La présente invention concerne un procédé pour la production
-de.lingots sains, propres et homogènes, en métaux réfractaires et facilement oxydables et en leurs alliages.
On a rencontré beaucoup de difficultés à produire des lingots sains, propres et homogènes à partir de métaux réfractaires
et facilement oxydables et de leurs alliages, par exemple, le titane, le zirconium, l'uranium et le vanadium ainsi que leurs différents alliages. Ces métaux en particulier réagissent facilement avec de l'oxygène et de l'azote pour former des composés
qui sont très difficiles à décomposer à l'effet d'en séparer l'élément anionique. Dans le procédé pour la préparation de lingots
à partir de ces éléments et de leurs alliages par les processus
les plus méticuleux connus, on obtient inévitablement des lingots dont les surfaces sont fortement contaminées par des oxydes-et d'autres impuretés, telles que par exemple, des sels qui ont
pu être utilisés pour produire les métaux. L'intérieur des lingots est habituellement poreux et contient beaucoup
de gaz occlus. Les alliages de ces éléments présentent
des variations considérables d'un point à l'autre des lingots. Actuellement, que ces lingots puissent être traités ultérieurement, il est admis d'enlever et de rejeter une grande partie des lingots coulés, particulièrement la partie en surfacé. Le noyau de ces lingots est souvent laminé ou usiné sous forme de barres ou de verges afin d'homogénéiser la composition et de réduire sa porosité. Ces barres ou verges sont alors coupées ou autrement réduites en petites particules et refondues dans un four de fusion à arc en un lingot utilisable de. structure raisonnablement saine. Cependant,
ces lingots,quoiqu'étant plus homogènes que les premiers, sont contaminés par des gaz qu'ils absorbent pendant leur préparation pour la refonte et les propriétés des produits obtenus varient considérablement.
La présente invention a pour buts de procurer:
un procédé pour la.production de lingots sains, propres d'une'très bonne homogénéité, par un processus.simple'comprenant deux opérations successives de fusion à l'arc sans production sensible de déchets de métal dans le lingot final;
un procédé pour la fusion à l'arc de métaux réfractaires, facilement oxydables et de leurs alliages, en fondant à l'arc
des masses de ces métaux en un lingot initial et en refondant ensuite le lingot initial pour produire un second lingot qui soit plus sain, plus propre et plus homogène que d'habitude.
L'invention ressortira plus clairement de la description détaillée suivante d'une forme d'exécution préférée, illustrée
à titre d'exemple par le dessin annexé, dont la figure unique
est une coupe en élévation d'un four de fusion à arc utilisé dans la pratique de la présente invention.
L'invention consiste en un procédé simple pour la production de lingots sains, propres et bien homogènes, en métaux réfractaires
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1, de poudre ou sous forme spongieuse par suite de la réduction
de l'oxyde ou d'un autre composé de ces métaux, en fondant
ces métaux à l'arc comme électrode consumable dans une atmosphère inerte ou dans le vide pour produire un lingot initial, et en utilisant ensuite ce lingot comme électrode consumable dans
une seconde fusion-à l'arc, également dans-une atmosphère inerte
ou sous vide, cette seconde fusion à l'arc produisant un lingot final ayant les propriétés voulues. L'utilisation du premier lingot comme électrode dans la seconde fusion à l'arc produit une amélioration absolument inattendue du produit. Tous les traitements intermédiaires amenant des déchets et des rebuts, qui étaient nécessaires
jusqu'à présent, peuvent être éliminés. De plus, on peut facilement obtenir des lingots de n'importe quèlle dimension ou forme en utilisant les deux phases de fusion à l'arc successivement.
