Fusion spéciale : Tout ce qu'il faut savoir

1. Introduction

1.1 Développement de la fusion de spécialités

La fusion spécialisée est une méthode spéciale et efficace pour produire des aciers spéciaux, des alliages à haute température, des alliages de précision et des aciers fortement alliés.

Les matériaux métalliques représentés par l'acier ont été largement utilisés dans l'économie nationale, la construction de la défense nationale, les domaines scientifiques et technologiques, etc.

Les progrès rapides de la technologie électronique contemporaine, de la technologie aérospatiale, de la technologie de la navigation et de l'énergie et d'autres domaines ont créé des exigences de plus en plus élevées en matière de qualité et de variété de l'acier et des alliages.

 Par exemple, l'acier ou les alliages doivent pouvoir fonctionner de manière fiable dans un environnement à haute température, haute pression, haute vitesse, charge dynamique, rayonnement élevé et milieu hautement corrosif.

Cependant, les méthodes de fusion conventionnelles telles que le convertisseur, le four à sole ouverte et le four à arc répondent difficilement aux exigences actuelles et ne peuvent fournir des produits d'une qualité aussi élevée, ce qui nécessite l'utilisation de méthodes de fusion spéciales.

Les méthodes de fusion spécialisées courantes comprennent la fusion par induction, la métallurgie sous laitier électrolytique, arc plasma La fusion à l'arc sous vide, la refonte à l'arc sous vide et la fusion par faisceau d'électrons.

(1) Fusion par induction

La fusion par induction est une méthode de chauffage et de fusion des métaux utilisant le principe de l'induction électromagnétique.

En fonction de la fréquence, il peut être divisé en fours à basse fréquence, fours à moyenne fréquence et fours à haute fréquence ; en fonction de l'atmosphère et de la structure, il peut être classé en fours à induction sous vide et fours à induction plasma, ainsi que d'autres fours destinés à des fins différentes.

Les fours à haute fréquence sont principalement utilisés pour la recherche en laboratoire, tandis que les fours à moyenne fréquence sont principalement utilisés pour la production d'acier et d'alliages de haute qualité. Ils présentent les avantages suivants : vitesse de fusion rapide, efficacité de production élevée, forte adaptabilité, souplesse d'utilisation, bon effet de brassage électromagnétique et facilité de mise en service.

Actuellement, la fusion en four à induction est devenue une méthode importante pour la production d'alliages spéciaux tels que les aciers spéciaux, les alliages de précision, les alliages pour le chauffage électrique, les alliages à haute température et les alliages résistants à la corrosion.

(2) Métallurgie du laitier électrolytique

La métallurgie sous laitier est une méthode de fusion spéciale qui utilise la chaleur générée par la résistance du laitier causée par le courant passant à travers le laitier liquide pour chauffer et affiner le métal.

Son cœur de métier est la refonte sous laitier électrolytique (ESR), qui vise à purifier davantage l'acier et les alliages et à améliorer la structure cristalline des lingots sur la base de l'affinage initial, ce qui permet d'obtenir des produits métalliques de haute qualité.

La refonte sous laitier électrolytique convient à la production de pièces forgées de moyenne et grande taille. Le produit après refonte a une faible teneur en phosphore et en soufre, une faible teneur en oxygène et une faible teneur en oxygène. non métallique les inclusions, la structure dense du lingot refondu et la coulée sans retrait, ce qui améliore considérablement la qualité du produit, ainsi que ses propriétés mécaniques, ses performances de traitement et ses possibilités d'utilisation.

(3) Fusion par arc sous vide

La fusion à l'arc sous vide peut créer un potentiel d'oxygène faible et des conditions de fusion à haute température. Elle a donc été utilisée dès le siècle dernier pour la fusion de métaux réfractaires ou oxydables tels que le platine, le tantale et le tungstène.

Avec le développement de l'industrie mécanique, la méthode de refusion à l'arc par électrode consommable sous vide a été appliquée avec succès à la production de titane et de ses alliages, d'alliages de précision, d'alliages à haute température et de métaux réfractaires.

Cette méthode de fusion s'est développée rapidement dans les années 1940 et 1950, avec des capacités de plus en plus importantes. À ce jour, dans les fonderies spécialisées, la fusion à l'arc sous vide reste l'une des principales méthodes de refonte et d'affinage.

(4) Fusion par faisceau d'électrons

La refonte par faisceau d'électrons (EBM) est une méthode de fusion qui utilise un canon à électrons pour émettre des faisceaux d'électrons à grande vitesse comme source de chaleur afin de faire fondre les métaux dans des conditions de vide poussé.

Elle a commencé par la fusion de métaux réfractaires (tantale, niobium, hafnium, tungstène, molybdène, etc.) et s'est étendue à la production de matériaux semi-conducteurs, d'alliages magnétiques à haute performance et de certains aciers spéciaux tels que le fer, le cuivre, le nickel, le zinc et le cuivre. acier pour roulementsL'acier inoxydable résistant à la corrosion et le fer pur à très faible teneur en carbone.

En outre, les fours de refonte à faisceau d'électrons peuvent également être utilisés pour fondre certains alliages résistants à la chaleur, en particulier les alliages contenant du tungstène et du molybdène et dont le composant principal est le niobium ou le tantale.

(5) Fusion par arc plasma

La fusion par plasma est une nouvelle méthode de fusion qui utilise un arc de plasma comme source de chaleur pour fondre, affiner et refondre les métaux.

Les avantages potentiels de l'utilisation d'un arc plasma comme source de chaleur métallurgique sont les suivants : énergie concentrée, température élevée (5000-300 000 K), débit d'ions rapide (100-500 m/s), chauffage et réaction rapides, etc. Le gaz est dans un état ionisé et l'activité de réaction est forte.

Le gaz peut être sélectionné en fonction des besoins, par exemple en utilisant des gaz réducteurs (hydrogène, monoxyde de carbone, alcanes et alcènes, etc.) pour réduire ou affiner directement la charge, et il peut également désoxyder pour rendre les lingots exempts de produits de désoxydation résiduels.

Sous l'action de l'arc plasma à haute température, les impuretés telles que S, P, Pb, Bi, Sn et As se volatilisent facilement. Elles peuvent fondre matériaux métalliques et font également fondre les matériaux non métalliques.

1.2 Principaux produits fabriqués par les fonderies spéciales

La fusion spéciale est une méthode spéciale et efficace pour produire des alliages avancés tels que l'acier spécial, l'alliage à haute température, l'alliage de précision, l'acier fortement allié, les métaux et alliages réfractaires, titane et les alliages de titane, les alliages pour le chauffage électrique, etc.

(1) L'alliage de précision, un type de métal et d'alliage aux propriétés physiques particulières, est principalement utilisé pour fabriquer des matériaux importants tels que des instruments de précision, des commandes, de la télémétrie, des appareils électriques, des accessoires et des dispositifs électroniques dans l'aérospatiale, ainsi que des capteurs et des transducteurs dans les systèmes d'armement, en se basant sur ses propriétés physiques plutôt que sur ses composants structurels.

En Chine, la lettre "J" est utilisée devant un nombre pour indiquer la catégorie de l'alliage ; par exemple, "1J" représente un alliage magnétique doux, "2J" un alliage magnétique permanent, "3J" un alliage élastique, "4J" un alliage de dilatation thermique, "5J" un bimétal thermique et "6J" un alliage de résistance.

(2) L'alliage à haute température (alliage résistant aux températures élevées ou superalliage résistant à la chaleur) est un élément important de l'industrie automobile. matériau métallique pour les turbines à gaz d'aviation, les turbines à gaz de navires et les moteurs de fusées. Il présente une plus grande résistance à la déformation et à la rupture par fluage, ainsi qu'à la corrosion et aux chocs thermiques.

1.3 Indicateurs d'évaluation de la qualité pour la fusion de l'acier et des alliages

(1) Contrôle des composants :

Outre le contrôle de C, Mn, Si, P, S, qui sont généralement contrôlés dans la production d'acier, le contrôle des composants comprend également le contrôle de éléments d'alliage tels que Cr, Ni, Mo, W, Nb, V, Al, Ti, et des oligo-éléments B, Ce, La, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, Sm. La possibilité de contrôler la composition de manière optimale dépend en grande partie du processus de fusion.

(2) La pureté :

La pureté de l'acier et des alliages fait référence à la quantité d'impuretés nocives et à la teneur en gaz, et comprend principalement les aspects suivants.

1. Impuretés non métalliques

Les impuretés non métalliques sont généralement S, P, Ce, Br, I, etc. Les exigences en matière de teneur en S et P varient selon les nuances d'acier.

Par exemple, pour l'acier ordinaire, w(S)≤0,055%, w(P)≤0,045% ; pour l'acier de haute qualité, w(S)≤0,045%, w(P)≤0,040% ; pour l'acier de qualité supérieure, w(S)≤0,045%, w(P)≤0,040%. acier alliéS et P sont tous deux inférieurs à 0,04% ; pour les aciers avancés de haute qualité, w(S)≤0,030%, w(P)≤0,035% ; tandis que pour certains alliages à haute température, w(S)≤0,030%.

Pour Ce, Br, I, etc., certaines normes techniques stipulent qu'ils doivent être inférieurs à 0,0025%.

2. Le gaz

En général, plus la teneur en oxygène, en hydrogène et en l'azote dans l'acier et les alliages, plus ils sont performants.

3. Inclusions non métalliques

L'influence des inclusions non métalliques sur les performances de l'acier et des alliages n'est pas seulement liée à leur quantité, mais aussi à leur type, leur taille, leur morphologie et leur distribution.

Par conséquent, la teneur et la distribution des inclusions non métalliques constituent l'un des indicateurs importants pour évaluer la qualité de l'acier et des alliages, et l'inspection conventionnelle utilise la méthode de comparaison des nuances standard.

4. Impuretés métalliques

Les impuretés métalliques désignent principalement le Pb, le Sn, l'As, le Sb, le Bi et d'autres impuretés à l'état de traces dans l'acier et les alliages. La teneur en impuretés métalliques a un impact significatif sur les performances de l'acier et des alliages.

5. Structure de la fonte

La structure de coulée des lingots d'acier et d'alliage a une influence importante sur la plasticité à chaud des lingots et sur la résistance à l'oxydation. propriétés mécaniques de l'acier.

La structure de coulée de bons produits métallurgiques doit présenter les conditions suivantes : les spécifications répondent aux exigences ; la qualité de la surface est bonne ; le retrait est faible ; le lingot est dense ; la composition et la structure organisationnelle sont uniformes, le degré de ségrégation est faible ; la structure cristalline est bonne.

1.4 Influence du procédé sur la microstructure et les propriétés de l'acier et des alliages

(1) Le contrôle des composants affecte les performances de l'acier et des alliages.

Les fours à arc sous vide contrôlent mieux les éléments facilement oxydables et la refonte sous laitier électrolytique entraîne moins de pertes d'éléments volatils.

(2) La pureté affecte les performances de l'acier et des alliages.

La fusion sous vide a une faible teneur en impuretés métalliques nocives et en oxygène, et la refonte sous laitier électrolytique a une bonne capacité de désulfuration et d'élimination des inclusions d'oxyde.

