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La présente invention concerne les fours de coulée et, plus spécialement, les fours à arc électrique servant à la produc- tion de lingots de métaux très réactifs comme, par exemple, le ti- tane ; la description donnée ci-après concerne cette dernière appli- cation.
Une des techniques actuellement utilisée couramment pour la production de lingots de titane, consiste à utiliser un four à arc électrique avec une. électrode- consumable comprimée ou autre- ment préparée à partir du métal spongieux ou pulvérulent tel qu'on l'obtient à partir de ses composés, l'arc électrique étant établi entre l'élec;trode consumable et une soie;en cuivre refroidie à l'eau II est aussi'-courant de produire le lingot, sous sa forme définitive, par le procédé de la double fusion, c'est-à-dire que le lingot ob-
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tenu au cours de la première opération par fusion de l'électrode consumable est utilisé lui-même comme électrode durant l'opération suivante de fusion à l'arc donnant le lingot final.
L'expérience a montré qu'il est nécessaire de laisser un jeu d'environ deux à trois centimètres entre le surface extérieure de l'électrode et la paroi intérieure du récipient dans lequel le métal fondu est recueilli, et il est à remarquer qu'en partant d'une électrode d'un diamètre de 20 cm, le lingot final obtenu par le pro- cédé de la double fusion a un diamètre d'au moins 30 cm. La présente invention concerne spécialement la coulée de titane en barres de pe- tit diamètre, c'est-à-dire d'une dimension beaucoup plus voisine de celle du produit final travaillé, par exemple des barres ou tiges laminées.
Actuellement, on obtient le titane en barres de faible diamètre par usinage d'un grand lingot, réduction par forgeage ou la minage du produit de l'opération d'usinage et mise à dimension fina-. le par forgeage ou laminage. Il est à noter que ces opérations en-a traînent une perte de matière considérable, l'opération initiale d' usinage seule provoquant une perte pouvant atteindre 10% du poids du lingot, ainsi que des frais importants de forgeage ou de laminage.
La présente invention concerne le fabrication de barres de faible diamètre propres à être transformées ensuite en un pro- duit fini, par exemple, en barres ou tiges laminées, en partant di- rectement d'un électrode consumable ayant un diamètre relativement grand, et on utilise, à cet effet, un four semi-continu, c'est-à- dire un four dans lequel le lingot se forme et sort, de façon con- tinue, à une vitesse convenable, d'un moule ouvert à ses deux extré- mités.
L'invention a pour objet un procédé dsemi-continu de coulée de métaux, caractérisé en ce qu'on établit un arc entre une électro- de consumable du métal à fondre et une sole métallique annulaire, refroidie à l'eau, le métal ainsi fondu passant par une ouverture de la sole, dans un moule à lingot refroidi à l'eau d'une machine à mouler semi-continue.
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Elle a aussi poux objet un four semi-continu destiné à fonctionner avec une électrode consumable ayant une section transver- sale d'une dimension donnée ou comprise dans une gamme donnée de di- mensions, caractérisé en ce qu'il comprend une sole dont la section transversale va en diminuant vers un orifice inférieur constituant l'entrée d'un moule servant à produire un lingot dont la section transversale est plus petite que celle de l'électrode, les dimensions de l'orifice de la sole étant suffisamment petites, relativement à la section transversale du moule, pour que le métal fondu passe dans le moule sans toucher les parois de la chambre au voisinage de l'entrée du moule.
Dans la pratique du procédé de la présente invention, exécuté dans un four conforme à l'invention, une électrode consuma- ble en titane, qui est elle-même le produit d'une opération de fu- sion préalable, est placée dans une chambre de fusion cylindrique, dans laquelle règne une pression inférieure à un millimètre de mer- cure et y est maintenue à l'aide d'une barre de titane brasée, à une extrémité, à la partie supérieure de l'électrode et fixée, par son autre extrémité, dans un bloc de cuivre monté sur l'extrémité infé- rieure d'un plongeur porte-électrode disposé verticalement. Le plon- geur porte-électrode pénètre, dans-la chambre cylindrique, par un joint étanche au vide, et son extrémité supérieure, extérieure à la chambre, est reliée, à l'aide d'un dispositif d'accouplement, à un appareil de commande.
