédé de fusion qui comporte un thermoplongeur.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE

[0003] L’industrie de la fonderie des métaux non-ferreux nécessite une quantité importante de métal liquide pour ses opérations de moulage. Tel est le cas par exemple de l’industrie de l’aluminium, qui fabrique des grandes quantités de pièces moulées, destinées par exemple à l’industrie de l’automobile. Parmi les opérations de moulage les plus employées, on peut citer le moulage par gravité, le moulage par injection sous pression et le moulage par injection basse-pression.

[0004] Dans tous les cas, l’étape préalable au moulage est la fusion de métal solide. Cette étape est le plus couramment réalisée sur site et plus occasionnellement délocalisée en dehors du site, une livraison par camion du métal liquide étant nécessaire dans ce dernier cas.

[0005] Dans des usines de fonderie on utilise habituellement deux fours différents, ou un four disposant de deux chambres, à savoir un four (chambre) de fusion, où est réalisée la fusion de métal liquide, et un four (chambre) de maintien, où le métal liquide est maintenu à une température contrôlée en attente de son utilisation par une machine de moulage. La fusion du métal solide est principalement opérée dans des fours de fusion à gaz. Du métal solide, usuellement sous forme de lingots, est inséré dans une chambre de fusion où plusieurs brûleurs à gaz opèrent une combustion qui génère la chaleur permettant de fondre le métal.

[0006] Le four (chambre) de fusion est relié à un four (chambre) de maintien dans laquelle le métal liquide est contenu en attente de prélèvement et de livraison à un point de coulée près d’une machine de moulage. Une telle configuration est par exemple illustrée dans le brevet européen EP 1 136 778 A1 (Nippon Crucible Co.).

[0007] La fusion au moyen de fours de fusion alimentés au gaz est favorisée car elle présente un coût relativement bas en moyenne pour la fusion d’une tonne de métal. La fusion au gaz offre également une bonne vitesse de fusion en tonnes par heure.

[0008] Un inconvénient de la fusion au gaz est que ce procédé est polluant sur site car il implique une combustion de gaz et parce qu’il repose nécessairement sur l’emploi d’énergie fossile. De plus, un inconvénient des fours de fusion alimentés au gaz est le phénomène de « perte au feu » qui correspond à l’oxydation d’une partie du métal solide.

[0009] Pour pallier ce défaut, on utilise aussi la fusion par induction et la fusion par chauffage du métal par radiation, qui reposent sur une alimentation électrique.

[0010] La méthode par induction permet une fusion rapide, avec une perte au feu très faible et une qualité métallurgique excellente du métal fondu obtenu. Cette méthode présente toutefois le défaut d’être très énergivore.

[0011 ] La méthode de fusion par radiation présente l’avantage de ne nécessiter qu’un four peu coûteux et peu complexe à entretenir. Cette méthode présente toutefois les défauts d’être très lente, de générer beaucoup d’oxides qui détériorent la qualité métallurgique du métal obtenu et d’être énergivore.

[0012] Aucune méthode de fusion connue de l’art antérieur n’offre de solution satisfaisante permettant à la fois de limiter l’usage de gaz polluant et de produire un métal de qualité métallurgique satisfaisante, sans représenter de coût exorbitant en alimentation électrique.

[0013] Par ailleurs, le four de fusion décrit plus haut est typiquement un système centralisé au sein d’une usine qui comporte plusieurs machines de moulage. Cette disposition nécessite de transporter le métal liquide temporairement contenu dans la chambre de maintien vers les machines de moulage ; cela se fait par exemple dans un chenal en matériau céramique. Afin de conserver le métal sous forme liquide à une température parfaitement contrôlée, une cuve dotée d’un thermoplongeur peut être prévue à proximité du point de coulée. Un tel thermoplongeur est notamment décrit dans le brevet FR 2 907 353 B1 de la requérante. [0014] Bien que le transport du métal fondu représente un risque et expose le métal liquide à l’oxydation par l’air, cette disposition d’usine est favorisée selon l’état de la technique car elle présente l’avantage de limiter l’usage de gaz à une partie de l’usine et parce que les fours de plus grande taille offrent un meilleur rendement énergétique. Dans certains ateliers de moulage il serait cependant préférable de disposer de fours décentralisés, de plus petite taille, sans utiliser le chauffage au gaz, permettant d’éviter le transport du métal liquide à travers l’usine et entre les différentes machines de moulage. Cela est particulièrement avantageux dans le cas où une usine de moulage utilise simultanément un nombre significatif d’alliages différents du même métal de base, dans la mesure où un même four ne peut pas délivrer en même temps deux alliages différents. L’état de la technique n’offre pas de solution simple à ce problème.

[0015] Par ailleurs, le four à gaz est le seul four couramment utilisé qui peut démarrer à sec, c’est-à-dire uniquement avec une charge de métal solide. Tous les autres fours ont besoin d’une certaine quantité de métal liquide pour pouvoir fonctionner ; l’homme du métier appelle cette quantité de métal liquide le « pied de bain ». À titre d’exemple, pour fondre du métal solide dans un four à induction, on approvisionne d’abord un pied de bain dans lequel on fait fondre ledit métal, en l’introduisant progressivement dans le métal chauffé par induction. Le pied de bain liquide peut provenir d’un autre four en cours de fonctionnement dans l’usine. Il s’ensuit qu’une usine de moulage qui ne dispose pas d’un four à gaz doit toujours disposer d’une certaine quantité de métal liquide pour pouvoir démarrer un four arrêté. Alternativement, du métal liquide peut être livré à partir d’une fonderie externe dans un récipient thermiquement isolé (appelé « poche »), le plus souvent par voie routière. Cet état de fait impose aux fonderies ne disposant pas d’un four à gaz une lourde contrainte de gestion, sachant que la composition chimique du pied de bain utilisé pour démarrer un four doit bien évidemment être compatible avec l’alliage que l’on s’apprête à préparer dans ce four en cours de démarrage.

[0016] Il s’ensuit de tout ce qui vient d’être dit qu’il serait désirable de disposer d’un four électrique susceptible d’être démarré sans pied de bain, c’est-à-dire à sec.