(3) Le contrôle de la microstructure influe sur les performances de l'acier et des alliages.

Les lingots refondus sous laitier électrolytique présentent un développement de l'axe cristallin en colonnes et une faible ségrégation de la porosité.

2. Fusion dans un four à induction

2.1 Principe de fonctionnement et équipement du four à induction

2.1.1 Principe de fonctionnement du four à induction

Tous les types de fours à induction, qu'ils soient à noyau ou sans noyau, et qu'ils fonctionnent à basse fréquence, à fréquence intermédiaire ou à haute fréquence, ont un circuit de base composé d'une alimentation électrique variable, de condensateurs, d'une bobine d'induction et de matériaux métalliques dans le creuset (figure 2-1).

(1) Principe du chauffage par induction

Le principe du chauffage par induction repose sur les deux lois fondamentales de l'électricité suivantes : premièrement, la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique.

        E=B-L-v-sin∠（v-B） (2-1)

où L est la longueur du fil dans le champ magnétique ;

(v-B) est l'angle entre la direction de l'intensité de l'induction magnétique et la direction de la vitesse.

L'autre loi fondamentale est la loi de Joule-Lenz. Cette loi est également connue sous le nom de principe de l'effet thermique électrique. La loi de Joule-Lenz peut être exprimée sous la forme de l'équation (2-3) :

Q = I ² R t                                    (2-2)

où Q est la chaleur de Joule-Lenz, en J ; I est l'intensité du courant, en A ;

R est la résistance du conducteur, en Ω ; t est le temps pendant lequel le conducteur est sous tension, en s.

Lorsqu'un courant alternatif d'une fréquence f traverse la bobine d'induction d'un four à induction sans noyau, un champ magnétique alternatif est généré dans l'espace entourant la bobine d'induction et son environnement.

La polarité, l'intensité de l'induction magnétique et la fréquence du champ magnétique alternatif varient en fonction du courant alternatif qui génère ce champ magnétique alternatif. Si le creuset est recouvert d'une bobine d'induction et rempli de matériaux métalliques, une partie des lignes du champ magnétique alternatif traversera les matériaux métalliques du four.

L'alternance des lignes de champ magnétique est équivalente au mouvement relatif des lignes de champ magnétique de coupe entre les matériaux métalliques du four et les lignes de champ magnétique.

Par conséquent, une force électromotrice induite (E) sera générée dans les matériaux du four à métaux, et son ampleur peut être déterminée par l'équation suivante :

E = 4,44 Ф- f - n (2-3)

où Ф est le flux magnétique du champ magnétique alternatif dans la bobine d'induction, en Wb ;

f est la fréquence du courant alternatif, en Hz ;

n est le nombre de tours de la boucle formée par les matériaux du four, généralement n=1 ;

L'équation ci-dessus montre que pour générer une tension induite plus importante dans les matériaux du four, on peut théoriquement augmenter le flux magnétique, la fréquence et le nombre de tours.

Toutefois, étant donné que les lignes de champ magnétique générées après la mise sous tension de la bobine d'induction sont forcées de passer à travers l'air (dans le cas d'un four à induction sans noyau), et que l'air présente une réluctance magnétique élevée, le flux magnétique est relativement faible, ce qui rend difficile l'augmentation du flux magnétique, et le nombre de tours des matériaux du four est généralement égal à l.

Par conséquent, pour augmenter la tension induite, il est préférable d'utiliser la méthode d'augmentation de la fréquence.

Comme les matériaux du four à métaux forment eux-mêmes une boucle fermée, le courant induit (I) généré dans les matériaux du four à métaux est.. :

où R est la résistance effective du matériau du four métallique, en Ω ;

La vitesse de chauffage du matériau du four dépend du courant induit, de la résistance effective du matériau du four et du temps de mise sous tension. Le courant induit dépend de l'ampleur de la force électromotrice induite, c'est-à-dire de l'ampleur du flux magnétique qui traverse le matériau du four et de la fréquence du courant alternatif qui le traverse. L'ampleur du courant induit dépend de la taille du bloc de matériau du four.

(2) Agitation électromagnétique

Lorsqu'un courant induit traverse le matériau du four, il est inévitablement soumis à des forces électromagnétiques, ce qui provoque un mouvement directionnel du matériau métallique du four, c'est-à-dire l'effet de "brassage électromagnétique". Ses avantages sont les suivants :

1) température uniforme du liquide métallique.

2) Homogénéisation du liquide métallique.

3) Améliorer les conditions cinétiques des réactions physiques et chimiques.

2.1.2 Équipement du four à induction

Les fours à induction peuvent être divisés en deux types : les fours à induction sans noyau et les fours à induction avec noyau, ces derniers étant rarement utilisés dans la fabrication de l'acier et n'étant pas abordés ici. En ce qui concerne les fours à induction sans noyau, ils peuvent généralement être classés en trois types en fonction de la fréquence d'alimentation : le four à fréquence linéaire (avec une fréquence de 50 ou 60 Hz) qui est directement connecté au réseau électrique par l'intermédiaire d'un transformateur et qui est principalement utilisé pour la fusion de la fonte ; le four à haute fréquence (avec une gamme de fréquences de 10 kHz à 300 kHz) qui utilise un oscillateur à tube électronique à haute fréquence et qui est principalement utilisé pour les petites recherches en laboratoire ; et le four à moyenne fréquence (avec une gamme de fréquences de 150 Hz à 10000 Hz) qui utilise un groupe électrogène à moyenne fréquence, un tripleur ou une statique à thyristor. convertisseur de fréquence.

L'ensemble des équipements des fours à induction à moyenne fréquence comprend : la partie alimentation et commande électrique, le corps du four, le dispositif de transmission et le système de refroidissement par eau.

2.2 Caractéristiques de la fusion en four à induction

(1) Chauffage par induction électromagnétique. La méthode de chauffage étant différente, les fours à induction ne nécessitent pas les électrodes en graphite nécessaires au chauffage à l'arc électrique, ni les zones de surchauffe localisées sous l'arc, ce qui élimine le risque d'augmentation du carbone dans les électrodes. Les fours à induction peuvent fondre de l'acier à faible teneur en carbone et des alliages difficiles à fondre dans les fours à arc électrique, ce qui crée des conditions favorables à la fabrication de produits à faible teneur en gaz.

(2) Il existe un certain niveau d'agitation électromagnétique dans le bain de fusion. Le brassage du métal provoqué par l'induction électromagnétique favorise l'uniformité de la composition et de la température, la coalescence, la croissance et la flottation des inclusions dans l'acier. La perte d'éléments d'alliage au cours du processus de fusion dans le four à induction est relativement faible, de sorte que la composition prévue est plus précise, ce qui favorise le contrôle des composants et raccourcit le temps de fusion.

(3) Le rapport de la surface du bassin de fusion est faible. Ceci est avantageux pour réduire la perte d'éléments facilement oxydables dans le métal en fusion et pour réduire l'absorption de gaz. Par conséquent, les fours à induction ont créé des conditions relativement favorables pour la fusion d'aciers et d'alliages fortement alliés, en particulier ceux contenant du titane, de l'aluminium ou du bore. Cependant, ils sont susceptibles de former une mauvaise fluidité, une faible force de réaction, ce qui ne favorise pas la réaction métallurgique à l'interface du laitier et de l'acier. C'est pourquoi les exigences en matière de matières premières pour la fusion dans les fours à induction sont relativement strictes.

(4) Réglage pratique de la puissance d'entrée. Pendant le processus de fusion dans le four à induction, la puissance d'entrée peut être réglée de manière pratique. Par conséquent, la température de fusion du bain de fusion peut être contrôlée avec plus de précision, le four peut être isolé et l'acier peut être produit plusieurs fois, créant ainsi les conditions nécessaires à la fusion de produits de compositions différentes en un seul lot.

(5) La même source d'énergie peut alimenter plusieurs fours de capacités différentes (mais pas en même temps), de sorte que la flexibilité des fours à induction est supérieure à celle des fours à arc électrique en termes de capacité de fusion.

(6) Rendement thermique élevé. La méthode de chauffage des fours à induction et la petite surface entraînent une moindre dissipation de la chaleur, de sorte que le rendement thermique des fours à induction est supérieur à celui des fours à arc électrique. Toutefois, le rendement électrique des fours à induction est inférieur à celui des fours à arc électrique, de sorte que le rendement total des deux types de fours électriques est similaire.

(7) Moins de fumée et une faible pollution de l'environnement. Lors de la fusion dans les fours à induction, il n'y a pratiquement pas de flamme ni de produits de combustion.

(8) Consomme plus de matériaux réfractaires que les fours à arc électrique et a une durée de vie plus courte du creuset. Les besoins en matériaux réfractaires dans le creuset sont élevés, de sorte que le coût des matériaux réfractaires par tonne d'acier est également plus élevé que celui des fours à arc électrique.

2.3 Principes de fusion dans les fours à induction

2.3.1 Oxydation et désoxydation des éléments

L'oxygène existe sous deux formes dans l'acier fondu. L'un est l'oxygène dissous, représenté par [O], et sa solubilité augmente avec la température. L'autre est l'oxygène qui existe sous forme d'inclusion dans l'acier fondu. Lorsque des éléments désoxydants sont présents dans l'acier en fusion, l'oxygène dissous dans l'acier en fusion se combine avec eux pour former des inclusions d'oxyde. Les sources d'oxygène dans l'acier en fusion comprennent principalement l'invasion de l'oxygène de l'atmosphère pendant la fusion et le moulage, l'oxygène apporté avec les matières premières et l'oxygène provenant des matériaux réfractaires.

(1) Capacité de désoxydation des éléments

Le degré de difficulté d'oxydation de divers éléments est appelé l'état d'oxydation, également connu sous le nom de capacité de désoxydation. Il s'agit de la teneur en oxygène résiduel dissous dans l'acier en équilibre avec une certaine concentration d'éléments désoxydants à une certaine température et pression. Plus la teneur en oxygène est faible, plus la capacité de désoxydation de cet élément est forte. La formule générale de la réaction de désoxydation d'un élément est la suivante :

x[M]+y[O]=M_xO_y                       （2-5）

Si les oxydes métalliques sont considérés comme des substances pures non solubles dans l'acier en fusion et que la teneur en éléments métalliques et que l'oxygène est faible dans l'acier en fusion, nous avons.. :

Dans la formule, a_MxOy représente l'activité de l'oxyde obtenu par désoxydation de l'élément, a_[M] représente l'activité de l'élément désoxydant dans l'acier, et a_[O] représente l'activité de l'oxygène dans l'acier. Lorsque le produit de désoxydation est un oxyde pur ou à l'état saturé, un_MxOy est égal à 1. Lorsque fM=1, f0=1, ou fMx.f0y=constante, alors,

Soit KM = 1/K. Alors, KM = [%M]x.[%O]y (2-8).

L'ampleur du KM peut être utilisée pour déterminer la capacité de désoxydation d'un élément. Plus la valeur de KM est faible, plus la capacité de désoxydation de l'élément est forte. La figure 2-7 et le tableau 2-8 fournissent une comparaison des capacités de désoxydation des éléments dans le fer et le nickel fondus à une température de 1600℃. En général, dans le fer fondu à 1600℃, l'ordre de la capacité de désoxydation, de la plus forte à la plus faible, est le suivant : Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe.