L'appareil de commande comprend une crémaillè- re verticale accouplée au plongeur et actionnée par un pignon d'en- traînement actionné lui-même par un dispositif d'entraînement des- tiné à imprimer un mouvement vertical de descente au plongeur porte- électrode et, par conséquent, à l'électrode elle-même, pendant 1' opération de fusion à l'arc.
Le fond de la chambre cylindrique de fusion est constitué par une sole en cuivre refroidie à l'eau et de forme tronconique renversée, se terminant, à son extrémité inférieure, par un orifice constituant l'entrée d'un moule vertical situé sous la sole. Le dia-
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mètre du moule est plus petit que celui de l'électrode et le diamé- tre de l'orifice de sortie de la sole est de diamètre encore plus petit, les dimensions relatives des sections transversales du moule et de l'orifice de la sole étant choisies de façon que le métal en fusion sortant par l'orifice tombe directement au centre du moule, c'est-à-dire sans toucher les parois du moule au voisinage de l'ori. fice de sortie de la sole.
Le moule est entouré de serpentins de re froidissement, ou d'une chemise de refroidissement de façon que du métal se solidifie continuellement, à partir du bain de métal en fusion, sous la forme d'un lingot allongé pouvant être retiré du moule à l'aide d'un extracteur vertical vissé dans l'extrémité in- férieure du lingot.
Pour mettre le four en fonctionnement, l'extracteur est vissé ou coincé dans un bouchon inférieur et levé de manière à rapprocher le bouchon de l'extrémité supérieure du moule. Dans sa position de départ, le bouchon se trouve avec son extrémité supérieu- re nettement plus bas que l'orifice de la sole.
L'électrode consumable est ensuite mise en place à l'aide de son propre plongeur et un arc est établi entre l'électrode et la sole ou entre l'électrode et une tête en titane portée par la sole.
Au fur et à mesure de la consommation de l'électrode, le métal fondu s'écoule par l'orifice de sortie de la sole qui présente, au métal, un rebord dirigé vers l'intérieur et sur lequel le métal coule, de façon à tomber, par gouttes, dans le bain de métal en fusion sans toucher les parties supérieures des parois du moule. Pendant la fusion, le lingot est extrait lentement et de façon continue de ma- nière à toujours maintenir un intervalle entre la surface du bain et l'orifice du creuset.
L'agencement de l'orifice de la sole relativement aux dimensions du moule et au procédé de travail du four, permet d'évi- ter toute tendance qu'aurait le métal de se solidifier sur le pour- tour de l'orifice de la sole. Contrairement à cela, avec les dispo- sitions permettant la formation du bain de métal sur la sole elle- même, la formation d'un bouchon de métal annulaire autour de la sole
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c'est-à-dire à une certaine distance de la source de chaleur, peut avoir pour résultat un déchirement du lingot au cours de l'extrac- tion et aussi un endommagement du creuset.
Une forme d'exécution de l'invention est représentée au dessin annexé. Comme le montre celui-ci, une chambre à électrode 1 est fixée à une sole en cuivre refroidie à l'eau 2, de forme annu- laire. La face-supérieure 3 de la sole 2 est concave, la paroi étant inclinée vers le bas, dans la direction de l'orifice 4. La sole 2 est faite en cuivre épais et est pourvue de raccords pour l'eau et de cloisons intérieures assurant un refroidissement ef- ficace. Une électrode 5, dont le diamètre est considérablement plus grand que celui de l'orifice 4, est attachée à un plongeur porte-électrode 6 traversant le ciel 7 de-la chambre 1 par un joint étanche au vide 8. Le plongeur 6 sert à faire monter et descendre l'électrode 5 à l'intérieur de la chambre 1.
Celle-ci ayant un dia- mètre relativement grand, un refroidissement à l'eau ne doit pas être prévu pour la chambre, un écran 9, contre l'échauffement par rayonnement, empêchant que les parois de la chambre soient portées à une température excessive. Un électro-aimant 10, qui entoure le creuset 2, règle l'établissement de l'arc entre l'électrode 5 et le creuset 2.