OBJETS DE L’INVENTION

[0017] La présente invention vise à adresser tout ou partie des besoins mentionnés ci- dessus ou à remédier à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus.

[0018] Selon les pratiques connues de l’art antérieur, les thermoplongeurs électriques ne sont pas utilisés pour procéder à la fusion de métaux non ferreux. Plus précisément, les thermoplongeurs ne sont utilisés qu’en contact avec du métal liquide. En effet, la très faible conductivité de l’air rend critique le dénoyage d’un thermoplongeur sous tension. On entend par « dénoyage » la situation d’un thermoplongeur lorsque celui-ci présente une partie de sa zone chauffante au contact de l’air. La requérante a constaté qu’en l’absence de contact avec du métal liquide, les thermoplongeurs électriques montent très rapidement en température interne, de sorte que leur température maximale est atteinte en quelques secondes. Ce problème ne se pose pas lorsque la partie chauffante est immergée dans le métal liquide et opère un échange thermique avec le métal en fusion. A l’inverse, lorsque la partie chauffante du thermoplongeur se trouve dans l’air le refroidissement du thermoplongeur n’est pas suffisamment important, de sorte que la température maximale tolérée par les matériaux internes du thermoplongeur électrique est rapidement atteinte et que celui-ci est endommagé.

[0019] Il s’ensuit que selon l’état de la technique on n’utilise les thermoplongeurs que dans le cas où ils sont en permanence immergés dans du métal liquide ; il est alors possible d’ajouter à ce « pied de bain » liquide du métal solide pour augmenter progressivement la quantité de métal liquide, mais on ne peut pas démarrer un four chargé avec du métal solide à l’aide d’un thermoplongeur.

[0020] La demanderesse a développé le procédé de pilotage, objet de l’invention, qui permet la mise en œuvre de thermoplongeurs électrique pour la fusion de métaux non ferreux solides.

[0021 ] Ainsi, selon un premier aspect, l’invention vise un procédé de fusion de métal non- ferreux au moyen d’au moins un thermoplongeur électrique, dans lequel :

- au moins un thermoplongeur électrique est mis au contact ou dans l’immédiate proximité de métal non ferreux à l’état solide disposé dans une cuve,

- lors d’une étape dite d’amorçage, une puissance électrique dite initiale correspondant à une fraction de la puissance nominale dudit thermoplongeur électrique est fournie audit thermoplongeur électrique et

- lors d’une étape dite de fusion, la puissance électrique fournie audit thermoplongeur électrique est augmentée, en particulier progressivement ou par paliers, de sorte que le métal non ferreux présent dans la cuve passe d’un état solide à un état liquide.

[0022] Grâce à ces dispositions, une fusion du métal peut être opérée sans consommer de gaz, contrairement aux procédés de fusion usuellement mis en œuvre. Ces dispositions améliorent la sécurité au sein de l’usine qui n’a pas à maintenir un réseau de distribution de gaz et réduit à néant la consommation de combustible fossile.

[0023] Préférentiellement, le procédé de fusion de métal non-ferreux au moyen d’au moins un thermoplongeur électrique opère sans apport de chaleur significatif d’autres sources de chaleur que l’au moins un thermoplongeur électrique. On entend par apport de chaleur significatif un apport de chaleur qui excède 1 % de la quantité de chaleur totale reçue par le métal à fondre au cours du procédé. Dans un autre mode de réalisation, le four comprend un autre moyen de chauffage électrique que le thermoplongeur électrique. Par exemple, l’autre moyen de chauffage électrique est une plaque chauffante, de préférence disposée au fond du four ; ladite plaque chauffante pouvant comporter au moins une résistance chauffante, et son apport de chaleur peut être significatif. Dans un autre exemple, l’autre moyen de chauffage électrique est une plaque chauffante ou une résistance à haut flux positionnée à proximité du métal à fondre, préférentiellement positionnée au-dessus du métal à fondre.

[0024] Selon les dispositions de l’invention, une puissance électrique inférieure à la puissance nominale de fonctionnement est fournie au thermoplongeur électrique pendant la phase d’amorçage, puis cette puissance est augmentée, progressivement ou par paliers, de sorte que la température maximale tolérée par les matériaux internes du thermoplongeur électrique n’est pas atteinte et celui-ci n’est pas détérioré.

[0025] Une autre caractéristique remarquable de l’invention est que l’opération de fusion du métal peut être effectuée dans une même cuve que celle par la suite utilisée pour le maintien à l’état liquide du métal. Cela présente l’avantage de simplifier le four et d’éviter le coût et le risque associé aux opérations de transport au sein de l’usine et de transvasement du métal fondu entre des fours ou cuves.

[0026] La présente invention est applicable à tout métal non ferreux et tout alliage à base d’un métal non ferreux qui présente une température de fusion suffisamment bas pour être compatible avec l’utilisation d’un thermoplongeur électrique. Elle est en particulier applicable à tout métal et alliage présentant une température de fusion qui ne dépasse pas environ 1100°C. Le métal de base peut par exemple être choisi parmi l’aluminium, le zinc, le magnésium, le cuivre, l'étain, le plomb, le lithium, l’argent. Il peut aussi s’agit d’un alliage à base de l’un de ces métaux, lesdits alliages pouvant contenir d’autres métaux d’alliage et d’impuretés. Il est entendu qu’un alliage de type Al-Fe reste un alliage non ferreux au sens de la présente invention, malgré la présence de fer dans cet alliage à base d’aluminium.

[0027] On entend par métal à état solide un métal sous toute forme solide, et notamment sous la forme de lingots, sous la forme de copeaux, par exemple obtenu par broyage de feuilles métalliques, sous la forme de granules, ou encore sous la forme de poudre. Le métal à fondre peut également se présenter sous la forme de morceaux de formes variés constitués par des squelettes ou chutes d’un procédé d’usinage, de découpage, d’emboutissage, de sciage, ou par des rebuts de moulages. Une partie de ces formes de produits peuvent correspondre à des déchets (par exemple les copeaux, les squelettes d’emboutissage, les chutes). Ledit métal à l’état solide peut avoir été compacté dans une presse (par exemples des lots de boîtes, ou de cannettes de boisson usagées, ou des lots de copeaux).