(2) Effets de désoxydation et facteurs d'influence des éléments

1. Affinité des éléments avec l'oxygène : Plus l'affinité d'un élément avec l'oxygène est forte, plus sa capacité de désoxydation est grande, ce qui est plus avantageux pour améliorer l'effet de désoxydation.

2. Propriétés physiques des éléments désoxydants : Il s'agit notamment du point de fusion, de la densité, du point d'ébullition (pression de vapeur) et de la solubilité dans l'acier liquide.

3. Caractéristiques physiques des produits de désoxydation : Le point de fusion, la densité, la tension interfaciale de l'acier liquide, la capacité à former des oxydes composites liquides à bas point de fusion avec des oxydes à point de fusion élevé, ainsi que la solubilité dans l'acier liquide, ont tous un impact significatif sur l'effet de désoxydation.

(3) Caractéristiques des éléments désoxydants et des désoxydants composites :

1. Désoxydation de l'aluminium et désoxydation simultanée avec l'aluminium, le manganèse ou le silicium et le manganèse : L'aluminium est un puissant désoxydant ayant une grande affinité avec l'oxygène, mais sa capacité de désoxydation est inférieure à celle du calcium, du magnésium, du baryum et des terres rares, et supérieure à celle du silicium, du manganèse, du titane et d'autres éléments.

2. Caractéristiques du calcium et des alliages de calcium pour la désoxydation : Le calcium est un désoxydant très puissant et également un élément de désulfuration très efficace. Cependant, en raison de son point d'ébullition bas (1484℃), il existe à l'état de vapeur dans le fer fondu, ce qui réduit son efficacité. En outre, la solubilité du calcium dans le fer fondu est très faible, ce qui affecte ses effets de désoxydation et de désulfuration, réduisant ainsi son efficacité d'utilisation.

2.3.2 Désoxydation par diffusion et désoxydation par précipitation

(1) Diffusion Désoxydation

Principe de la désoxydation par diffusion : Selon la loi de distribution de l'énergie, lors de la désoxydation par diffusion, l'oxygène peut se dissoudre simultanément dans le laitier et le liquide sidérurgique. À une certaine température, la relation d'équilibre suivante existe :

(FeO) = Fe(l) + [O] (2-9)

À ce moment, le rapport de la concentration d'oxygène entre le laitier et le liquide d'acier doit être constant, c'est-à-dire

Facteurs affectant la désoxydation par diffusion :

a) L'effet de la température sur l'efficacité de la désoxydation par diffusion. L'impact de la température sur la teneur maximale en oxygène saturé dans le fer fondu est double, et la relation est exprimée par la formule suivante : Log [%O]saturé = -6320/T + 2,734 (2-11).

b) L'influence des conditions de contact avec le laitier d'acier.

c) L'influence de la composition du laitier.

(2) Désoxydation par précipitation :

Principe de la désoxydation par précipitation : La désoxydation par précipitation consiste à ajouter à l'acier en fusion des éléments ayant une affinité pour l'oxygène supérieure à celle du fer, dans le but de réagir avec l'oxygène dissous pour former un oxyde insoluble dans l'acier en fusion. L'oxyde est ensuite retiré de l'acier en fusion par flottabilité, réduisant ainsi la teneur en oxygène de l'acier en fusion.

Types et domaines d'application des désoxydants par précipitation : Les désoxydants par précipitation couramment utilisés comprennent principalement les désoxydants à base de métal pur, les désoxydants à base de nickel, les désoxydants à base d'aluminium, les désoxydants à base de silicium-manganèse et les désoxydants à base de silicium-calcium. En utilisant des désoxydants composites contenant des éléments désoxydants puissants tels que le calcium, le baryum et le magnésium pour réduire la teneur totale en oxygène, il est possible d'obtenir un acier liquide avec une teneur totale en oxygène ≤0,003%. Seule l'utilisation combinée de différents désoxydants permet d'obtenir un acier très pur.

2.3.3 Désulfuration des alliages

La désulfuration des alliages consiste essentiellement à convertir le soufre dissous dans le fer en fusion en un composé à point de fusion élevé (tel que CaS, MgS, CeS) ou en un oxyde de sulfure. La solubilité de ces sulfures dans le fer en fusion est beaucoup plus faible que celle du sulfure de fer, ce qui garantit l'élimination ou la dispersion du soufre dans l'acier. Les principales méthodes de désulfuration sont l'utilisation d'agents d'affinage ou la réaction du laitier.

(1) Désulfuration des agents de raffinage

Le principe de base de la désulfuration des agents d'affinage consiste à utiliser des substances ayant une grande affinité avec le soufre pour former des sulfures. Ces sulfures sont insolubles ou très peu solubles dans le fer fondu et ont une densité inférieure à celle de l'alliage liquide. L'affinité relative de divers éléments pour le soufre peut être mesurée par le changement d'énergie libre standard de chaque élément réagissant avec une mole de soufre. À la même température, plus la valeur de l'énergie libre standard est faible, plus l'affinité entre l'élément et le soufre est grande. L'affinité relative des différents éléments avec le soufre diminue dans l'ordre suivant : La, Ca, Ba, Mg, Mn, Fe.

(2) Désulfuration par réaction du laitier

La désulfuration par réaction du laitier ne peut être effectuée que dans un four à induction alcalin. Le processus de désulfuration peut être divisé en trois étapes :

1. Les ions de soufre présents dans le métal liquide diffusent vers l'interface du laitier, et les ions d'oxygène présents dans le laitier diffusent vers l'interface laitier-acier ;

2. La réaction suivante se produit à l'interface du laitier : [S] + (O2-) = (S2-) + [O] (2-12)

3. Les atomes de soufre générés se diffusent dans le laitier et les atomes d'oxygène générés se diffusent dans l'acier. Empiriquement, la vitesse de la réaction de désulfuration est déterminée par la diffusion des ions de soufre dans le laitier. La constante d'équilibre K indiquée dans l'équation 2-12 est une constante qui varie avec la température. La capacité de désulfuration du laitier est généralement exprimée par le coefficient de distribution Ls, qui est le suivant

N_O^2- représente l'alcalinité du laitier, et une alcalinité plus élevée est plus favorable à la désulfuration. Toutefois, lorsque l'alcalinité est trop élevée, le taux de désulfuration peut être limité en raison de l'augmentation du point de fusion et de la viscosité du laitier, ce qui n'est pas propice à la désulfuration. Lorsque la teneur en oxygène du métal en fusion est faible, la teneur en oxyde de fer du laitier est également faible, ce qui est favorable à la désulfuration. Des expériences ont montré qu'il existe une relation entre la teneur en soufre et en oxygène à l'équilibre dans le fer fondu pur à 1600℃ : [S]/[O] = 4. L'augmentation de la température est favorable à la désulfuration, non seulement parce qu'elle augmente Ls mais aussi parce qu'elle peut améliorer la fluidité du laitier d'acier.

2.3.4 Élimination des inclusions non métalliques

La présence d'un grand nombre d'espèces non métalliques inclusions dans l'acier peuvent détruire la continuité de la matrice de l'acier, affaiblir les forces interatomiques, favoriser la concentration des contraintes et conduire à la formation de fissures. Ils dégradent gravement les propriétés mécaniques de l'acier, réduisant notamment sa plasticité, sa résistance aux chocs, ses performances en fatigue et même certaines propriétés physiques lors du traitement à froid et à chaud des alliages. Cet effet n'est pas seulement lié à leur teneur, mais aussi à leur forme et à leur taille.

L'hydrogène et l'azote résiduels dans les alliages, en plus de former des hydrures et des nitrures, sont également susceptibles de provoquer des phénomènes tels que des taches blanches, fragilisation par l'hydrogèneet le vieillissement. Le [H] et le [N] précipités sous forme de gaz peuvent former des pores dans le matériau. lingot d'acieret peuvent facilement causer des défauts tels que des bulles sous-cutanées pendant le laminage de la bande. Les fours à induction atmosphériques utilisent des méthodes flottantes pour éliminer les inclusions. Lorsque la densité des inclusions non métalliques est inférieure à celle du métal en fusion, les inclusions flottent à l'interface du métal en fusion et du laitier sous l'effet de la flottabilité et sont absorbées par le laitier.

La vitesse ascendante des inclusions peut être calculée à l'aide de la loi de Stokes.

2.4 Matières premières pour la fusion des fours à induction

Exigences relatives aux matières premières : La composition chimique des matières premières doit être exacte ; les matériaux métalliques doivent être propres, secs, exempts d'huile et de rouille ; la taille des blocs est appropriée ; tous les matériaux doivent être stockés dans un environnement sec.

Types de matières premières : Matières sidérurgiques : fonte brute, fer pur industriel, ferraille d'acier, matières de retour. Matériaux d'alliage : W, Mo, Nb et leurs alliages de fer ; Ni Cr, Co et leurs alliages ; Si, Mn et leurs alliages ; V, B et leurs alliages ; Al, Ti et leurs alliages ; métaux des terres rares et leurs alliages ; additifs spéciaux. Matériaux de fabrication des scories : chaux, fluorine, fragments de briques d'argile.

Calcul des ingrédients :

En fonction de la composition de la charge et de la composition cible du produit fondu, calculez le poids de chaque type de matière première à ajouter au four.

Étant donné que le four à induction se concentre principalement sur les processus de fusion et de chauffage, les exigences en matière de calcul des ingrédients sont plus précises. Des méthodes de calcul précises sont nécessaires pour calculer le taux de récupération des éléments d'alliage.

2.5 Creusets de four à induction (leçon 4)

2.5.1 Classification et exigences de qualité des creusets de four à induction

(1) Classification des creusets :

Les creusets des fours à induction peuvent être classés en trois types en fonction de leurs matériaux : alcalins, acides et neutres. Le liant le plus utilisé est l'acide borique.

Le rôle de l'acide borique dans la production de creusets acides (sable siliceux) ou alcalins (magnésie) est le suivant :

a. Abaisser la température de frittage.

b. Favoriser la formation de spinelles.

c. Réduire le taux de changement de volume du creuset.

Les creusets peuvent également être classés en fonction de leur méthode de fabrication : creusets préfabriqués, creusets formés sur place et creusets revêtus de briques réfractaires.

(2) Exigences de qualité pour les creusets

Les principales exigences en matière de matériaux réfractaires pour les creusets sont les suivantes :

Grande réfractarité et résistance structurelle à haute température.

Bonne résistance au réchauffement/refroidissement rapide.

Bonne résistance à la corrosion du laitier.

Conductivité thermique aussi faible que possible.

Bonne performance d'isolation.

Absence de pollution, innocuité, faible volatilité, forte résistance à l'hydratation et faible coût.

2.5.2 Préparation des creusets

(1) Rapport de taille des particules :

Un rapport raisonnable entre les tailles de particules permet d'obtenir la meilleure densité volumique afin de garantir que le creuset présente un taux de porosité minimal, généralement de l'ordre de 20%. Les granulométries grossière, moyenne et fine du sable dépendent de la capacité du four.