Un moule métallique 11, refroidi à l'eau, est attaché à la partie inférieure de la sole 2, ce moule étant ouvert aux deux extrémités et ayant, à son extrémité inférieure, un diamètre supé- rieur à celui de l'orifice 4. Sous le moule 11, se trouve une cham- bre allongée ayant un diamètre intérieur plus grand que celui du moule et appelée chambre à lingot 12. Un regard 13 et une tubulure d'évacuation 14 sont prévus dans la partie supérieure, amovible, de la chambre à lingot 12. L'extrémité inférieure de la chambre à lin- got 12 est fermée par une plaque d'obturation étanche 15 traversée par la tige d'extraction 17 passant par un joint étanche au vide 16.
Deux lumières 18, fermées par des capots, sont prévues en deux points diamétralement opposés de la partie inférieure de la chambre à lin- got 12.
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Le four peut être mis sous vide et, si nécessaire, rempli d'un gaz inerte, à l'aide des tubulures 14 et 19.
L'électrode 6 est connectée au pôle négatif et le creuset 2 au pôle positif d'une source convenable de courant continu.
En fonctionnement le ciel 7 est enlevé et le plongeur 6 retiré de la chambre 1 par le dessus. L'électrode 5 est fixée au plongeur 6 de manière connue, et introduit dans la chambre 1, après quoi le ciel 7 est remis en place.
La plaque d'obturation 15 et la tige d'extraction 17 étant enlevées, on attache un bouchon support 20, en même métal que celui mis en fusion à la tige 17 à l'aide d'une vis 21 formant l'extré- mité de la tige 17 et vissée dans un trou taraudé, pratiqué dans 1' extrémité inférieure du bouchon. Ce dernier est, en outre, percé d'un trou 22 traversant le bouchon de part en part et situé de telle façon que, lorsque le bouchon occupe sa position inférieure, le trou 22 soit en ligne avec les lumières 18. L'extrémité supérieure du bouchon 20 est pourvue d'une encoche en queue d'aronde 23 d'étendant de part en part et ayant des parois latérales légèrement inclinées d'une extrémité à l'autre.
La plaque d'obturation 15 est remise en place et la tige est relevée de manière à introduire le bouchon 20 dans le moule 11 jusqu'à une position voisine de la partie inférieu- re de la sole 2.
Le four est évacué par les tubulures 14 et 19, et l'élec- trode 5 est abaissée vers la sole 2, un arc s'établissant entre 1' extrémité inférieure de l'électrode et la face supérieure 3 de la sole, L'électro-aimant 10 fait tourner l'arc tout autour de l'extré- mité inférieure de l'électrode 5, le métal étant ainsi mis en fusion de façon égale sous l'action de l'électrode dont l'extrémité est de forme conique. Il est clair que l'électrode 5 peut être rendue conique à son extrémité inférieure avant son introduction dans le four.
Le métal en fusion tombe, en gouttes, de l'extrémité infé- rieure de l'électrode 5 dans le moule 11, mais du métal peut aussi tomber sur la face supérieure 3 de la sole 2, ce métal tombant alors
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dans le moule 11 en s'égouttant du bord inférieur de l'orifice 4.
A cet effet, l'orifice 4 a un diamètre plus petit que celui du , moule 11, afin d'empêcher que du métal en fusion coule le long de la paroi du moule où il pourrait se solidifier et constituer un bouchon, sous l'effet du refroidissement par eau. Un lingot produit de cette manière aurait une surface de moindre qualité.
Le métal en fusion tombant dans le moule 11 n'est que lé- gèrement surchauffé et se solidifie rapidement, constituant une masse de métal solide qui épouse la section du moule 11 et s'accro- che au bouchon 20 grâce à la présence de l'encoche 23 en queue d' aronde. On maintient constant le niveau du métal solidifié en reti- orant continuellement la tige 17 et le métal solidifié y adhérant.