[0028] On entend ici par puissance nominale la puissance reçue par un appareil quand il fonctionne dans des conditions normales. Elle s’exprime en Watt (W) ou kilowatts (kW). Elle est indiquée par le fabricant de l’appareil. En d’autres termes, la puissance idéale électrique fournie à un appareil électrique correspond à sa puissance nominale. La fourniture d’une puissance supérieure à la puissance nominale occasionne un risque de détérioration de l’appareil et la fourniture d’une puissance inférieure à la puissance nominale peut occasionner un rendement en deçà de ses capacités optimales.

[0029] On dénomme thermoplongeur électrique un dispositif qui comporte au moins une zone chauffante destinée à être mise au contact du métal à chauffer, et une zone non chauffante permettant de faire le lien entre l’au moins une zone chauffante et un boîtier d'alimentation électrique. La zone chauffante comporte un ou plusieurs éléments chauffants interne portés à haute température par le passage d'un courant électrique ; il s’agit d’un chauffage résistif. Cet élément chauffant interne transmet sa chaleur à une gaine constituant le corps du thermoplongeur, qui transmet à son tour la chaleur au métal ou à l'alliage à fondre ou à maintenir à l’état liquide. Le mécanisme de transmission de la chaleur de la gaine du thermoplongeur vers le métal dans le four se fait de manière la plus efficace par conduction, lorsque le thermoplongeur est immergé dans du métal liquide ou lorsque sa gaine touche sur une fraction significative de sa surface du métal solide. En dehors de ces zones de contact direct le transfert thermique entre la gaine et le métal contenu dans le four est radiatif et/ou convectif.

[0030] Le procédé objet de l’invention comporte au moins deux étapes, à savoir une première étape dite amorçage, et une deuxième étape dite fusion. L’étape d’amorçage vise à créer à partir d’une charge de métal solide un pied de bain liquide. L’étape de fusion vise à fondre le reste du métal solide dans ledit pied de bain, qui va alors monter pour engloutir la totalité du métal chargé dans le four.

[0031 ] C’est à ce point que l’on passe à une troisième phase dite de maintien, qui vise à obtenir et maintenir un contrôle fin de la température du métal liquide en vue de son utilisation dans une machine de moulage. Cette phase de maintien correspond à une utilisation habituelle des thermoplongeurs selon l’état de la technique. Pendant la phase de maintien on peut rajouter, de préférence de manière périodique ou continue, des faibles quantités de métal solide au fur et à mesure que du métal liquide est consommé par la machine de coulée.

[0032] La phase d’amorçage peut être précédée d’une phase dite de préchauffage, qui vise à préchauffer le four, à vide ou avec une faible charge de métal solide, avant de le charger avec la charge de métal solide prévue pour la fusion. Chacune des phases nommées ci-dessus se caractérise par une certaine puissance électrique fournie au thermoplongeur, comme cela sera expliqué ci-dessous.

[0033] Selon l’invention, lors de l’étape d’amorçage le thermoplongeur est mis au contact de métal non ferreux solide, ou dans l’immédiate proximité de métal non ferreux à l’état solide disposé dans la cuve. On entend par là qu’aucun métal liquide ne se trouve en contact avec le thermoplongeur avant l’étape d’amorçage, ou que le thermoplongeur est au moins partiellement dénoyé, c’est-à-dire que la partie chauffante du thermoplongeur est au contact de l’air. Plus précisément, le métal non ferreux solide est déversé ou déjà présent dans la cuve préalablement à l’étape d’amorçage, de sorte à ensevelir au moins en partie le thermoplongeur. Bien entendu, la géométrie de l’amoncellement des morceaux de métal non-ferreux solide pourra comporter des poches d’air de sorte que le thermoplongeur sera au contact direct du métal non ferreux par endroits et séparé du métal en d’autres endroits.

[0034] Lors de cette étape d’amorçage, une puissance électrique dite « initiale » correspondant à une fraction de la puissance nominale dudit thermoplongeur électrique est fournie audit thermoplongeur électrique. Cette puissance électrique doit être suffisamment élevée pour permettre réchauffement progressif du métal qui entoure le thermoplongeur, mais suffisamment faible pour éviter sa dégradation prématurée. Pendant cette phase d’amorçage, la chaleur délivrée par le thermoplongeur est dissipée par conduction avec le métal solide, et/ou par rayonnement vers le métal solide. La dissipation par conduction étant plus efficace pour chauffer le métal solide, il est préférable que le thermoplongeur soit en contact direct avec du métal solide.

[0035] Lors de l’étape de fusion, le thermoplongeur est au moins partiellement en contact avec du métal fondu, c’est-à-dire au moins une partie de sa gaine plonge dans du métal liquide. La chaleur délivrée par le thermoplongeur, issue de la puissance électrique dite initiale fournie au thermoplongeur, est alors au moins en partie, et de préférence principalement, dissipée par conduction. Pendant cette étape de fusion, la quantité de métal liquide augmentera au fur et à mesure que le métal solide fond, soit en contact avec le métal liquide, soit en contact avec le thermoplongeur.

[0036] Lors de l’une et/ou l’autre de ces deux étapes, on peut ajouter du métal solide dans la cuve ; ce métal solide ajouté (tout comme le métal solide initialement présent dans la cuve lorsque l’étape d’amorçage débute) peut être préchauffé à l’extérieur du four à une température comprise entre la température ambiante et le point de fusion du métal. L’ajout de métal à la cuve lors de l’étape de fusion peut se faire directement dans le métal liquide.