Le rapport granulométrique des creusets en magnésie de même capacité

(2) Méthodes de formage

Il existe deux méthodes principales pour former un creuset de four à induction : le formage externe et le formage interne. En fonction de la différence de liants, la méthode de formage interne peut être divisée en deux catégories : le formage humide et le formage sec.

(3) Fabrication de creusets

Pour les creusets formés à l'extérieur, la fabrication fait référence à la façon dont le creuset est installé dans la bobine d'induction et à la façon dont la bouche du four est réparée. Nous présentons ici le processus de fabrication des creusets formés à l'intérieur. Le travail de préparation avant la production comprend la préparation et le mélange du sable, le nettoyage et l'inspection de la bobine d'induction, la préparation du moule du creuset et la préparation des outils et de l'équipement de formage.

Avant la fabrication de chaque creuset, la bobine d'induction est vérifiée pour s'assurer qu'il n'y a pas de fuites, d'infiltrations d'eau, de dommages à l'isolation et que les fixations entre la bobine d'induction et les spires sont fiables et solides.

Le moule se réfère principalement au noyau du creuset, qui est utilisé pour contrôler la forme et le volume à l'intérieur du creuset. Le noyau du creuset du four à induction est soit soudé avec des plaques d'acier, soit en graphite.

Noyau de graphite Machine de moulage par vibration

(4) Frittage en creuset

Objectif : améliorer la compacité, la résistance et la stabilité du volume du creuset.

Processus : La surface de contact du matériau de sable est chauffée à haute température pour former un réseau de frittage continu par le biais d'une liaison en phase liquide, qui relie l'ensemble du matériau de sable en un tout.

Méthodes de frittage : frittage à haute température et frittage à basse température.

A. Frittage à haute température de creusets en magnésie (divisé en quatre étapes)

Étape 1 : Température de frittage à 850℃, principalement pour la réaction de déshydratation du matériau de sable et la décomposition du carbonate.

Étape 2 : Température de frittage entre 850-1500℃, les composés à bas point de fusion commencent à fondre, le réseau de frittage commence à se former, et le volume du creuset se rétrécit considérablement. La vitesse de chauffage peut être augmentée de manière appropriée au cours de cette étape.

Étape 3 : Température de frittage entre 1500-1700℃, l'olivine de magnésium et le spinelle de magnésium-aluminium commencent à fondre, de nouveaux composés commencent à se former, le réseau de frittage se forme, et le volume du creuset se rétrécit fortement, avec une densité et une résistance significativement accrues. La vitesse de chauffage doit être réduite au cours de cette phase.

Étape 4 : Température de frittage entre 1700-1850℃, principalement pour promouvoir la croissance continue de la forstérite, et obtenir l'épaisseur idéale de la couche de frittage et la structure de frittage de la section transversale du creuset.

B. Frittage à basse température de creusets en magnésie (divisé en trois étapes)

Étape 1 : Température de 850℃, principalement pour la réaction de déshydratation et la décomposition du carbonate, avec une vitesse de chauffage lente.

Étape 2 : Température entre 850℃-1400℃, réseau de frittage des composés à bas point de fusion contenant B2O3 se forme rapidement, et la résistance du creuset augmente.

Étape 3 : Température entre 850℃-1400℃, pour continuer à augmenter l'épaisseur de la couche de frittage du creuset fritté au préalable et atteindre la structure de frittage idéale.

2.6 Processus de fusion par four à induction

2.6.1 Processus de fusion

La ferraille d'acier utilisée pour la fusion contient généralement une certaine quantité d'humidité et d'huile. Il n'est pas sûr d'ajouter directement ces matériaux dans le four, en particulier dans le cas d'un bassin de fusion déjà formé, car cela entraîne souvent des éclaboussures. En même temps, c'est aussi l'une des principales sources d'oxygène dans le produit.

C'est pourquoi certaines usines mettent en place des systèmes de préchauffage ou de séchage de la ferraille, en utilisant des méthodes de chauffage pour éliminer l'humidité et la contamination par l'huile attachées à la ferraille, afin de garantir une utilisation sûre et d'empêcher l'introduction d'hydrogène. En outre, l'ajout de ferraille préchauffée peut raccourcir le temps de fusion et réduire la consommation d'énergie.

(1) Chargement

Besoins en matières premières :

a. La composition chimique du matériau chargé doit être exacte ;

b. Le matériau métallique doit être propre, sec, exempt d'huile et peu rouillé ;

c. Taille appropriée des blocs de matériaux ;

d. Stockage à sec.

Exigences en matière de charge :

La couche inférieure du matériau du four doit être compacte et la couche supérieure doit être lâche pour éviter que la couche supérieure du matériau du four ne se chevauche pendant le processus de fusion ;

Avant d'enfourner des matériaux de grande taille, il faut d'abord déposer une couche de matériaux petits et légers sur le fond du four；.

Certains alliages ou matériaux en acier dont le point de fusion est plus bas que d'autres doivent être chargés en premier au fond du four；.

Les matériaux ayant un point de fusion élevé et ne s'oxydant pas facilement doivent être chargés dans la partie supérieure des matériaux en couches, c'est-à-dire dans la zone à haute température；.

La zone de basse température située au sommet du creuset doit être principalement chargée de matériaux en acier；.

Les matériaux doivent être peu chargés afin d'éviter les ponts.

(2) Fusion

La fusion du matériau du four est directement liée au changement de la teneur en gaz dans le métal liquide et à la récupération des éléments d'alliage, tout en affectant également les indicateurs techniques tels que le temps de fusion, la durée de vie du creuset et la consommation d'énergie. La période de fusion est une étape importante dans la fusion par four à induction, avec les tâches principales suivantes :

Faire fondre rapidement le matériau du four, le désulfurer, réduire la perte d'éléments d'alliage et ajouter rapidement du laitier pour empêcher le métal fondu d'absorber du gaz.

(3) Raffinage

La période d'affinage est un maillon important de la fusion en four à induction. Elle permet d'effectuer des tâches telles que la désoxydation, l'alliage et l'ajustement de la composition et de la température de l'acier liquide par l'affinage.

Ajuster la composition du laitier pour réduire la teneur en éléments d'alliage dans le laitier.

Désoxydation et alliage de l'acier liquide.

(4) Taraudage et moulage

Lorsque l'acier ou l'alliage fondu répond aux exigences du taraudage, il peut être taraudé. Pour les fours de petite capacité, il peut être directement coulé. Pour les fours de plus grande capacité, il peut d'abord être versé dans une poche de coulée, puis coulé. Selon les exigences du produit, il peut être coulé en lingots, en pièces coulées ou en électrodes consommables. Les processus de taraudage exige également de sélectionner la méthode de coulée en fonction de la qualité et du déroulement du processus du produit, par exemple pour savoir s'il faut utiliser la coulée sous vide ou non, et s'il faut utiliser la coulée par le haut ou la coulée par le bas.

En général, les alliages pour le chauffage électrique et les alliages à haute température ont besoin d'être affinés et sont donc généralement coulés en électrodes consommables, tandis que les alliages de précision sont généralement coulés sous vide. La coulée sous vide permet d'éviter l'oxydation secondaire et la réabsorption du liquide d'acier pendant le processus de coulée. processus de couléeIl peut éliminer efficacement l'hydrogène et une partie de l'azote, ce qui permet d'obtenir un acier contenant moins d'impuretés et d'une plus grande pureté.

2.7 Contrôle de la composition dans la fusion en four à induction (leçon 5)

La composition chimique a un impact significatif sur la qualité et les performances de l'acier. Pour certains produits, la composition chimique a un impact important sur la qualité et la performance de l'acier. types d'acierLa composition chimique doit être contrôlée dans une fourchette plus stricte, en plus des spécifications techniques, afin de répondre aux exigences plus élevées en matière de qualité et de performance. Le contrôle de la composition chimique s'effectue tout au long du processus de fabrication de l'acier dans les fours et est étroitement lié à la perte d'éléments d'alliage, aux propriétés physicochimiques, à l'état physicochimique du laitier, à la température de l'acier liquide, à la méthode de fusion, etc.

(1) Principaux facteurs influençant le taux de récupération des éléments d'alliage

Propriétés physico-chimiques des éléments d'alliage eux-mêmes.

Temps de fusion. Plus le temps de fusion est long, plus la perte de C et de Si est importante, et plus la perte d'éléments d'alliage est élevée lorsque des éléments actifs sont ajoutés et que le temps de taraudage est plus long.

Température de fusion. Avec l'augmentation de la température, l'énergie libre des éléments d'alliage dans l'acier diminue, ce qui favorise la dissolution des éléments d'alliage. Toutefois, une température trop élevée aggravera la perte d'éléments d'alliage.

Système de scories. L'état physico-chimique du laitier a un impact significatif sur le taux de récupération des éléments d'alliage. La viscosité et l'alcalinité du laitier ont une grande influence. Plus la teneur en FeO et SiO2 du laitier est élevée, plus la perte d'éléments est importante.

Perte volatile des éléments. Il convient de prêter attention à la perte volatile causée par les oxydes de W, Mo et Mn.

Teneur en [O], [N] et [S] dans le liquide de l'acier. Plus la teneur en [O], [N] et [S] est élevée dans l'acier, plus la perte d'éléments est importante. L'acier liquide doit être entièrement désoxydé, désulfuré et dénitrifié avant d'ajouter des éléments d'alliage.

Moment, taille des blocs et méthode d'ajout d'éléments d'alliage. Plus les éléments actifs sont ajoutés tôt, plus la perte est importante. Le taux de récupération des éléments d'alliage est plus élevé lors de l'ajout d'éléments d'alliage en forme de bloc que lors de l'ajout d'éléments en poudre. Il existe également une légère différence dans le taux de récupération entre l'ajout dans le four et l'ajout dans la poche de coulée.

(2) Méthodes permettant d'améliorer le taux de récupération des éléments d'alliage

1. Méthode de contrôle des éléments à faible perte : Les éléments d'alliage dont le taux de perte est inférieur à 5% dans des conditions de fusion normales sont appelés éléments à faible perte, notamment Ni, Co, Mo, W, Cu, etc. Les éléments à faible perte peuvent généralement être ajoutés avec la charge du four, et le cuivre électrolytique doit être ajouté à la fin de la fusion en raison de son faible point de fusion. La perte de Mo et de W au cours de la fusion est principalement due à la perte volatile de leurs oxydes.

En outre, les alliages contenant du tungstène ne peuvent pas être fondus dans un nouveau creuset, car cela entraînerait une perte de tungstène et une composition chimique non conforme en raison de l'absorption de tungstène par le creuset. Les matériaux contenant du tungstène peuvent également provoquer un "phénomène de fond", où une grande quantité de matériaux contenant du tungstène se dépose au fond du creuset et ne peut pas fondre pendant une longue période. Pour réduire la perte de W et de Mo, il convient d'assurer une fusion et un brassage suffisants pendant la fusion.