Actuellement, un métal réfractaire et facilement oxydable typique est le zirconium qui est obtenu sous forme spongieuse
par certains processus de réduction bien connus. Le procédé
de la présente invention sera décrit avec référence au
zirconium, mais il est clair que d'autres métaux peuvent,
être traités de la même façon. On presse le zirconium spongieux
en masses compactes à des pressions de l'ordre de 40.000 livres/ pouce carré (2.800 Kg/cm2). Ces masses peuvent se présenter
sous forme de barres d'un pied de longueur (30.5 cm) et de deux pouces sur deux pouces de section (5,1 cm sur 5,1 cm). Pour utiliser ces masses relativement petites dans des processus
de coulée à l'arc pour produire de gros lingots, on peut assembler plusieurs masses par quelques points de soudure, tout en les maintenant dans une atmosphère inerte, telle que par exemple, de
i l'argon. En procédant ainsi par soudage, on peut préparer une
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et 4 pouces sur !,:-pouces de section '(10,2 cm sur 10,2 cm).
Si on dispose d'une presse de capacité suffisante, on peut préparer une grosse masse formant une seule barre avec laquelle on commence à travailler. Les masses obtenuesà partir de zirconium spongieux contiennent habituellement une proportion substantielle de sels, tels que du chlorure de magnésium, du magnésium, et des oxydes métalliques, tels que de l'oxyde de zirconium, présents avec
de petites quantités d'azote et d'autres gaz occlus.
Pour préparer un lingot à partir d'une électrode comprenant une ou plusieurs masses de zirconium, on fait fondre l'électrode
à l'arc dans une chambre 10, visible sur le dessin, dans laquelle l'électrode 12 est formée par les masses de zirconium. L'électrode
12 est supportée à son extrémité supérieure par un support creux
14 visséen 16 dans l'extrémité supérieure de l'électrode. Le support
14 peut être refroidi par une circulation d'eau qui le traverse.
Le support 14 traverse un couvercle 18 pourvu d'un bourrage d'étanchéité relativement étanche aux gaz 20 entourant le support'<1>4
de manière à lui permettre de se déplacer verticalement sans laisser passer les gaz. Le couvercle 18 est fixé à une enveloppe cylindrique 22 par l'intermédiaire d'un joint 23 servant à produire une chambre étanche. Près de la partie inférieure de l'intérieur
de l'enveloppe cylindrique 22 est prévue une tablette trouée 24 pourvue de supports 26 sur lesquels sont montés des galets 28 servant à guider le déplacement de l'électrode 12 qui traverse
la tablette verticalement. Des galets d'entraînement 30 pressés fortement contre les parois de l'électrode 12 sont disposés perpendiculairement à l'axe des galets 28. Les galets d'entraînement 30 peuvent être commandés par un arbre 32 traversant un bourrage d'étanchéité hermétique et à frottement doux 34 placé
sur l'enveloppe 22. Un moteur 36 peut, par l'intermédiaire d'une botte d'engrenages 38, commander la rotation de l'arbre 32
et ainsi la vitesse de la montée ou de la descente de l'électrode
12.
L'extrémité inférieure de l'enveloppe cylindrique 22
est pourvue d'une bride 40 qui est reliée de façon détachable à une bride 44 d'une lingotière 42. Un joint électriquement isolant
46 est intercalé entre les brides 40 et 44. La lingotière '
42 est entourée d'une chemise 48 pourvue d'un espace
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On a découvert que l'eau est un agent de refroidissement approprié, quoique l'on puisse utiliser des gaz et d'autres
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tière 42 coopèrent pour former une chambre fermée. Cette chambre
-contient une atmosphère inerte appropriée. L'atmosphère inerte peut être formée soit par un léger vide soit par un gaz inerte purifié pratiquement exempt d'oxygène, de vapeur d'eau ou d'autres substances qui réagissent avec le métal réfractaire en fusion qui doit être transformé en lingot. On peut ainsi introduire de l'argon ou de l'hélium dans cette chambre par une entrée 56 et on peut le soutirer par une sortie 58 raccordée à une pompe à vide appropriée, ou l'équivalent. S'il faut appliquer un vide au système, on ferme <EMI ID=5.1>
'tient l'intérieur du cylindre 22 à une pression peu élevée de l'ordre de quelques microns de colonne de mercure.