[0037] Selon une caractéristique du procédé selon l’invention, le transfert de chaleur du thermoplongeur vers le métal solide se fait donc, dans un premier temps, par rayonnement et convection, d’une part, et/ou par conduction, d’autre part, avec le métal solide au contact du thermoplongeur, puis progressivement par le contact direct du thermoplongeur avec le métal non ferreux liquide produit par fusion. Le procédé ainsi mis en œuvre présente donc une bonne efficacité énergétique, c’est-à-dire que proche de la totalité de l’énergie consommée est effectivement transférée au métal. À titre indicatif, la demanderesse estime que le procédé objet de la présente demande requiert deux fois moins d’énergie qu’un procédé de fusion par induction pour fondre la même quantité de métal. La valeur de la puissance initiale fournie au thermoplongeur pendant la phase d’amorçage dépend avantageusement de la charge de démarrage et de la qualité du contact thermique entre le thermoplongeur et le métal. Lorsque le thermoplongeur est en contact avec de la poudre, de granules ou de copeaux de métal, cette valeur peut être supérieure par rapport au cas où le thermoplongeur est entouré de squelettes de tôles assurant un contact thermique moins bon, et/ou elle peut être augmentée plus rapidement. Toutes les valeurs de puissance électrique fournie au thermoplongeur sont exprimées ici en pourcentage de la valeur puissance nominale du thermoplongeur, qui est fixée par le fabriquant pour assurer un fonctionnement optimal sans endommager le dispositif thermoplongeur.

[0038] Pendant la phase optionnelle de préchauffage du four on préchauffe les réfractaires et l’air du four, l’air pouvant atteindre une température de l’ordre de 600 °C, sans métal solide ou avec une charge de métal solide faible. Cela doit se faire à une puissance électrique très faible.

[0039] Dans des modes de réalisation, la puissance électrique initiale fournie au thermoplongeur électrique pendant la phase d’amorçage est une puissance non nulle inférieure à 30%, de préférence inférieure à 15 %, et encore plus préférentiellement inférieure à 10 %, de la puissance nominale du thermoplongeur électrique. Cette puissance initiale peut être augmentée par la suite, progressivement ou par paliers.

[0040] Dans un mode de réalisation, la puissance électrique initiale fournie au thermoplongeur électrique pendant la phase d’amorçage est une puissance non nulle comprise entre environ 0,5 % et environ 5 % de la puissance nominale du thermoplongeur électrique.

[0041 ] Dans un mode de réalisation, on augmente pendant l’étape d’amorçage la puissance fournie au thermoplongeur à partir d’une valeur très faible, typiquement comprise entre environ 0,5 % et environ 5 % (et de préférence entre environ 0,5 % et environ 2,5 %), à raison d’environ 1 % à 3 % par heure, jusqu’à la transition vers l’étape de fusion. [0042] Lors de l’étape de fusion, la puissance électrique fournie au thermoplongeur électrique peut être augmentée progressivement ou par paliers sur une période de temps longue. Par exemple, la période de temps longue est au moins égale à 8 heures.

[0043] Dans des modes de réalisation avantageux, le procédé objet de l’invention comporte en outre une étape de maintien à l’état liquide du métal fondu dans laquelle la puissance fournie audit thermoplongeur électrique est commandée en fonction d’une température mesurée dans la cuve ou sur le thermoplongeur. Lors de cette étape de maintien le métal liquide peut être prélevé de la cuve pour être introduit dans la machine de moulage ; pour assurer la bonne qualité du procédé de moulage il est nécessaire de contrôler la température du métal liquide lors de l’étape de maintien. Dans un mode de réalisation particulier de cette étape de maintien, on ajoute, de préférence de manière périodique, une quantité de métal solide bien défini au métal liquide, afin de remplacer le métal consommé par la machine de moulage.

[0044] Dans un autre mode de réalisation, le métal non ferreux à l’état solide disposé dans la cuve a été préalablement fondu puis solidifié dans la cuve, au contact du thermoplongeur. L’état de la technique n’offre aucune possibilité, dans un four de maintien électrique, de refondre du métal solide « figé » dans une cuve, c’est-à-dire fondu puis solidifié en place, de sorte que le thermoplongeur est pris dans le métal figé. Selon des dispositions particulières de l’invention, ce métal peut être fondu à nouveau pour obtenir un bain de métal liquide. Le métal peut être figé dans une cuve de manière involontaire, par exemple lors d’une coupure de courant ou lors d’une grève, ou de manière volontaire, lorsque l’on décide d’interrompre le chauffage et donc le maintien à l’état liquide d’un bain de métal puis de reprendre lorsque nécessaire les opérations, sans avoir à procéder à la vidange du bain de métal ni avoir à déplacer le thermoplongeur.

[0045] Dans des modes de réalisation, la puissance nominale dudit thermoplongeur est déterminée en fonction des dimensions de la cuve.

[0046] La transition du mode de fusion vers le mode de maintien se traduit typiquement par une baisse de la puissance électrique fournie au thermoplongeur pour éviter une surchauffe du métal liquide, dans la mesure où pendant la phase de maintien il n’est plus nécessaire de fournir au four l’enthalpie de fusion (sauf pour la petite fraction de métal qui est ajoutée sous forme solide pour remplacer le métal liquide qui est consommé).

[0047] Dans un mode de réalisation avantageux, le basculement du mode de fusion vers le mode de maintien peut se faire de manière automatique. Le passage de l’étape de fusion à l’étape de maintien à l’état liquide du métal fondu est par exemple réalisé automatiquement en fonction de la mesure d’une valeur représentative de la température du thermoplongeur ou dans la cuve ou encore en fonction de la détection de l’aspect lisse ou irrégulier d’au moins une partie de la surface du métal présent dans la cuve [0048] On peut prévoir à cette fin un dispositif de mesure de la température du métal liquide, qui détecte une augmentation de la température lorsque la phase de fusion est terminée. On peut prévoir un dispositif de mesure de la température dans le thermoplongeur lui-même, mais cette solution n’est pas préférée. On peut également prévoir un dispositif de mesure de la température dans une zone proche du fond de la cuve, capable de détecter la présence d’un pied de bain de métal liquide, et de mesurer sa température.

[0049] Selon un mode de réalisation avantageux, la fin de l’étape de fusion est déterminée à l’aide d’un système de vision artificielle associant typiquement une caméra à une machine informatique convenablement configurée pour détecter la présence d’une surface de métal lisse et ininterrompu par des pièces de métal solide qui dépasseraient. Ce système de vision artificielle peut aussi être configuré pour détecter le niveau de métal liquide dans le four.