2. Méthode de contrôle des éléments à pertes moyennes : Les éléments à perte moyenne sont des éléments dont le taux de perte est compris entre 5% et 20%, notamment Cr, V, Si, Mn, Nb, etc. et leur ajout dépend de la situation dans le four. En général, le Nb est ajouté à la fin de l'affinage et suffisamment agité. Lors de la fusion d'acier contenant du Cr, il convient de veiller à ce que le chrome ne s'oxyde pas dans le laitier. Si la teneur en chrome n'est pas élevée, il est préférable de l'ajouter après une désoxydation complète. Lors de l'ajout de Mn pour éliminer l'effet de fragilisation thermique du FeS, Mn/S>8 doit être contrôlé.

3. Méthode de contrôle des éléments à forte perte : Les éléments d'alliage tels que Ti, Al, Re, Zr, etc. ont un taux de perte supérieur à 20% dans des conditions de fusion normales et sont des éléments à forte perte. En général, ils doivent être ajoutés après la désoxydation finale. La méthode d'ajout dépend du système de désoxydation.

En outre, la méthode et le moment de l'ajout des éléments d'alliage doivent être examinés de manière approfondie afin de contrôler le taux de récupération des éléments d'alliage. Par exemple, lors de la fusion d'alliages à haute température, il est nécessaire d'ajouter du Ti. Si le titane est ajouté sous forme d'éponge de titane, même s'il est ajouté après la désoxydation finale, le taux de récupération ne sera que d'environ 70%. Toutefois, si le titane est transformé en alliage intermédiaire Ni-Ti et ajouté, le taux de récupération peut atteindre plus de 95%.

3. Fusion par induction sous vide (VIM)

3.1 Vue d'ensemble

La fusion par induction sous vide (VIM) est une méthode de fusion de matériaux dans des conditions de vide en utilisant l'induction électromagnétique pour générer des courants de Foucault afin de chauffer les conducteurs métalliques. La nouvelle technologie de dégazage et de coulée par induction sous vide (VIDP) présente les avantages suivants : faible volume de fusion, temps de pompage sous vide et cycle de fusion courts, contrôle aisé de la température et de la pression, récupération aisée des éléments volatils, contrôle précis de la composition, etc. Depuis son apparition en 1988, elle est considérée comme un objet de sélection clé pour les fours à induction sous vide à grande échelle dans les pays développés.

3.1.1 Équipement du four à induction sous vide

Le four à induction sous vide est un équipement utilisé pour produire des superalliages. Selon le mode de fonctionnement, il peut être divisé en fours de type discontinu et en fours à fonctionnement semi-continu. Le four à induction sous vide peut être utilisé pour raffiner les superalliages et pour couler des alliages spéciaux. L'équipement de soutien du four à induction sous vide peut être divisé en quatre parties : alimentation électrique et commande électrique, corps du four, système de vide et système de refroidissement par eau, comme le montrent les figures 3-1 et 3-2.

3.1.2 Alimentation électrique du four à induction sous vide

L'alimentation électrique du four à induction sous vide répond aux exigences suivantes :

(1) Le potentiel terminal de l'inducteur doit être faible. La tension de fonctionnement utilisée par le four à induction sous vide est inférieure à celle du four à induction à moyenne fréquence, généralement inférieure à 750 V, afin d'éviter les décharges de gaz sous vide causées par une tension trop élevée et d'endommager l'isolation, ce qui provoquerait des accidents.

(2) Empêcher les harmoniques d'ordre élevé de pénétrer dans le circuit de charge. Lors de l'utilisation d'un circuit de conversion de fréquence à thyristor, des harmoniques d'ordre élevé pénètrent souvent dans le circuit de charge, provoquant l'augmentation de la tension de l'inducteur vers la coquille du four et causant une décharge. Il est donc nécessaire d'ajouter un transformateur d'isolation à moyenne fréquence à la sortie de l'alimentation électrique afin d'intercepter l'entrée des harmoniques d'ordre élevé.

(3) Le courant du circuit d'oscillation doit être important ;

1 - Chambre de fusion par induction sous vide ; 2 - soupape d'ébauche ; 3 - soupape de vide poussé ; 4 - pompe mécanique ; 5 - pompe de diffusion ; 6 - soupape

3.1.3 Structure du corps du four à induction sous vide

La structure conventionnelle du four à induction sous vide peut être divisée en un four vertical à une chambre et un four horizontal à deux chambres en fonction de la forme d'ouverture et de fermeture du corps du four. Le corps du four à induction sous vide se compose principalement d'une coquille de four, d'un inducteur, d'un creuset, d'un mécanisme de basculement, d'un système de coulée, d'un système de refroidissement de l'eau et d'un dispositif d'alimentation électrique. La structure du corps du four comprend deux types : le type de coulée rotative du creuset et le type de coulée basculante du corps du four.

Le corps du four à induction sous vide est équipé d'accessoires tels que des dispositifs d'alimentation, d'agitation, de mesure de la température et d'échantillonnage. La principale caractéristique du four à induction sous vide est que les processus de fusion et de coulée sont effectués à l'intérieur de la coquille du four. La coquille du four est divisée en une coquille fixe et une coquille mobile. La coquille du four doit résister à la forte pression formée par le vide interne et avoir une résistance structurelle suffisante.

La coquille des petits fours à induction sous vide adopte une structure à double couche, avec un revêtement en acier inoxydable non magnétique. tôle d'acier pour la couche interne et une plaque d'acier ordinaire soudée à la couche externe, l'eau de refroidissement circulant entre les deux. Les grands fours à induction sous vide utilisent une structure à double couche dans certaines parties, avec une plaque d'acier à simple couche refroidie par des tuyaux d'eau à l'extérieur. La surface de contact entre la partie mobile et la partie fixe de la coquille du four doit être scellée par des pièces en caoutchouc sous vide. Le principe du système de vide est illustré à la figure 3-3.

3.1.4 Caractéristiques de la fusion dans un four à induction sous vide

(1) Faible teneur en gaz et grande pureté du produit ;

(2) Contrôle précis de la composition du produit ;

(3) Forte adaptabilité aux matières premières ;

(4) Il peut être coulé en lingots sous vide, ainsi qu'en pièces de forme complexe.

Toutefois, la fusion dans un four à induction sous vide pose également certains problèmes. Pendant le processus de fusion, le métal en fusion est en contact avec le matériau réfractaire du creuset pendant une longue période, ce qui entraîne inévitablement une contamination du métal par le matériau réfractaire. Deuxièmement, les conditions de solidification du métal fondu et la méthode de coulée générale ne sont pas différentes, de sorte que des défauts tels que le relâchement et la ségrégation subsistent.

Tableau 3-1 Teneur en gaz de l'acier SAE4340 produit par différentes méthodes de fusion

Tableau 3-2 Teneur en gaz de l'acier SAE4340 produit par différentes méthodes de fusion

3.2 Bases théoriques de la fusion sous vide

(1) Désoxydation du carbone sous vide

La capacité de désoxydation du carbone sous vide augmente significativement avec l'augmentation du degré de vide. À 1600℃, lorsque le degré de vide est de 10-3 atm, la capacité de désoxydation du carbone a dépassé celle de l'aluminium ; lorsque le degré de vide du système est de 10-5 atm, la capacité de désoxydation du carbone est 105 fois supérieure à celle des conditions atmosphériques. La désoxydation du carbone est principalement utilisée sous vide.

(2) Dissolution des gaz dans l'acier et ses facteurs d'influence

La solubilité des molécules de gaz diatomiques dans le métal en fusion est proportionnelle à la racine carrée de la pression du gaz dans l'atmosphère. Par conséquent, plus le degré de vide est élevé, plus la solubilité du gaz dans le métal est faible.

A 1600℃ et PH2=100Kpa, l'effet des éléments d'alliage sur la solubilité de l'azote dans le fer fondu, ainsi que l'effet sur la solubilité de l'hydrogène dans le fer fondu à 1600℃ et PN2=100Kpa, doivent être pris en compte.

3.3 Processus de fusion par four à induction sous vide

Le cycle complet de la fusion dans un four à induction sous vide peut être divisé en plusieurs étapes principales, notamment le chargement, la fusion, l'affinage, l'alliage et la désoxydation, la coulée, etc.

3.3.1 Chargement

(1) Besoins en matières premières

Le matériau de charge utilisé dans le four à induction sous vide est généralement constitué de matières premières propres ayant subi un traitement de surface. dépoussiéré et dégraissés, la plupart des éléments d'alliage étant ajoutés sous forme de métal pur. Les matériaux de charge humides ne doivent pas être utilisés pendant le chargement afin d'éviter d'affecter la qualité du produit fini et de provoquer des éclaboussures pendant la fusion. Pendant le chargement, la partie supérieure du matériau de charge doit être lâche, tandis que la partie inférieure doit être serrée pour éviter les "ponts" causés par le fait que le matériau de charge supérieur se coince ou se soude pendant le processus de fusion. Une couche de petit matériau léger doit être déposée au fond du creuset avant de charger des matériaux de grande taille. Les matériaux de charge à haute fusion et difficiles à oxyder doivent être chargés dans la zone à haute température au milieu et en bas du creuset. Quelques éléments actifs tels que Al, Ti, Mn, B et les terres rares peuvent être chargés dans des chargeurs séparés.

(2) Exigences en matière de tarification

I. La couche inférieure du matériau de charge doit être compacte, tandis que la couche supérieure doit être lâche pour éviter que la couche supérieure du matériau de charge ne se chevauche pendant le processus de fusion ; une couche de matériau léger de petite taille doit être déposée au fond du creuset avant de charger des matériaux de grande taille.

II. Les matériaux de charge à point de fusion élevé et difficiles à oxyder doivent être chargés dans la zone à haute température située au milieu et à la base du creuset.

III. Les matériaux de charge facilement oxydables doivent être ajoutés dans de bonnes conditions pour la désoxydation des métaux.

IV. Pour réduire la perte d'éléments volatils, un alliage peut être ajouté au métal en fusion sous la forme d'un alliage ou un gaz inerte peut être introduit dans la chambre de fusion pour maintenir une certaine pression dans le four.

3.3.2 Phase de fusion

Dans le cas d'un four à vide fonctionnant par intermittence, après le chargement de la charge, la chambre à vide est fermée et le vide est pompé. Lorsque la pression dans la chambre à vide atteint 0,67 Pa (5×10^-3 mmHg), l'électricité peut être mise en marche pour chauffer le matériau de charge. Pour les fours de production continue dont les matériaux de charge sont chargés sous vide, la puissance peut être fournie pour entrer dans la phase de fusion dès que le chargement est terminé. Compte tenu de l'effet de dégazage du matériau de charge pendant la fusion, il n'est pas nécessaire d'utiliser la puissance maximale pendant la phase de fusion initiale. Au contraire, la puissance doit être augmentée progressivement en fonction de la situation de dégazage du matériau de charge afin d'éviter un dégazage excessif provoquant des éclaboussures. En cas d'ébullition violente ou d'éclaboussures, la puissance d'entrée peut être réduite ou la pression du four peut être légèrement augmentée pour la contrôler. Le signe d'un bain de fusion clair est que la surface du bain de fusion est calme et qu'aucune bulle ne s'échappe. On peut alors passer à la phase d'affinage.