Quand l'électrode 5 est entièrement fondue, ou quand le lingot 24 a la dimension voulue, on coupe l'arc. L'opération de fusion peut être surveillée par le regard 13 par un regard semblable (non re- présenté) dans la chambre 1. Pour retirer le lingot 24, il faut d'abord faire cesser le vide dans le four, amener le trou 22 en alignement.avec les lumières 18 dont on enlève les capots, intro- duire une barre dans les lumières 18 et le trou 22, enlever la pla- que d'obturation 15 et dévisser la tige 17 du bouchon 20. L'intro- duction d'une barre dans le trou 22 sert à empêcher le lingot de tourner pendant qu'on dévisse la tige 17.
Le lingot peut ensuite être sorti du four par traction, et le bouchon 20 peut être déta- ché du lingot en déplaçant le bouchon transversalement à l'axe du lingot, de manière à supprimer la liaison par queue d'aronde.
Dans une seconde forme d'exécution de l'invention, le mou- le 11 est tapissé intérieurement d'une matière ayant une conducti- bilité thermique inférieure à celle du métal du moule proprement dit. On peut, par exemple, utiliser un moule en cuivre tapissé de graphite. Le tapissage réduit la vitesse de refroidissement du métal et tend à empêcher le formation de traînées sur la surface.
Le procédé peut être appliqué à différentes dimensions d'électrodes et de lingots. L'électrode est toujours plus grande que le lingot produit; on utilise, par exemple, une électrode
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ayant un diamètre de 30 cm et on produit un lingot d'un diamètre de 15 cm, le diamètre de l'orifice du creuset étant, dane ce cas, d'environ 10 cm. Le procédé permet de produire des lingots conve- nant à la fabrication de barres laminées.
REVENDICATIONS.
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1. Procédé semi-continu de coulée de métaux, caractérisé en ce qu'on établit un arc entre une électrode consumable composée du métal à fondre et une sole métallique annulaire refroidie à l' eau,le métal fondu ainsi obtenu passant, par un orifice de la sole dans un moule à lingot refroidi à l'eau d'une machine de coulée semi-continue.
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The present invention relates to casting furnaces and more especially to electric arc furnaces for the production of ingots of highly reactive metals such as, for example, titanium; the description given below relates to the latter application.
One of the techniques currently in common use for the production of titanium ingots consists of using an electric arc furnace with a. consumable electrode compressed or otherwise prepared from the spongy or pulverulent metal as obtained from its compounds, the electric arc being established between the consumable electrode and a silk; of copper cooled at water It is also common to produce the ingot, in its final form, by the process of double melting, that is to say that the ingot obtained
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held during the first operation by melting the consumable electrode is itself used as an electrode during the next operation of arc melting giving the final ingot.
Experience has shown that it is necessary to leave a clearance of about two to three centimeters between the outer surface of the electrode and the inner wall of the vessel in which the molten metal is collected, and it should be noted that starting from an electrode with a diameter of 20 cm, the final ingot obtained by the double melting process has a diameter of at least 30 cm. The present invention relates especially to the casting of titanium in bars of small diameter, that is to say of a dimension much closer to that of the final worked product, for example rolled bars or rods.
Currently, titanium is obtained in small diameter bars by machining a large ingot, reducing by forging or blasting the product from the machining operation and sizing. by forging or rolling. It should be noted that these in-a operations result in a considerable loss of material, the initial machining operation alone causing a loss of up to 10% of the weight of the ingot, as well as significant forging or rolling costs.
The present invention relates to the manufacture of small diameter bars suitable for further processing into a finished product, for example, into rolled bars or rods, starting directly from a consumable electrode having a relatively large diameter, and uses, for this purpose, a semi-continuous furnace, that is to say an furnace in which the ingot is formed and leaves, in a continuous manner, at a suitable speed, from a mold open at both ends - moths.
The object of the invention is a semi-continuous process for casting metals, characterized in that an arc is established between a consumable electrode of the metal to be melted and an annular metal hearth, cooled with water, the metal thus melt passing through an opening in the hearth into a water-cooled ingot mold of a semi-continuous molding machine.
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It also relates to a semi-continuous furnace intended to operate with a consumable electrode having a cross-section of a given dimension or included in a given range of dimensions, characterized in that it comprises a hearth whose bottom cross section decreases towards a lower orifice constituting the inlet of a mold serving to produce an ingot whose cross section is smaller than that of the electrode, the dimensions of the orifice of the hearth being sufficiently small, relatively to the cross-section of the mold, so that the molten metal passes through the mold without touching the walls of the chamber in the vicinity of the entrance to the mold.