[0050] Selon un deuxième aspect, l’invention vise un dispositif de fusion de métal non- ferreux au moyen d’au moins un thermoplongeur électrique, qui comporte au moins un thermoplongeur électrique, un régulateur de la puissance fournie audit thermoplongeur et un micro-processeur configuré pour commander ledit régulateur et dans lequel le micro-processeur met un œuvre un programme de fusion du métal non ferreux qui comporte :

- la fourniture audit thermoplongeur électrique d’une puissance électrique dite initiale correspondant à une fraction de la puissance nominale dudit thermoplongeur électrique et

- l’augmentation progressive ou par paliers de l’énergie fournie audit thermoplongeur, de sorte que le métal non ferreux présent dans la cuve passe d’un état solide à un état liquide sans apport significatif d’autres sources de chaleur que le thermoplongeur électrique.

[0051 ] Les buts, avantages et caractéristiques particulières dispositif de fusion de métal objet de la présente invention étant similaires à ceux du procédé objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.

[0052] Selon un troisième aspect, l’invention vise une unité de production pour le moulage d’objets en métal non-ferreux caractérisé en ce qu’elle comporte au moins une machine de moulage et un dispositif de fusion de métal non-ferreux selon l’invention et dans lequel le point d’entrée du métal liquide dans la machine de moulage est à proximité directe du dispositif de fusion de métal non-ferreux ou raccordé à lui par un moyen d’acheminement d’un flux de métal liquide.

[0053] Selon l’art antérieur, un four de fusion de grande capacité permet d’alimenter en métal fondu plusieurs lignes de production pour le moulage. Cette disposition nécessite de transporter le métal liquide temporairement contenu dans la chambre de maintien vers les unités de production réparties au sein d’une usine. Une contrainte associée à cette disposition est que le même métal ou alliage est fourni à chaque unité de production ou machine de moulage alimentée en métal fondu par le four de fusion ; cela ne convient pas si deux unités de production ou machines de moulage doivent être alimentées en alliages de natures différentes.

[0054] Selon l’invention, l’unité de production comporte un dispositif de fusion de métal non-ferreux selon l’invention qui réalise la fusion du métal sur place, à proximité du point de coulée. Étant entendu que l’unité de production dispose de son propre moyen de porter le métal à l’état liquide, le métal ou l’alliage de métaux peut être choisi spécifiquement pour cette unité de production.

[0055] D’autres buts, avantages et caractéristiques particulières dispositif de fusion de métal objet de la présente invention étant similaires à ceux du procédé objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0056] D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du procédé, du dispositif et de l’unité de production objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

[0057] [Fig 1] représente, sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé de fusion de métal non-ferreux objet de la présente invention, [Fig 2] représente, sous forme de graphique, un mode de réalisation particulier d’un procédé de fusion de métal non ferreux selon l’invention,

[Fig 3] représente, schématiquement et en vue de coupe, un thermoplongeur susceptible d’être employé dans un dispositif de fusion de métal non-ferreux selon l’invention,

[Fig 4] représente, schématiquement et en vue de coupe, un dispositif de fusion de métal non-ferreux selon l’invention utile à la mise en œuvre du procédé objet de l’invention, illustré en début de phase d’amorçage,

[Fig 5] représente, schématiquement et en vue de coupe, le dispositif de la figure 4, illustré à l’issue de l’étape d’amorçage et

[Fig 6] représente, schématiquement et en vue de coupe, le dispositif de la figure 4, illustré à l’issue de l’étape de fusion.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L’INVENTION [0058] La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.

[0059] On note dès à présent que, sauf mention du contraire, la puissance fournie à un thermoplongeur est exprimée en pourcentage de la puissance nominale dudit thermoplongeur.

[0060] On observe, sur la figure 1 , sous forme d’un logigramme, une succession d’étapes particulière du procédé 100 de fusion de métal non ferreux objet de la présente invention.

[0061] Dans des modes de réalisation, préchauffage, le procédé 100 comporte une étape 103 de préchauffage du dispositif de fusion de métal non-ferreux qui vise à préchauffer le four, à vide ou avec une faible charge de métal solide, avant de le charger avec la charge de métal solide prévue pour la fusion. Préférentiellement, la puissance fournie au thermoplongeur durant ce préchauffage est fixe et comprise entre 5% et 25% de la puissance nominale du thermoplongeur, par exemple environ égale à 5% ou 10%. Préférentiellement, la durée de l’étape de préchauffage est comprise entre 24 heures et 96 heures.

[0062] Le procédé 100 comporte une étape 105 durant laquelle au moins un thermoplongeur électrique est mis au contact ou dans l’immédiate proximité de métal non ferreux à l’état solide disposé dans une cuve.

[0063] Ensuite, lors d’une étape 110 dite d’amorçage, une puissance électrique initiale correspondant à une fraction de la puissance nominale dudit thermoplongeur électrique est fournie audit thermoplongeur électrique.

[0064] Selon un exemple de réalisation, la puissance initiale fournie au thermoplongeur est nulle. Dans d’autres exemples de réalisation la puissance initiale fournie au thermoplongeur est égale à 1 %, à 2%, à 5%, 10%, 15%, 20%, 25% ou 30% de la puissance nominale du thermoplongeur. Cette puissance initiale peut être une valeur fixe pour un thermoplongeur donné, ou elle peut être modifiée en fonction de paramètres externes.

[0065] Dans des modes de réalisation, la puissance fournie audit thermoplongeur électrique lors de l’étape 110 d’amorçage est fixe. Dans d’autres modes de réalisation, la puissance fournie audit thermoplongeur électrique lors de l’étape 110 d’amorçage est augmentée progressivement ou par paliers. La durée de l’étape 110 d’amorçage est préférentiellement sur une période de temps longue. Selon un exemple de réalisation, l’étape d’amorçage est réalisée sur une période de temps supérieure à 40 heures. Dans d’autres modes de réalisation, elle est réalisée sur une période de temps comprise entre 20 heures et 40 heures, ou comprise entre 20 heures et 30 heures. [0066] Lors de l’étape d’amorçage, la puissance fournie au thermoplongeur peut être augmentée progressivement ou par paliers. Par exemple, la puissance fournie au thermoplongeur est augmentée de 5% par rapport à la puissance initiale.