3.3.3 Phase d'affinage

Les principales tâches de la phase d'affinage consistent à améliorer la pureté du métal liquide et à réaliser l'alliage. Dans le même temps, la température de la fonte et de l'alliage doit être ajustée. L'objectif de la phase d'affinage est de réduire la teneur en gaz, d'éliminer les impuretés nocives et de qualifier la composition de l'acier. La température de la phase d'affinage doit être contrôlée à plus de 100 ℃ du point de fusion du métal fondu. Le degré de vide pour les grands fours à induction sous vide est généralement compris entre 15 et 150 Pa ; pour les petits fours, il est compris entre 0,1 et 1 Pa. Le temps d'affinage est de 15 à 25 minutes pour un four de 200 kg et de 60 à 100 minutes pour environ une tonne.

3.3.4 Alliage

L'alliage fait référence à l'ajustement de la composition, qui s'effectue dans de bonnes conditions de désoxydation et de dégazage par l'ajout d'éléments d'alliage. Le type et la quantité d'éléments ajoutés sont déterminés par les exigences relatives aux propriétés de l'alliage, et l'ordre et les conditions d'ajout sont déterminés par l'affinité et la volatilité des éléments d'alliage avec l'oxygène. Après l'ajout de chaque élément, il convient d'augmenter la puissance et d'agiter pendant un certain temps afin d'accélérer la fusion et d'assurer une distribution uniforme.

3.3.5 Moulage et coulée de l'acier

Après la phase d'alliage, lorsque le métal liquide dans le creuset atteint la composition et la température cibles, et que le métal liquide dans le creuset atteint la composition et la température cibles, et que la rectitude Si la chambre à vide répond aux exigences techniques, l'acier peut être coulé. Lors de la coulée dans le bouchon isolant, le vide est immédiatement rompu et l'agent chauffant et l'agent isolant sont ajoutés pour éviter que la porosité de retrait ne pénètre dans le corps du lingot. Pour les alliages à haute température de composition complexe, il convient de les laisser dans le vide pendant 15 à 20 minutes après la coulée avant de rompre le vide. Pour les grands fours à induction sous vide en continu, on peut laisser les lingots refroidir sous vide.

3.4 La volatilité des éléments et le contrôle de la composition

Tous les métaux (y compris certains non-métaux) ont une pression de vapeur d'équilibre Poi, qui dépend des propriétés physiques du métal, de la forme de l'état gazeux (atome unique, molécule diatomique ou multi-atomique) et de la température. La relation entre la pression de vapeur Po de la substance i et la température est la suivante : (P0 est la pression standard et ne nécessite aucune modification)

             lg(Po_i/133,3)=AT^-1+BlgT+TC×10^-3+D (3-1)

où l'unité de Poi est Pa. Les paramètres A, B, C, D et d'autres propriétés physiques pertinentes des éléments liés à la métallurgie de l'acier sont énumérés dans le tableau 3-5. Plus la pression de vapeur d'un élément est élevée, plus il est susceptible de se volatiliser lors de la fusion sous vide. D'après les données du tableau 3-5, l'ordre décroissant de la Poi pour chaque élément à 1873K peut être calculé comme suit : Zn, Mg, Ca, Sb, Bi, Pb, Mn, Al, Sn, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Y, Ce, Sl, La, Ti, V, B, Zr, Mo, Nb, W, Ta.

La pression de vapeur Pi du composant i dans un alliage ou un métal brut n'est pas égale à la pression de vapeur Poi de la substance pure i, car la concentration de i dans l'alliage est nécessairement inférieure à celle de la substance pure. En outre, l'interaction entre les molécules de i et les autres éléments constitutifs de l'alliage n'est pas égale à celle entre les molécules de i. La formule de calcul de Pi est la suivante :

P_i= a_i .P^o_i，= r _i  .N _i .P^o_i                          (3-2)

Dans la formule :

ai : activité du composant i dans l'alliage

ri : coefficient d'activité de i

Ni : concentration molaire fractionnelle de i

Dans les alliages ferreux, les éléments d'alliage peuvent être divisés en trois catégories : les éléments non volatils, les éléments facilement volatils et les éléments d'impureté qui peuvent être éliminés par volatilisation. Les éléments non volatils comprennent Ti, V, B, Zr, Mc (Hf), Nb, Ta et W. Les éléments facilement volatils comprennent Mn, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ca et Mg. Dans des conditions de fusion sous vide, ces éléments se volatilisent à des degrés divers. L'acier et les alliages contiennent des traces d'éléments métalliques qui ont un impact significatif sur les performances de l'acier et des alliages. Ils sont difficiles à éliminer par des méthodes chimiques conventionnelles. Si ces éléments ont une pression de vapeur élevée, ils peuvent être éliminés par volatilisation lors de la fusion sous vide. Ces éléments métalliques comprennent le Sn, le Pb, le Bi, le Sb et le Zn.

Les oligo-éléments tels que le magnésium, le zirconium, le bore, etc., sont utilisés pour le microalliage ; les impuretés à l'état de traces telles que Pb, Bi, As, Sb et Sn sont nocives pour l'acier et les alliages. Le magnésium pur a une pression de vapeur élevée à la température de fusion, une faible densité et une forte affinité pour l'oxygène, ce qui rend l'alliage du magnésium difficile.

Lors de la fusion sous vide, le magnésium est ajouté sous forme d'alliages binaires ou ternaires au cours de la dernière phase de la fusion. Pour améliorer le taux de récupération du magnésium, il convient de tenir compte des points suivants lors de l'ajout de magnésium :

(1) La température de l'acier en fusion doit être inférieure d'environ 20°C à la température de soutirage avant l'ajout du magnésium.

(2) Le temps de maintien doit être contrôlé après l'ajout du magnésium, généralement ajouté dans les 1 à 5 minutes précédant le soutirage.

(3) Il convient d'introduire de l'argon dans le four avant d'ajouter le magnésium afin de garantir un taux élevé de récupération du magnésium.

Les traces d'éléments nocifs dans l'acier et les alliages sont généralement des impuretés à bas point de fusion accumulées lors de l'utilisation répétée de la ferraille ou contenues dans certains minerais de fer. L'affinage sous vide est la méthode la plus efficace pour éliminer ces impuretés nocives car elles ont généralement une pression de vapeur élevée. En raison des différentes pressions de vapeur et de l'influence variable d'autres éléments constitutifs, les taux de volatilisation de ces éléments varient considérablement.

3.5 Interaction entre les métaux en fusion et les matériaux réfractaires sous vide

Avec le développement continu de la technologie des fours à induction, la capacité des fours à induction sans noyau a augmenté, et les fours à induction sous vide et traditionnels qui ont été mis en production ont atteint 60 t et 40 t, respectivement. Dans les années 1960, les États-Unis ont successivement fabriqué des fours VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) d'une capacité de 15 tonnes, 30 tonnes et même 60 tonnes. L'augmentation de la capacité des fours électriques entraîne également une hausse de la demande de matériaux réfractaires de haute pureté présentant des propriétés physiques particulières.

Les conditions de fonctionnement des matériaux réfractaires utilisés dans la fusion sous vide sont généralement plus strictes que celles utilisées dans la fusion conventionnelle. En effet, de nombreux matériaux réfractaires se décomposent en fonction de leur composition et réagissent avec le métal en fusion dans des conditions de vide. D'une part, cela contamine le métal en fusion et d'autre part, cela augmente la corrosion du matériau réfractaire. Ce phénomène est particulièrement évident dans les matériaux réfractaires contenant de grandes quantités de silice et d'oxyde de fer.

Les fissures de retrait qui se produisent dans les matériaux réfractaires utilisés dans la fusion sous vide sont plus graves que celles de la fusion conventionnelle, en particulier dans les fours à induction sans noyau de grande capacité (>2,5 tonnes). Par conséquent, les matériaux réfractaires pour les fours à induction à grande échelle doivent présenter les caractéristiques suivantes :

(1) Expansion irréversible, aucune fissure de retrait ne se produit ;

(2) Haute pureté ;

(3) Bonne stabilité dans un environnement sous vide ;

(4) Capable de résister à l'érosion du métal en fusion et du laitier.

Les matériaux réfractaires présentant ces caractéristiques comprennent la magnésie-alumine-spinelle et l'alumine de haute pureté. Ces dernières années, le dosage de ces matériaux réfractaires, ainsi que les matériaux de réparation et les liants correspondants, se sont considérablement développés.

La magnésie et l'alumine réagissent pour former de la magnésie-alumine-spinelle de haute pureté et de faible densité. Le revêtement en magnésie-alumine-spinelle peut être utilisé à une température de 1647℃, et après avoir été refroidi à la température ambiante ou rempli de matériaux froids, il peut être chauffé et utilisé à 1647℃ sans se fissurer après des dizaines de cycles. Selon des rapports pertinents, le revêtement d'un four à induction d'une capacité nominale de 6 tonnes est fabriqué en battant de l'alumine 95%. Lors de la production d'acier inoxydable des séries 300 et 400, le revêtement du four peut être utilisé en continu pendant 150 fours sans aucun traitement.

3.6 Application des nouvelles technologies à la fusion par four à induction

Près de 80 ans après l'invention du four à induction, des progrès significatifs ont été réalisés tant au niveau de l'équipement que des processus. En conséquence, des mesures ont été adoptées pour améliorer la fusion par four à induction en termes de volume de production, de productivité, de qualité des produits et de gamme de produits. Ces mesures comprennent le traitement des alliages au magnésium, la déphosphoration à faible potentiel d'oxygène, le soufflage d'argon, l'injection de poudre, le mélange de gaz hydrogène-oxygène, le traitement de l'eau, le traitement de l'eau et le traitement de l'air. décarburationet l'affinage à l'hydrogène de l'acier liquide.

3.6.1 Traitement des alliages au magnésium

Les alliages à base de nickel ou de fer à haute température, ainsi que les alliages de précision contenant des niveaux élevés d'éléments d'alliage, dont certains sont plus réactifs que d'autres, tels que l'aluminium et le titane, ne peuvent garantir des propriétés satisfaisantes telles que la plasticité thermique, soudabilitéLe magnésium est un élément essentiel de la résistance à la corrosion, de la résistance aux hautes températures et de la résistance au fluage, même lorsqu'il est fondu dans des conditions de vide. C'est pourquoi une certaine quantité de magnésium est ajoutée à la fin de l'affinage. Le magnésium résiduel dans le métal peut améliorer considérablement ces propriétés.

Les propriétés physicochimiques spécifiques du magnésium font qu'il est difficile de contrôler la méthode d'ajout et le taux de récupération au cours du processus d'ajout de magnésium. Pour résoudre ce problème, des alliages de magnésium tels que Ni-Mg et Ni-Mg-Me sont utilisés pour réduire la pression de vapeur du magnésium et augmenter son point de fusion et son point d'ébullition. Le processus de traitement du magnésium est le suivant :

(1) Après la période d'affinage, si B et Ce doivent être ajoutés, ajuster la température de la masse fondue de façon à ce qu'elle soit 20℃ plus basse que la température de prélèvement après l'ajout de B et Ce ;

(2) Remplir la chambre à vide avec de l'argon de haute pureté à une pression de 13-27kPa ;

(3) Ajouter au métal en fusion du magnésium sous la forme d'un alliage intermédiaire en forme de bloc contenant du magnésium ;

(4) Agiter immédiatement et vigoureusement après l'ajout du magnésium et éviter d'agiter trop longtemps pour réduire la perte de magnésium. L'acier doit être tapé dans les 1 à 5 minutes qui suivent l'ajout du magnésium.