Le support 14 est relié à la borne négative 60 d'une source de courant continu appropriée, par exemple une génératrice de courant continu ou un redresseur. La lingotière 42 est reliée à la borne positive 62 de cette même source d'énergie électrique. La lingotière
42 est en un métal, tel que du cuivre, ou en une autre matière qui conduit le courant électrique sans contaminer matériellement le métal réfractaire en fusion. Il peut être souhaitable de placer
une petite masse ou bouton du métal réfractaire au fond de la lingotière 42 pour faciliter la fusion à l'arc. Pour commencer la
fusion à l'arc on actionne le moteur 36 afin d'abaisser l'électrode .1 <EMI ID=6.1>
ou pointe et le fond de la lingotière ou le bouton de métal qu'elle contient. L'électrode 12 est ensuite convenablement mise en place par le moteur 36 de manière à fondre. progressivement à partir de son extrémité inférieure vers le haut et se déposer sous forme de métal en fusion dans la lingotière 42. La lingotière est refroidie par la circulation d'eau dans la chemise 50 de sorte que le métal en fusion
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une petite flaque 64 de métal en fusion restant près de l'extrémité de l'électrode. Lorsque la lingotière est pratiquement remplie, on écarte l'électrode 12 d'une distance substantielle de la
flaque 64, le passage du courant étant interrompu et tout le lingot initial 66 pouvant durcir.
Les lingots initiaux produits par la fusion de masses de métal réfractaire et facilement oxydable-., tel que du zirconium, par exemple, sont fort poreux et ne sont pas sains. La surface
68 est contaminée jusqu'à une profondeur notable par des sels et des oxydes ou des matières analogues. Cette fusion à l'arc initiale
ne produit pas un lingot présentant des caractéristiques
satisfaisantes de produits commercialement utilisables. De même, le diamètre du lingot 66 est limité par les dimensions latérales
de l'électrode 12.
Jusqu'à présent, il était courant d'enlever par usinage
la couche superficielle 68, que l'on rejetait ensuite. D'un lingot de zirconium de 12 pouces (30.5 cm) de diamètre, il fallait enlever approximativement un pouce (2.5 cm) de la surface extérieure,
pour obtenir un noyau ou corps d'environ 10 pouces (25,4 cm).
On laminait ce corps de 10 pouces (25,4 cm) en une barre, une bande ou une tige que l'on découpait alors en petits morceaux
que l'on fondait à nouveau. Mais le processus de laminage et de découpage expose une grande surface du lingot à l'atmosphère pendant qu'il est chaud et augmente la quantité' de nitrures et d'oxydes et par conséquent les déchets et les pertes de métal. Ces petits
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un lingot qui est encore fortement malsain et qui est contaminé par les gaz absorbés par sa surface pendant qu'on le prépare pour la refonte.
Suivant la présente invention, le lingot initial 66 obtenu par la première fusion à l'arc ne doit pas être usiné'et laminé,
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lingot solide 66 est utilisé comme électrode dans une opération
de fusion à l'arc qui constitue une répétition de l'opération
que l'on vient de décrire avec l'électrode 12. Il est préférable d'exécuter cette nouvelle fusion sous vide. Pendant cette fusion les oxydes superficiels et les impuretés tendent à se volatiliser presque complètement et sont aspirés par la sortie 58 avec les gaz qui peuvent être occlus dans les pores du lingot 66. On peut couler un plus gros lingot pendant cette seconde fusion. Par exemple,
la barre formant l'électrode originale peut comprendre une masse
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pouces (10,2 cm sur 10,2 cm) de section, et le lingot 66 obtenu à partir de cette électrode peut avoir 7 pouces (17,8' cm) de diamètre. Ce lingot est ensuite facilement fondu à l'arc par
le même processus pour produire un lingot de 11 ou 12 pouces
de diamètre (28 cm ou 30,5 cm ). Dans beaucoup de cas, il est
très souhaitable de produire de gros lingots car ils permettent
la préparation de brames et de toiles plus grandes que celles
que l'on pourrait obtenir à partir de lingots plus minces.
Pendant la seconde fusion à l'arc, appliquée au lingot initial, une.proportion très élevée des impuretés initialement présentes est éliminée. Les surfaces du métal ne sont plus exposées
à s'oxyder ou absorber des impuretés comme cela se produit lorsque l'on transforme le premier lingot en une bande ou une verge et au'on le découpe en petits tronçons. Le second
lingot est étonnamment différent du premier lingot et supérieur à ce dernier. Ainsi, alors que la surface du premier lingot
ne présente aucune apparence métallique, la surface du
second lingot a un éclat métallique propre et brillant.