[0067] À l’issue de la l’étape d’amorçage, un pied de bain, c’est-à-dire un fond de métal liquide dans la cuve, est obtenu.

[0068] Puis, lors d’une étape de fusion 115, la puissance électrique fournie au thermoplongeur électrique est augmentée progressivement ou par paliers. Préférentiellement, la vitesse d’augmentation de la puissance électrique fournie au thermoplongeur est plus rapide lors de l’étape de fusion que lors de l’étape d’amorçage. Par exemple, cette vitesse d’augmentation exprimée en pourcents de la puissance nominale par unité de temps est cinq ou dix fois supérieure lors de l’étape de fusion par rapport à la vitesse d’augmentation lors de l’étape d’amorçage.

[0069] Avantageusement, lors de l’étape de fusion un moyen de brassage du pied de bain d’aluminium est mis en œuvre. Le moyen de brassage est configuré pour brasser l’aluminium liquide afin d’optimiser l’échange thermique avec le thermoplongeur et ainsi réduire la durée de fusion et homogénéiser la température du bain d’aluminium.

[0070] Dans des modes de réalisation, le passage de l’étape d’amorçage à l’étape de fusion et le changement de vitesse associé sont déclenchés en fonction d’une température mesurée dans la cuve.

[0071 ] L’augmentation de la puissance, progressivement ou par paliers, lors de l’étape de fusion, est préférentiellement réalisée sur une période de temps longue. Selon un exemple de réalisation, l’augmentation progressive de la puissance est réalisée sur une période de temps supérieure à 12 heures. Dans d’autres modes de réalisation, elle est réalisée sur une période de temps comprise entre 12 heures et 24 heures. Préférentiellement, l’augmentation de la puissance fournie au thermoplongeur électrique, exprimée en pourcentage de la puissance nominale du thermoplongeur, n’excède pas 10% par heure. Préférentiellement, l’augmentation de la puissance fournie au thermoplongeur électrique n’excède pas 6% par heure.

[0072] Dans un exemple de réalisation, la puissance au cours de l’étape de fusion est augmentée de 1 % toutes les 15 minutes. De sorte que, au cours de l’étape de fusion, la puissance fournie au thermoplongeur électrique passe d’une puissance initiale fixée entre 5% et 25% de la puissance nominale à une puissance de 100% de la puissance nominale, en l’espace de 1125 minutes à 1425 minutes.

[0073] À l’issue des étapes 105, 110 et 115, le métal non ferreux présent dans la cuve est fondu d’un état solide à un état liquide, préférentiellement sans apport significatif d’autres sources de chaleur que l’au moins un thermoplongeur électrique. [0074] Dans des modes de réalisation, le procédé 100 comporte une étape 125 de maintien à l’état liquide du métal fondu. Lors de cette étape, la puissance fournie au thermoplongeur électrique peut être commandée en fonction d’une température mesurée dans la cuve. Cela permet d’assurer que le métal liquide possède une température contrôlée dans le four de maintien, ce qui facilite l’obtention d’une qualité reproductible des pièces moulées fabriquées par la machine de moulage.

[0075] Dans des modes de réalisation, au cours d’une étape 120 concomitante à l’étape 125 de maintien à l’état liquide, du métal solide est ajouté dans la cuve.

[0076] On observe en figure 2 un graphique illustrant un procédé 100 de fusion de métal non ferreux selon deux modes de réalisation particulier du procédé objet de l’invention. On rappelle que le procédé de fusion selon l’invention repose sur l’utilisation d’un thermoplongeur électrique.

[0077] Sur ce graphique est représentée une courbe 210 illustrant la température interne du thermoplongeur exprimée en °C en fonction du temps exprimé en minutes. De plus, une courbe 220 illustre la variation de la température de l’aluminium en fonction du temps.

[0078] On souligne que les valeurs illustrées par les courbes 210 et 220 sont des valeurs théoriques mentionnées à titres indicatif seulement. Ces températures ne sont en aucun cas limitantes pour le procédé objet de l’invention, et la même chose s’applique au temps.

[0079] On observe aussi en figure 2 les courbes 250 et 260 qui illustrent une puissance fournie au thermoplongeur électrique, exprimée en pourcentage de la puissance nominale dudit thermoplongeur, en fonction du temps écoulé, exprimé en minutes. Ci- après on appelle « programme de fourniture de puissance », un pilotage de la puissance fournie au thermoplongeur en fonction du temps écoulée et/ou en fonction d’une température mesurée dans la cuve.

[0080] La courbe 250 illustre un premier programme de fourniture de puissance au thermoplongeur électrique alors que la courbe 260 illustre deuxième programme de fourniture de puissance au thermoplongeur électrique.

[0081 ] Selon le programme de fourniture de puissance illustré par la courbe 250, une puissance initiale de 5% est fournie lors d’une étape de préchauffage, durant 3200 minutes. Ensuite, lors d’une étape d’amorçage, en l’espace de 1800 minutes, la puissance fournie est augmentée de manière progressive et régulière, de sorte à porter la puissance à 10% au total. Puis, lors d’une étape de fusion, sur une durée de 1000 minutes, la puissance fournie est augmentée de manière progressive et régulière, de sorte à porter la puissance fournie au thermoplongeur à 100% au total. Ensuite, toujours lors de l’étape de fusion, une puissance de 100% est fournie en continu au thermoplongeur durant 2500 minutes. À l’issue de l’étape de fusion, une étape de maintien de la température du bain est enclenchée, durant laquelle la puissance fournie au thermoplongeur est pilotée en fonction d’une température mesurée dans la cuve.

[0082] On note que le passage de l’étape d’amorçage à l’étape de fusion peut être réalisé selon un programme de puissance préétabli ou en fonction d’une valeur de température mesurée dans la cuve.

[0083] On note que le passage de l’étape de fusion à l’étape de maintien peut être réalisé selon un programme de puissance préétabli ou en fonction d’une valeur de température mesurée dans la cuve.