3.6.2 Déphosphoration à faible potentiel d'oxygène

Lors de la fusion d'acier allié, en particulier lors de l'utilisation de matériaux de retour comme charge de four, il est nécessaire de contrôler le potentiel d'oxygène du gaz de four et du laitier pendant le processus de fusion et d'affinage afin de réduire la perte d'éléments d'alliage. Par conséquent, les méthodes d'oxydation ne peuvent pas être utilisées pour déphosphorer pendant le processus de fusion. Lorsqu'un acier à faible teneur en phosphore est requis, seules les matières premières dont la teneur en phosphore est inférieure aux exigences des spécifications peuvent être utilisées, ce qui augmente les coûts de production. Pour résoudre le problème de la déphosphoration pendant la fusion des matériaux de retour de l'acier fortement allié, la théorie et la pratique de la déphosphoration à faible potentiel d'oxygène ont été proposées ces dernières années et ont également été appliquées à la fusion dans les fours à induction.

Le calcium et le phosphore présents dans l'acier peuvent réagir comme suit dans des conditions de désoxydation et de désulfuration suffisantes du liquide sidérurgique :

3Ca+2[P] = Ca₃P₂ (3-3)

Le produit formé est le phosphure de calcium. Le calcium impliqué dans la réaction peut être du calcium métallique, des alliages de calcium (tels que les alliages silicium-calcium), ou des composés de calcium (tels que CaC2). En raison de son point de fusion bas (839℃), de sa pression de vapeur élevée (P = 1,775×105 Pa à 1600℃) et de sa faible solubilité dans le liquide sidérurgique, le calcium métallique s'évapore rapidement sous forme de vapeur après avoir été ajouté au liquide sidérurgique et flotte vers le haut et vers l'extérieur sous forme de bulles. Au cours du processus de flottaison, la vapeur de calcium peut réagir avec le phosphore de l'acier pour générer du Ca3P2, mais le taux d'utilisation du calcium est très faible. Des alliages ou des composés de calcium sont couramment utilisés à la place.

Le Ca₃P₂ généré par la réaction est un composé insoluble dans l'acier liquide, avec un point de fusion de 1320℃ et une densité de 3,3 g/cm³. Il flottera sous forme liquide et entrera dans le laitier à la température de fabrication de l'acier. Cependant, le phosphure de calcium n'est pas stable dans les conditions de fabrication de l'acier et est un agent réducteur puissant. Lorsque le potentiel d'oxygène de l'atmosphère du four est élevé et qu'il y a des oxydes facilement réductibles dans le laitier, la réaction suivante se produit :

(Ca₃P₂) + 4O₂  = 3 (CaO)+ (P₂O₅) ； （3-4）

 y (Ca₃P₂) + 8 (Me_xO_y) = 3y (CaO) + y (P₂O₅) + 8x [Me] （3-5）

Lorsqu'il y a de la vapeur d'eau dans les gaz du four :

  (Ca₃P₂)十3H₂O= 3 (CaO) + 2PH3 ↑ ; （3-6）

Le PH3 est un gaz qui élimine le phosphore avec le gaz de four lorsqu'il y a de la vapeur d'eau, mais ce gaz est toxique et des précautions doivent être prises pour éviter que cette réaction ne se produise pendant le fonctionnement. Des mesures spéciales doivent être prises pour garantir la sécurité lors du traitement de scories de four contenant du Ca₃P₂. Lorsque le laitier a une alcalinité élevée, CaO.P₂O₅ d'une plus grande stabilité.

3 (CaO) + (P₂ O₅)= (3 CaO^.P₂ O₅) （3-7）

Cependant, tant le silicium calcique que le CaC₂ utilisés pour la déphosphoration à faible potentiel d'oxygène ont de fortes propriétés réductrices. Par conséquent, lorsqu'il y a un excès de silicium-calcium ou de CaC₂ dans les scories, le phosphate de calcium se décompose et le P₂O₅ sera réduit, entraînant le retour du phosphore dans l'acier et réduisant l'efficacité de la déphosphoration en cas de faible potentiel d'oxygène.

Dans la pratique, le maintien d'un faible potentiel d'oxygène de l'acier et l'élimination en temps voulu du laitier contenant du phosphore sont les clés de l'amélioration de l'efficacité de la déphosphoration au calcium. Lors de l'ajout de calcium, des précautions doivent être prises pour éviter une gazéification violente du calcium, qui peut provoquer des éclaboussures. Lorsque le CaC₂ est utilisé comme agent déphosphorant, il est nécessaire de couvrir le creuset et de le remplir d'un gaz réducteur ou inerte pour éviter l'oxydation du CaC₂ dans le laitier. Dans la fusion du Cr₁₂Pour l'acier moulé MoV, la quantité de poudre utilisée est de 10 à 15 kg/t, et le taux de déphosphoration est d'environ 0,005%. Une fois la pulvérisation de poudre terminée, le laitier est immédiatement retiré et remplacé par un nouveau laitier.

3.6.3 Soufflage d'argon

Le soufflage d'argon dans la poche de coulée est déjà une technologie mature dans la fusion de l'acier ordinaire et de l'acier faiblement allié. Elle repose sur la remontée de bulles d'argon pour remuer l'acier en fusion, favoriser la réaction carbone-oxygène, adhérer et favoriser la collision, la croissance et la remontée d'inclusions à la surface de la bulle, et peut également dégazer dans certaines conditions.

Lorsque la pureté de l'argon est élevée et très sèche, le soufflage d'argon peut éliminer certains gaz, en particulier l'hydrogène. Lorsque la durée de soufflage de l'argon est d'environ 20 minutes, le taux de déshydrogénation peut atteindre environ 50%. Les oligo-éléments nocifs dont la pression de vapeur est élevée à la température de fabrication de l'acier, tels que le plomb et l'arsenic, peuvent également être éliminés à des degrés divers par le soufflage d'argon. Selon les rapports, le soufflage d'argon pendant 20 minutes peut éliminer 70-80% de plomb dans l'acier, mais le taux d'élimination de l'arsenic n'est que de 10%.

3.6.4 Injection de poudre

La métallurgie par injection de poudre est une nouvelle technologie développée récemment pour affiner l'acier en fusion. L'injection de poudre en poche a été largement utilisée dans la production conventionnelle d'acier, et différents agents en poudre peuvent être utilisés pour accomplir des tâches métallurgiques telles que la déphosphoration, la désulfuration, la désoxydation, le contrôle de la morphologie des inclusions, l'alliage ou l'ajout de carbone. La technologie d'injection de poudre est essentiellement une technologie qui ajoute des matériaux solides à l'acier en fusion.

Étant donné que la poudre est transportée par le gaz porteur, le gaz porteur qui entre en même temps que la poudre provoque l'agitation de la matière fondue, améliorant ainsi les conditions cinétiques des réactions métallurgiques. Par conséquent, l'injection de poudre est plus efficace que la technologie traditionnelle d'ajout de matières solides. Bien entendu, cette technique d'ajout peut également être utilisée pour la fusion par four à induction.

Lors de la fusion dans le four à induction, un agent déphosphorant (alliage de calcium ou composé de calcium) ou un agent désulfurant peut être soufflé. L'agent de désulfuration couramment utilisé est principalement une poudre à base de chaux (w(CaO) 60-80%, w(CaF₂) 20-40%). Cet agent de désulfuration est facile à obtenir, bon marché et n'a pas d'effet sur le contrôle de la composition de l'acier fondu, et le taux de désulfuration est d'environ 30-50%.

Un autre agent de désulfuration largement utilisé est le Ca-Si-CaF₂ (où w(CaF₂) est de 20-30%), la plupart du silicium de cet agent de désulfuration sera absorbé par l'acier fondu, ce qui peut augmenter la teneur en silicium, et le taux de désulfuration peut atteindre 40-80%. Pour les aciers qui ne nécessitent pas d'ajout de carbone, un bon effet de désulfuration peut également être obtenu en ajoutant une certaine proportion de CaC2 aux agents de désulfuration à base de chaux.

L'argon en bouteille est couramment utilisé comme gaz vecteur pour l'injection de poudre. L'azote peut également être utilisé pour les nuances d'acier qui ne nécessitent pas de teneur en azote, ce qui permet de réduire les coûts. La pression de travail est généralement comprise entre 0,2 et 0,3 MPa. Afin d'assurer une distribution uniforme de la poudre, la pression de travail doit être minimisée autant que possible. Un tube en acier avec un matériau réfractaire externe est utilisé comme pistolet d'injection et est inséré à une profondeur égale à la profondeur du bain de fusion moins la profondeur de pénétration.

3.6.5 Décarburation à l'argon-oxygène

La United Carbide Corporation des États-Unis a étudié la relation d'équilibre du système quaternaire Fe-Cr-C-O dans un four à induction et a constaté qu'il existe une relation correspondante entre la teneur en carbone et en chrome dissous dans le fer et la pression partielle du monoxyde de carbone (PCO) dans la phase gazeuse en fonction de la température. Pour une certaine teneur en chrome, la teneur en carbone à l'équilibre diminue avec l'augmentation de la température ou la diminution de la PCO dans la phase gazeuse. Par conséquent, tant que le PCO en contact avec l'acier fondu peut être réduit, le carbone dans l'acier fondu peut être réduit à un faible niveau à une température pas trop élevée, et le chrome ne subira pas une perte d'oxydation trop importante.

Sur cette base, la méthode AOD de dilution de la pression partielle de PCO avec de l'argon a été proposée, c'est-à-dire la décarburation par soufflage de gaz mixtes argon-oxygène. Cette méthode permet de surmonter les inconvénients de la température élevée, de la perte importante de chrome, de l'augmentation de la pression partielle du PCO et de l'augmentation de la pression partielle du PCO. la teneur en carbone des électrodes en graphite, faible durée de vie du revêtement du four et consommation importante de fer chromé à faible teneur en carbone ou de chrome métallique lors de la fusion de l'acier inoxydable au chrome par soufflage d'oxygène dans les fours à arc, et a été rapidement développé et largement utilisé.

La méthode AOD ayant été mise au point pour les fours à induction, la méthode de décarburation à l'argon et à l'oxygène devrait également être applicable à la fusion dans les fours à induction. Lors de la fusion d'acier inoxydable au chrome ou au nickel-chrome dans un four à induction, un gaz mixte argon-oxygène peut être soufflé pour éliminer le carbone de l'acier.

4. Refonte électrique du laitier

4.1 Équipement électrique de refonte du laitier et principes de base

La refonte électrique du laitier (ESR) est une méthode d'affinage secondaire largement utilisée pour la production d'acier et d'alliages de haute qualité. Ce procédé utilise la chaleur générée par la résistance électrique du laitier pour refondre l'électrode consommable dans un cristallisoir refroidi à l'eau. Par rapport à la fusion à l'arc par électrode consommable sous vide, l'ESR ne nécessite pas de système sous vide et utilise souvent une source d'alimentation en courant alternatif, ce qui en fait un procédé plus simple et plus facile à mettre en œuvre avec des lingots compacts et de haute qualité.