In the practice of the process of the present invention, carried out in a furnace in accordance with the invention, a consumable titanium electrode, which is itself the product of a prior melting operation, is placed in a chamber. cylindrical fusion, in which a pressure of less than a millimeter of mercury prevails and is maintained there by means of a titanium bar brazed, at one end, to the upper part of the electrode and fixed, by its other end, in a copper block mounted on the lower end of a vertically arranged electrode plunger. The electrode-holder plunger enters the cylindrical chamber through a vacuum-tight seal, and its upper end, outside the chamber, is connected, by means of a coupling device, to an apparatus control.
The control apparatus comprises a vertical rack coupled to the plunger and actuated by a drive pinion itself actuated by a drive device intended to impart a vertical downward movement to the electrode-holder plunger and , therefore, to the electrode itself, during the arc melting operation.
The bottom of the cylindrical melting chamber is formed by a water-cooled copper hearth of upside-down frustoconical shape, ending, at its lower end, with an orifice constituting the inlet of a vertical mold located under the hearth. . The dia-
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meter of the mold is smaller than that of the electrode and the diameter of the hearth outlet orifice is even smaller in diameter, the relative dimensions of the cross sections of the mold and the hearth orifice being chosen so that the molten metal exiting through the orifice falls directly into the center of the mold, that is to say without touching the walls of the mold in the vicinity of the ori. sole output fice.
The mold is surrounded by cooling coils, or a cooling jacket so that metal continuously solidifies, from the bath of molten metal, in the form of an elongated ingot which can be removed from the mold. using a vertical extractor screwed into the lower end of the ingot.
To start the oven, the extractor is screwed or wedged in a lower plug and lifted so as to bring the plug closer to the upper end of the mold. In its starting position, the stopper is located with its upper end significantly lower than the opening in the bottom.
The consumable electrode is then placed using its own plunger and an arc is established between the electrode and the sole or between the electrode and a titanium head carried by the sole.
As the electrode is consumed, the molten metal flows through the outlet orifice of the hearth which presents, to the metal, a rim directed towards the inside and on which the metal flows, so to fall, in drops, into the bath of molten metal without touching the upper parts of the walls of the mold. During the melting, the ingot is extracted slowly and continuously so as to always maintain a gap between the surface of the bath and the orifice of the crucible.
The arrangement of the orifice of the hearth relative to the dimensions of the mold and to the working process of the furnace, makes it possible to avoid any tendency for the metal to solidify around the periphery of the orifice of the oven. sole. Contrary to this, with the arrangements allowing the formation of the metal bath on the hearth itself, the formation of an annular metal plug around the hearth
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that is, at some distance from the heat source, can result in tearing of the ingot during extraction and also damage to the crucible.
One embodiment of the invention is shown in the accompanying drawing. As shown here, an electrode chamber 1 is attached to a water-cooled copper hearth 2, annular in shape. The upper face 3 of the hearth 2 is concave with the wall inclined downwards in the direction of the orifice 4. The hearth 2 is made of thick copper and is provided with water connections and interior partitions. ensuring efficient cooling. An electrode 5, the diameter of which is considerably larger than that of the orifice 4, is attached to an electrode-holder plunger 6 passing through the head 7 of the chamber 1 by a vacuum-tight seal 8. The plunger 6 serves to move electrode 5 up and down inside chamber 1.
The latter having a relatively large diameter, water cooling must not be provided for the chamber, a screen 9, against heating by radiation, preventing the walls of the chamber from being brought to an excessive temperature. . An electromagnet 10, which surrounds the crucible 2, regulates the establishment of the arc between the electrode 5 and the crucible 2.
A metal mold 11, cooled with water, is attached to the lower part of the sole 2, this mold being open at both ends and having, at its lower end, a diameter greater than that of the orifice 4. Under the mold 11, there is an elongated chamber having an interior diameter greater than that of the mold and called ingot chamber 12. A sight glass 13 and a discharge pipe 14 are provided in the upper, removable part of the chamber. ingot chamber 12. The lower end of ingot chamber 12 is closed by a sealed blanking plate 15 through which the extraction rod 17 passes through a vacuum seal 16.