Le second lingot est exempt de pores et de poches soufflées provenant de gaz occlus. De plus, la structure du métal est beaucoup plus uniforme et de qualité supérieure. En outre,
les alliages de métaux réfractaires facilement oxydés sont exceptionnellement homogènes. Dans un exemple, des lingots
de première fusion préparés à partir de zirconium allié à 2.5% d'étain ont montré un écart normal de la teneur en étain variant de 0,13 à 0,18%. Un lingot de 7 pouces de diamètre (17.8 cm) ayant ces propriétés, lorsqu'il est refondu par un processus
de fusion à l'arc en un lingot de 12 pouces (30,5cm) montre
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Ceci constitue une amélioration sensible. Le lingot de seconde fusion peut être refondu à l'arc une troisième fois, mais l'amélioration de la qualité est faible comparée à celle obtenue par la première et la seconde fusion à l'arc mais le lingot de troisième fusion peut être de très grand diamètre.
<EMI ID=12.1> exemple de la présente invention et ne la limite pas; de nombreuse,% modifications pouvant au contraire y être apportées sans sortir
de son cadre. Quoique l'électrode 12 décrite comprenne des masses produites par pressage, il est clair que le métal peut être fondu par d'autres dispositifs, tels qu'un four à induction, et coulé
en une électrode brute qui peut être fondue à l'arc comme décrit, pour produire des lingots sains et propres.
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sant du courant continu, on peut évidemment utiliser du courant alternatif, ainsi que du courant continu avec du courant alternatif superposé, pour faire fondre les électrodes consumables du métal qui doit être coulé en lingots.
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The present invention relates to a process for the production
- sound, clean and homogeneous ingots, in refractory and easily oxidizable metals and in their alloys.
Many difficulties have been encountered in producing sound, clean and homogeneous ingots from refractory metals.
and easily oxidizable and their alloys, for example, titanium, zirconium, uranium and vanadium as well as their various alloys. These metals in particular easily react with oxygen and nitrogen to form compounds
which are very difficult to decompose in order to separate the anionic element therefrom. In the process for the preparation of ingots
from these elements and their alloys by the processes
the most meticulous ones known, one inevitably obtains ingots whose surfaces are strongly contaminated by oxides - and other impurities, such as for example, salts which have
could be used to produce the metals. The interior of ingots is usually porous and contains a lot of
of occluded gas. The alloys of these elements present
considerable variations from one point to another of the bars. Currently, that these ingots can be treated subsequently, it is accepted to remove and reject a large part of the cast ingots, particularly the surfaced part. The core of these ingots is often rolled or machined in the form of bars or rods in order to homogenize the composition and reduce its porosity. These bars or yards are then cut or otherwise reduced into small particles and remelted in an arc melting furnace into a usable ingot of. reasonably healthy structure. However,
these ingots, although being more homogeneous than the first ones, are contaminated by gases which they absorb during their preparation for remelting and the properties of the products obtained vary considerably.
The present invention aims to provide:
a process for the production of sound, clean ingots of very good homogeneity, by a simple process comprising two successive arc melting operations without appreciable production of metal waste in the final ingot;
a process for the arc fusion of refractory, easily oxidizable metals and their alloys, by arc melting
masses of these metals into an initial ingot and then remelting the initial ingot to produce a second ingot which is healthier, cleaner and more homogeneous than usual.
The invention will emerge more clearly from the following detailed description of a preferred embodiment, illustrated
by way of example by the appended drawing, the single figure of which
is a sectional elevation of an arc melting furnace used in the practice of the present invention.
The invention consists of a simple process for the production of sound, clean and well-homogeneous ingots made of refractory metals.