[0084] Selon le programme de fourniture de puissance illustré par la courbe 260, la puissance fournie au thermoplongeur lors de l’étape de préchauffage est de 25%. Et, la puissance initiale de 25% fournie au thermoplongeur est élevée à 30% lors de l’étape d’amorçage puis à 100% lors de l’étape de fusion.

[0085] On note que les courbes 250 et 260 sont confondues à partir de 6000 minutes.

[0086] On note que les programmes de fourniture de puissance au thermoplongeur électrique illustrés par les courbes 250 et 260 sont donnés à titre d’illustration seulement. D’autres programmes de fournitures de puissance pourront être mis en œuvre dans dévier de l’invention, tout particulièrement des programmes de fourniture de puissance dont les valeurs de puissance pour un temps donné sont comprises entre les valeurs de puissance des courbes 250 et 260.

[0087] On observe en figure 3, un thermoplongeur 300 susceptible d’être employé dans un dispositif de fusion de métal non-ferreux. Le thermoplongeur 300 comporte une zone de connexion 310 dotée d’une gaine en céramique et une zone chauffante 320 abritant une résistance électrique. Le thermoplongeur 300 comporte une conduite d’alimentation électrique 330 raccordé à une source d’alimentation électrique 901 .

[0088] On observe en figure 4, un dispositif de fusion de métal non-ferreux selon l’invention utile à la mise en œuvre du procédé objet de l’invention qui comporte un thermoplongeur 300 et une cuve 400. Le dispositif est ici illustré en début de phase d’amorçage. Des lingots d’aluminium à fondre, 950, 951 , sont disposés dans la cuve 400.

[0089] Le même dispositif est illustré en figure 5 à l’issue de l’étape d’amorçage. Un pied de bain formé par du métal liquide 980 s’est constitué dans la cuve alors qu’au moins une partie des lingots, 950, 951 , sont partiellement fondus.

[0090] Le même dispositif est illustré en figure 6 à l’issue de l’étape de fusion. L’ensemble des lingots initialement présents dans la cuve ont à ce stade été fondus en métal liquide 980 et de nouveaux lingots de métal à fondre, 952, 953, peuvent être ajoutés dans la cuve. [0091 ] L’invention peut être mise en œuvre de plusieurs manières. Dans un premier mode de réalisation, on cherche à améliorer le contact thermique entre la paroi externe du thermoplongeur et le métal solide dans le four.

[0092] Selon un premier mode de réalisation, on charge dans le four une quantité suffisante de morceaux de métal d’une taille suffisamment petite pour créer une masse qui entre en contact direct avec au moins une partie du thermoplongeur, et qui, de préférence, l’entoure. Ainsi, au moins une partie du métal est en contact direct avec le thermoplongeur, assurant ainsi un transfert thermique par conduction.

[0093] Lesdits morceaux peuvent être des copeaux (obtenues par exemple par le broyage de feuilles métalliques), des granules, de la poudre. Ainsi on améliore le contact thermique entre le thermoplongeur et le métal solide. Cela permet de sélectionner une puissance de chauffe supérieure par rapport à un mode de réalisation dans lequel le thermoplongeur n’est pas en contact direct avec le métal.

[0094] Dans une première variante de ce mode de réalisation, lesdits morceaux sont chargés dans un récipient métallique, tel qu’un sceau ou un manchon, de composition chimique compatible avec le métal en question, afin de diminuer la quantité nécessaire de morceaux. Typiquement, on positionne ce récipient au-dessous du thermoplongeur, de manière à ce que le thermoplongeur plonge dans ledit récipient, et on remplit le récipient au moins partiellement avec lesdits morceaux, de manière à ce que le thermoplongeur soit, au moins sur une partie de sa longueur, en contact direct avec du métal, à savoir avec lesdits morceaux. Autour dudit récipient on positionne le métal solide destiné à être mis en fusion (qui peut alors avoir n’importe quelle forme), de manière à ce qu’il soit avantageusement en contact direct avec ledit récipient ; on peut ajouter des pièces métalliques en vrac.

[0095] Dans une deuxième variante de ce mode de réalisation, on entoure le thermoplongeur de métal massif en morceaux ; il peut s’agir notamment de lingots (par exemple de lingots de métal neuf ou de lingots de refusion), ou avec des briquettes formées par le compactage de copeaux, de feuilles métalliques ou de boîtes métalliques (boîtes de boisson notamment). Cet agencement du métal massif en morceaux se fait de préférence à la main, en formant un tas dense qui touche au mieux le thermoplongeur, en fonction de la taille et forme desdits morceaux. Autour de ce tas on peut ensuite charger de pièces métalliques et des copeaux en vrac, sous n’importe quelle forme.

[0096] Dans une troisième variante on entoure le thermoplongeur de lingots ou morceaux massifs de métal dans lesquels on a aménagé un canal d’une largeur légèrement supérieure au diamètre externe du thermoplongeur ; on enfile ces morceaux autour du thermoplongeur, et peut ensuite charger autour de ce tas des pièces métalliques, en contact avec le thermoplongeur des morceaux de métal, sous n’importe quelle forme. Lesdits morceaux massifs peuvent être des briquettes formées par le compactage de copeaux, de feuilles métalliques ou de boîtes métalliques, dans lesquelles on a aménagé un canal de diamètre suffisant pour pouvoir être enfilées autour du thermoplongeur. Lesdits morceaux massifs peuvent aussi être des lingots de métal neuf ou des lingots de refusion, dans lesquels on a creusé un canal de diamètre suffisant.

[0097] Dans un deuxième mode de réalisation, qui est compatible avec tous les autres modes de réalisation et variantes décrites dans la présente demande de brevet, on charge dans le four des morceaux de métal qui ont été préchauffées à l’extérieur de ce four.

[0098] Outre qu’elle accélère la fonte du métal, une telle étape de préchauffage des morceaux de métal à l’extérieur du ce four présente l’avantage d’évaporer de l’eau résiduelle sur le métal avant introduction dans le four ou encore d’éliminer les éventuelles matières organiques et ainsi de prévenir l’apparition fumée dans le four.