Two openings 18, closed by covers, are provided at two diametrically opposed points of the lower part of the inlet chamber 12.
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The oven can be evacuated and, if necessary, filled with inert gas, using the nozzles 14 and 19.
Electrode 6 is connected to the negative pole and crucible 2 to the positive pole of a suitable source of direct current.
In operation, the cover 7 is removed and the plunger 6 withdrawn from the chamber 1 from above. The electrode 5 is fixed to the plunger 6 in a known manner, and introduced into the chamber 1, after which the cover 7 is put back in place.
With the closure plate 15 and the extraction rod 17 removed, a support plug 20, made of the same metal as that melted, is attached to the rod 17 by means of a screw 21 forming the end. of the rod 17 and screwed into a threaded hole in the lower end of the plug. The latter is also pierced with a hole 22 passing right through the plug and located so that, when the plug occupies its lower position, the hole 22 is in line with the slots 18. The upper end of stopper 20 is provided with a dovetail notch 23 extending right through and having side walls slightly inclined from one end to the other.
The closure plate 15 is put back in place and the rod is raised so as to introduce the stopper 20 into the mold 11 to a position close to the lower part of the sole 2.
The furnace is evacuated through the tubes 14 and 19, and the electrode 5 is lowered towards the hearth 2, an arc being established between the lower end of the electrode and the upper face 3 of the hearth, L ' electromagnet 10 rotates the arc all around the lower end of electrode 5, the metal being thus melted evenly under the action of the electrode, the end of which is conical . It is clear that the electrode 5 can be made conical at its lower end before its introduction into the furnace.
The molten metal drops, in drops, from the lower end of the electrode 5 into the mold 11, but metal can also fall on the upper face 3 of the hearth 2, this metal then falling.
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into the mold 11, dripping from the lower edge of the orifice 4.
For this purpose, the orifice 4 has a diameter smaller than that of the mold 11, in order to prevent molten metal from flowing along the wall of the mold where it could solidify and form a plug, under the effect of water cooling. An ingot produced in this way would have a lower quality surface.
The molten metal falling into the mold 11 is only slightly overheated and solidifies quickly, constituting a solid mass of metal which conforms to the section of the mold 11 and clings to the plug 20 thanks to the presence of the 'dovetail notch 23. The level of the solidified metal is kept constant by continuously rewinding the rod 17 and the solidified metal adhering thereto.
When the electrode 5 is completely melted, or when the ingot 24 has the desired size, the arc is cut. The melting operation can be monitored by the sight glass 13 by a similar sight (not shown) in the chamber 1. To remove the ingot 24, it is first necessary to stop the vacuum in the furnace, bring the hole 22 in alignment.with the slots 18 from which the covers are removed, insert a bar in the slots 18 and the hole 22, remove the blanking plate 15 and unscrew the rod 17 from the plug 20. The introduction of a bar in the hole 22 serves to prevent the ingot from rotating while the rod 17 is unscrewed.
The ingot can then be pulled out of the furnace, and the stopper 20 can be detached from the ingot by moving the stopper transversely to the axis of the ingot, so as to eliminate the dovetail bond.
In a second embodiment of the invention, the mold 11 is lined internally with a material having a lower thermal conductivity than that of the metal of the mold itself. One can, for example, use a copper mold lined with graphite. The coating reduces the rate of cooling of the metal and tends to prevent the formation of streaks on the surface.
The method can be applied to different sizes of electrodes and ingots. The electrode is always larger than the ingot produced; we use, for example, an electrode
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having a diameter of 30 cm and producing an ingot with a diameter of 15 cm, the diameter of the orifice of the crucible being, in this case, about 10 cm. The process enables the production of ingots suitable for the manufacture of rolled bars.
CLAIMS.
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1. Semi-continuous process for casting metals, characterized in that an arc is established between a consumable electrode composed of the metal to be melted and an annular metal hearth cooled with water, the molten metal thus obtained passing through an orifice sole in a water-cooled ingot mold of a semi-continuous casting machine.