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1, powder or in spongy form as a result of the reduction
oxide or another compound of these metals, by melting
these arc metals as a consumable electrode in an inert atmosphere or in a vacuum to produce an initial ingot, and then using this ingot as a consumable electrode in
a second fusion-arc, also in-an inert atmosphere
or under vacuum, this second arc melting producing a final ingot having the desired properties. The use of the first ingot as an electrode in the second arc melting produces an absolutely unexpected improvement in the product. All the intermediate treatments leading to waste and scrap, which were necessary
so far can be eliminated. In addition, one can easily obtain ingots of any size or shape by using the two phases of arc melting successively.
Currently, a typical refractory and easily oxidizable metal is zirconium which is obtained in spongy form.
by some well-known reduction processes. The process
of the present invention will be described with reference to
zirconium, but it is clear that other metals can,
be treated the same. The spongy zirconium is pressed
in compact masses at pressures of the order of 40,000 pounds / square inch (2,800 Kg / cm2). These masses can present
in the form of bars one foot long (30.5 cm) and two inches by two inches in section (5.1 cm by 5.1 cm). To use these relatively small masses in processes
arc casting to produce large ingots, one can assemble several masses by a few welding points, while maintaining them in an inert atmosphere, such as for example,
i argon. By proceeding in this way by welding, a
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and 4 inches on!,: - inch section '(10.2 cm by 10.2 cm).
If you have a press of sufficient capacity, you can prepare a large mass forming a single bar with which to start working. The masses obtained from spongy zirconium usually contain a substantial proportion of salts, such as magnesium chloride, magnesium, and metal oxides, such as zirconium oxide, present with
small amounts of nitrogen and other occluded gases.
To prepare an ingot from an electrode comprising one or more masses of zirconium, the electrode is melted
arc in a chamber 10, visible in the drawing, in which the electrode 12 is formed by the masses of zirconium. The electrode
12 is supported at its upper end by a hollow support
14 screwed 16 into the upper end of the electrode. The support
14 can be cooled by a circulation of water which passes through it.
The support 14 passes through a cover 18 provided with a relatively gas-tight sealing packing 20 surrounding the support '<1> 4
so as to allow it to move vertically without allowing gas to pass through. The cover 18 is attached to a cylindrical shell 22 through a gasket 23 serving to produce a sealed chamber. Near the bottom of the interior
of the cylindrical casing 22 is provided a perforated shelf 24 provided with supports 26 on which are mounted rollers 28 serving to guide the movement of the electrode 12 which passes through
the shelf vertically. Drive rollers 30 strongly pressed against the walls of the electrode 12 are arranged perpendicular to the axis of the rollers 28. The drive rollers 30 can be driven by a shaft 32 passing through a hermetic and friction seal packing. soft 34 placed
on the casing 22. A motor 36 can, by means of a gearbox 38, control the rotation of the shaft 32
and thus the speed of the rise or fall of the electrode
12.
The lower end of the cylindrical casing 22
is provided with a flange 40 which is detachably connected to a flange 44 of an ingot mold 42. An electrically insulating seal
46 is interposed between the flanges 40 and 44. The ingot mold '
42 is surrounded by a shirt 48 provided with a space
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It has been found that water is a suitable coolant, although gases and others can be used.
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tière 42 cooperate to form a closed chamber. This room
-contains an appropriate inert atmosphere. The inert atmosphere can be formed either by a slight vacuum or by a purified inert gas substantially free of oxygen, water vapor or other substances which react with the molten refractory metal which is to be made into an ingot. Argon or helium can thus be introduced into this chamber through an inlet 56 and it can be withdrawn through an outlet 58 connected to a suitable vacuum pump, or the equivalent. If a vacuum needs to be applied to the system, we close <EMI ID = 5.1>
'holds the interior of cylinder 22 at a low pressure of the order of a few microns of mercury column.