[0099] Dans une première variante de ce mode de réalisation, on charge des morceaux de métal préchauffés lorsque le four ne comporte pas encore de métal en fusion.

[0100] Dans une deuxième variante, on charge des morceaux de métal préchauffés dans le bain de métal liquide. Cela peut se faire à des intervalles réguliers ou non. Cela peut se faire par un convoyeur qui apporte lesdits morceaux, par exemple un convoyeur à bande. Lesdits morceaux peuvent être finement divisées ou non ; il peut s’agir par exemple de copeaux, ou de feuilles, tôles ou carcasses d’emboutissage broyés ou non, ou encore de briquettes formées par compactage de morceaux ou de boîtes boisson, ou encore de lingots de métal neuf ou de lingots de refusion.

[0101 ] Dans un troisième mode de réalisation, qui est compatible avec tous les autres modes de réalisation et variantes décrites dans la présente demande de brevet, le procédé permet d’adapter la puissance initiale et/ou l’évolution de la puissance du thermoplongeur en fonction d’événements ou de paramètres détectés par le dispositif. Un tel événement peut être, par exemple, l’apparition de métal liquide dans la cuve telle que détectée par un dispositif de mesure de la température à un point situé à l’intérieur de la cuve. Un tel paramètre peut être, par exemple, le degré de recouvrement du thermoplongeur par des copeaux tel que détecté par une caméra associée à un logiciel convenablement configuré.

[0102] Dans un quatrième mode de réalisation, qui est compatible avec tous les autres modes de réalisation et variantes décrites dans la présente demande de brevet, le dispositif selon l’invention dispose d’une pluralité de programmes préconfigurés pouvant être sélectionnés par l’utilisateur. Ces programmes permettent d’adapter la puissance initiale et/ou l’évolution de la puissance du thermoplongeur à certains paramètres liés à la cuve, notamment à sa taille, et/ou au degré de remplissage de la cuve, ou à la nature du métal solide disposé dans la cuve.

[0103] Dans un cinquième mode de réalisation, le métal non ferreux à l’état solide disposé dans la cuve a été préalablement fondu puis solidifié dans la cuve, au contact du thermoplongeur. En d’autres termes, le thermoplongeur est « emprisonné », en prise dans le métal solidifié, et épouse ainsi sensiblement les contours du thermoplongeur. Ce mode de réalisation assure une excellente surface de contact entre le thermoplongeur et le métal à fondre.

[0104] Le procédé de fusion objet de l’invention est réalisé au moyen d’un dispositif de fusion de métal non-ferreux.

[0105] Ce dispositif est doté d’au moins un thermoplongeur électrique pouvant être abaissé dans une cuve destinée à recevoir le métal à fondre. Le dispositif pourra comporter une unique cuve permettant la fonction de fusion du métal puis de maintien en température ou une pluralité de cuve reliée entre elles.

[0106] Le dispositif de fusion de métal non-ferreux comporte en outre un régulateur de la puissance fournie audit thermoplongeur et un micro-processeur configuré pour commander ledit régulateur et dans lequel le micro-processeur est configuré pour mettre en œuvre un programme de fusion du métal non ferreux du type de celui décrit en regard du procédé de la présente demande.

[0107] Le dispositif peut comporter au moins un souffleur à air, et de préférence une pluralité de souffleurs à air, qui pourra (ou pourront) être mobilisé(s) lors de l’étape de préchauffage du dispositif ou encore lors des étapes d’amorçage et de fusion. Son but est d’améliorer la dissipation de la chaleur générée par le thermoplongeur au sein de la cuve ; cela permet d’augmenter la puissance électrique fourni au thermoplongeur, notamment pendant la phase de préchauffage, sans courir le risque d’une surchauffe locale du thermoplongeur.

[0108] Selon un autre mode de réalisation, qui est compatible avec tous les autres modes de réalisation, on utilise un thermoplongeur qui comporte au moins deux circuits de chauffage configurés pour être alimentés en courant électrique de manière indépendante. Cela permet un contrôle plus fin de la puissance électrique apportée au four. Plus précisément, on peut prévoir sur toute la longueur efficace du thermoplongeur deux (ou plusieurs) circuits de résistances chauffantes indépendant, et on n’utilise qu’un des deux dans le cas d’un faible apport de courant électrique (par exemple pendant l’étape de préchauffage, ou pendant l’étape d’amorçage), le deuxième étant ajouté lorsque l’on a besoin d’un fort apport de courant électrique (par exemple pendant l’étape de fusion). [0109] On peut aussi prévoir deux (ou plusieurs) circuits de résistance électrique dans deux zones différentes réparties sur la longueur efficace du thermoplongeur, dont une proche de l’extrémité inférieure ; ainsi on subdivise le thermoplongeur sur sa longueur en aux moins deux segments thermiques pouvant être contrôles indépendamment l’un de l’autre. Dans ce mode de réalisation, on apporte une puissance électrique plus grande dans le circuit inférieur au début de la phase de fusion, lorsque la hauteur du pied de bain recouvre seulement une partie, et typiquement une petite partie, de la longueur efficace du thermoplongeur.

[0110] On peut prévoir, par l’intermédiaire d’un micro-processeur, une boucle de rétroaction qui augmente, au moins pendant une certaine durée, la puissance électrique apportée au segment inférieur lorsque le dispositif de mesure de la température dans une zone proche du fond de la cuve aura détecté la présence d’un pied de bain de métal liquide. Ladite durée peut être préprogrammée. On peut prévoir que dès que le niveau de métal dans la cuve aura atteint un certain niveau, on augmente la aussi la puissance électrique apportée au segment supérieur.

[0111 ] On peut prévoir que la puissance totale apportée au thermoplongeur diminue de nouveau lorsque l’étape de fusion sera terminée ; cette fin de l’étape de fusion peut être détecté par une méthode optique tel qu’une caméra, comme décrit ci-dessus, et/ou par un moyen de mesure de la température du métal liquide qui détecte une augmentation de la température lorsque tout le métal solide aura fondu.