The support 14 is connected to the negative terminal 60 of a suitable direct current source, for example a direct current generator or a rectifier. The mold 42 is connected to the positive terminal 62 of this same source of electrical energy. The ingot mold
42 is of a metal, such as copper, or other material which conducts electric current without materially contaminating the molten refractory metal. It may be desirable to place
a small mass or button of the refractory metal at the bottom of the mold 42 to facilitate arc melting. To start the
arc fusion motor 36 is activated in order to lower the electrode. 1 <EMI ID = 6.1>
or point and the bottom of the mold or the metal button it contains. The electrode 12 is then suitably placed by the motor 36 so as to melt. gradually from its lower end upwards and settle as molten metal in the mold 42. The mold is cooled by the circulation of water in the jacket 50 so that the molten metal
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a small puddle 64 of molten metal remaining near the end of the electrode. When the mold is practically full, the electrode 12 is moved away from a substantial distance from the
puddle 64, the flow of current being interrupted and all of the initial ingot 66 being able to harden.
The initial ingots produced by the fusion of masses of refractory and easily oxidizable metal, such as zirconium, for example, are very porous and are not sound. The surface
68 is contaminated to a substantial depth with salts and oxides or the like. This initial arc fusion
does not produce an ingot with characteristics
satisfactory results of commercially usable products. Likewise, the diameter of the ingot 66 is limited by the lateral dimensions.
electrode 12.
Until now, it was common to remove by machining
the surface layer 68, which was then rejected. From a 12 inch (30.5 cm) diameter zirconium ingot, approximately one inch (2.5 cm) had to be removed from the outer surface,
to get a core or body of about 10 inches (25.4 cm).
This 10 inch (25.4 cm) body was rolled into a bar, strip or rod which was then cut into small pieces.
that we melted again. But the rolling and cutting process exposes a large area of the ingot to the atmosphere while it is hot and increases the amount of nitrides and oxides and hence metal scrap and loss. These little ones
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an ingot which is still highly unhealthy and which is contaminated by gases absorbed by its surface while it is being prepared for remelting.
According to the present invention, the initial ingot 66 obtained by the first arc melting must not be machined and rolled,
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solid ingot 66 is used as an electrode in an operation
arc fusion which constitutes a repetition of the operation
which has just been described with the electrode 12. It is preferable to carry out this new melting under vacuum. During this melting the surface oxides and impurities tend to volatilize almost completely and are sucked through outlet 58 with gases which may be occluded in the pores of ingot 66. A larger ingot can be cast during this second melting. For example,
the bar forming the original electrode may include a mass
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inches (10.2 cm by 10.2 cm) in section, and the ingot 66 obtained from this electrode may be 7 inches (17.8 cm) in diameter. This ingot is then easily arc melted by
the same process to produce an 11 or 12 inch ingot
in diameter (28 cm or 30.5 cm). In many cases it is
very desirable to produce large ingots as they allow
the preparation of slabs and fabrics larger than those
that could be obtained from thinner ingots.
During the second arc melting, applied to the initial ingot, a very high proportion of the impurities initially present is removed. Metal surfaces are no longer exposed
to oxidize or absorb impurities as occurs when the first ingot is made into a strip or rod and cut into small sections. The second
ingot is surprisingly different from and superior to the first ingot. Thus, while the surface of the first ingot
has no metallic appearance, the surface of the
second ingot has a clean and shiny metallic luster.
The second ingot is free of pores and blown pockets from occluded gas. In addition, the structure of the metal is much more uniform and of higher quality. In addition,
easily oxidized refractory metal alloys are exceptionally homogeneous. In one example, ingots
Primary melts prepared from zirconium alloyed with 2.5% tin showed a normal deviation of the tin content ranging from 0.13 to 0.18%. A 7 inch diameter (17.8 cm) ingot having these properties, when remelted by a process
arc melting into a 12 inch (30.5cm) ingot watch
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This constitutes a significant improvement. The secondary melting ingot can be arc melted a third time, but the improvement in quality is small compared to that obtained by the first and second arc melting but the third melting ingot can be very large diameter.
<EMI ID = 12.1> example of the present invention and does not limit it; many,% modifications can on the contrary be made without going out
of its frame. Although the electrode 12 described comprises masses produced by pressing, it is clear that the metal can be melted by other devices, such as an induction furnace, and cast.
into a raw electrode which can be arc melted as described, to produce sound and clean ingots.
<EMI ID = 13.1>
With direct current, one can obviously use alternating current, as well as direct current with alternating current superimposed, to melt the consumable electrodes of the metal which is to be cast into ingots.
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