4.1.1 Équipement électrique de refonte du laitier

Comparé à la fusion à l'arc par électrode consommable sous vide, l'équipement de refonte du laitier électrique est relativement simple et se compose de plusieurs éléments, notamment un transformateur de puissance et un dispositif de court-circuit, un système de levage de l'électrode consommable, un cristallisoir avec un réservoir d'eau de fond, un système de mesure et de contrôle et un système d'alimentation et de dépoussiérage. Nous ne présenterons ici que le transformateur de puissance, le cristalliseur, le réservoir d'eau de fond et les différents types de fours électriques à scories.

(1) Transformateur de puissance

La caractéristique unique du processus de refonte du laitier électrique est l'utilisation de sources d'énergie à haute intensité et à basse tension en courant alternatif ou continu. Il est donc nécessaire de choisir un transformateur approprié pour convertir l'entrée haute tension en sortie basse tension (40-100 V) correspondant à la capacité du four à laitier électrique.

(2) Cristallisoir

Le cristalliseur est le composant le plus important du four électrique à laitier. Au cours du processus ESR, l'électrode consommable fond à l'intérieur du cristallisoir, et le métal liquide est refroidi de force et cristallisé pour former un lingot ou une coulée de métal. Le cristallisoir est à la fois la chambre de fusion du four et le moule pour la solidification du métal. Il a une forme et une structure complexes et il en existe trois types principaux : le cristalliseur de type lingot, le cristalliseur de type coulissant et le cristalliseur de type combiné (comme le montre la figure 4-4).

1-Électrode consommable ; 2-Piscine de scories ; 3-Piscine de métal en fusion ; 4-Digot de métal ;

1-3 Cristallisoir en mode lingot ;

4-5 Cristallisoir à glissière ; 5-Cristallisoir ; 6-Boîte à eau de fond

6-7 Type détachable ; 8-Type mobile

4.1.2 Principes de base de la refonte à l'arc électrique

(1) Principe de base de la refonte

Au cours du processus de refusion à l'arc électrique, le courant passe par l'électrode consommable, le laitier, la piscine de fusion du métal, le lingot de métal solidifié et la boîte à eau inférieure, et traverse finalement le court-circuit, le transformateur, etc. formant ainsi une boucle (voir figure 4-6). Dans le cas d'un four à arc électrique bipolaire en série, le courant passe de l'une des électrodes consommables au laitier (une petite partie du courant passe également par la piscine de fusion du métal, puis retourne au laitier), puis passe par l'autre électrode consommable et retourne finalement au transformateur pour former une boucle.

Le processus de refonte à l'arc électrique comprend la formation d'un bassin de scories, la fusion de l'électrode consommable, la solidification du métal refondu, ainsi que la réparation et le rétrécissement du lingot refondu, toutes ces opérations étant effectuées dans le cadre d'une procédure de travail continue.

Lorsque le courant traverse le laitier, en raison de la résistance élevée du laitier, une forte chaleur Joule est générée dans le bassin de laitier. La chaleur Q précipitée dans le bassin de scories par unité de temps est exprimée comme suit :

  Q = I²R (4-1)

Où : Q - Joule de chaleur généré par unité de temps, J/s ;

I - intensité du courant du laitier conducteur d'électricité, A ;

R - résistance de la piscine de scories à la température de fusion, Ω.

Lorsque l'électrode consommable est insérée dans la couche de scories, la partie d'insertion de l'électrode consommable est chauffée par la température élevée des scories et dépasse son propre point de fusion. En conséquence, la couche superficielle de la pointe de l'électrode commence à fondre, formant une fine couche de métal liquide qui se fixe sur la partie supérieure de la pointe de l'électrode. En même temps, sous l'action de la gravité g, de la force électromagnétique R et de la force de décapage du mouvement du bassin de scories F, elle s'écoule vers le bas le long de la surface de l'extrémité de l'électrode et se concentre dans la partie centrale de l'électrode pour former des gouttelettes fondues. La gravité fait tomber les gouttelettes fondues vers le bas, tandis que la tension interfaciale δ entre le laitier et les gouttelettes fondues empêche ces dernières de tomber (voir figure 4-7).

La fusion de l'électrode consommable et la transition des gouttelettes de métal pendant le processus de refonte peuvent être divisées en trois étapes :

1) Un film de métal liquide se forme à l'extrémité de l'électrode consommable ;

2) Agrégé en gouttelettes fondues et transféré dans le bassin de fusion du métal à travers la couche de scories ;

3) Pénétrer dans la surface de la piscine de fusion du métal.

1 - bassin de scories ; 2 - couche de liquide fondu ; 3 - bassin de fusion du métal ; 4 - peau des scories ; 5 - lingot de scories électrique ; 6 - cristallisoir ;

7 - boîte à eau inférieure ; 8 - transformateur ; 9 - court-circuit ; 10 - support ; 11 - électrode consommable

4.2 Avantages de la refonte à l'arc électrique

Par rapport aux méthodes de fusion générales, le procédé de refonte à l'arc électrique diffère en ce que le processus de refonte, y compris la formation d'un bassin de scories, la fusion de l'électrode consommable, la solidification du métal refondu et la réparation et le retrait du lingot refondu, sont tous réalisés dans le cadre d'une procédure de travail continue. Il présente donc une série d'avantages.

(1) Le métal refondu peut être efficacement affiné par le laitier.

(2) Améliorer les conditions de cristallisation du lingot de métal et augmenter le rendement du métal.

(3) L'équipement est simple, le coût de production est faible et le fonctionnement est facile à maîtriser.

(4) Il existe de nombreuses variétés de produits et un large éventail d'applications.

(5) La refonte à l'arc électrique présente également un avantage majeur : elle permet de produire des lingots de métal de différentes sections, tels que des lingots ronds, carrés et rectangulaires, ainsi que des lingots de métal présentant un rapport largeur/longueur élevé. Elle peut également produire des tubes creux et des pièces moulées de différentes formes, telles que des ébauches de tubes creux, des billettes de laminoir, des cuves à haute pression, de grandes soupapes à haute pression et des vilebrequins.

Toutefois, la refonte à l'arc électrique présente certains inconvénients, tels qu'une faible productivité, une consommation d'électricité élevée, un effet de dégazage médiocre, la difficulté de contrôler avec précision la composition chimique lors de la refonte d'aciers à forte teneur en Ti et en Al, et des coûts de production plus élevés que les méthodes de fusion générales.

4.3 Sélection des matières premières, du système de scories et des paramètres du procédé de refonte à l'arc électrique

4.3.1 Matières premières pour la refonte à l'arc électrique

(1) Électrode consommable

L'électrode consommable utilisée dans la refonte à l'arc électrique est généralement un lingot de métal fondu par un four à arc ou un four à induction, qui est transformé en tige de métal après laminage ou forgeage. Sa section peut être circulaire, carrée ou rectangulaire, et sa variété doit être la même que celle du produit fini après la refonte. Afin d'éviter l'oxydation et la combustion d'éléments facilement oxydables au cours du processus de refonte, il est nécessaire que la surface de l'électrode consommable soit exempte de rouille et de peau d'oxyde, en particulier lors de la refonte d'aciers et d'alliages contenant de l'Al, du Ti, du B et d'autres éléments. Au cours du processus de refonte, à l'exception des éléments facilement oxydables (tels que Ti, Al, etc.) qui peuvent être brûlés, les autres éléments ne changent pratiquement pas. Ces éléments facilement oxydables doivent être contrôlés dans une certaine fourchette lors de la préparation de l'électrode consommable en fonction de la quantité brûlée pendant le processus de refonte. Pour éviter l'excentricité de l'électrode consommable pendant le processus de refonte, il est nécessaire qu'elle soit aussi droite que possible, avec un diamètre de rayon de courbure ne dépassant pas 6 mm par mètre.

(2) Plaque de protection des lingots

Au début de la refonte, afin d'éviter que la boîte à eau inférieure ne soit brûlée, une plaque métallique appelée plaque de protection du lingot peut être placée sous le cristallisoir et au-dessus de la boîte à eau inférieure. La plaque de protection du lingot est fabriquée dans le même matériau que l'électrode consommable. La surface de la plaque de protection des lingots ne doit pas présenter de peau d'oxyde ni de rouille, et elle doit être très plate, afin d'assurer un contact étroit avec la surface de la boîte à eau inférieure et d'obtenir un bon effet conducteur. L'épaisseur de la plaque de protection des lingots est généralement comprise entre 12 et 18 mm.

(3) Matériau du laitier d'allumage

Comme nous le savons tous, lors de la refonte à l'arc électrique, le laitier en fusion a une certaine conductivité. Lorsque le laitier est solide, sa conductivité est faible et il ne peut pas être utilisé pour conduire la chaleur et créer directement une piscine de laitier. Si le laitier solide est utilisé comme matériau de laitier d'allumage, il faut trouver un laitier ayant une conductivité suffisante à l'état solide. Dans la pratique, il a été constaté que lorsque le laitier solide contient une certaine quantité de TiO₂il peut répondre à cette exigence. Par conséquent, pendant une longue période, les scories solides contenant du TiO₂ a été utilisé comme laitier d'allumage pour la refonte à l'arc électrique.

(4) Scories de refonte

Le laitier joue un rôle important dans le processus de refonte à l'arc électrique. Les systèmes de scories couramment utilisés sont principalement composés de fluorine (CaF₂), l'alumine (Al₂O₃), la chaux (CaO) et la magnésie (MgO), etc. (voir tableau 4-1).

4.3.2 Sélection des paramètres du procédé de refonte à l'arc électrique

(1) Taille du lingot de laitier électrique

La relation entre le poids et la taille du lingot répond à l'équation 4-2.

Poids de la broche G, t ; diamètre de la broche D, cm ; hauteur de la broche h, cm ; poids spécifique du métal γ fondu, g/cm³.

Tableau 4-1 : Systèmes de scories courants et leurs densités à l'état liquide, ainsi que leurs points de fusion.

(2) Dimensions du cristallisoir et de l'électrode autoconsommatrice

Le diamètre D du cristallisoir est déterminé par la formule suivante :

où D est le diamètre moyen du cristallisoir en millimètres (mm) ; D_pro est le diamètre du produit en millimètres (mm) ; M est la surépaisseur d'usinage pour l'ébauche (pour les lingots, M=0 ; pour les moulages, M=10-15mm) ; δ% est le retrait du lingot (généralement 3±0,5%).

La hauteur H du cristallisoir est déterminée par la formule suivante :

Si D est supérieur à 300 mm, H doit être considéré comme la limite inférieure.

Le diamètre de l'électrode autoconsommatrice d_pole peut être déterminé par la formule empirique suivante, qui dépend du diamètre D du cristallisoir :

où K est le taux de remplissage, généralement choisi entre 0,4 et 0,6 ; d_pole est le diamètre de l'électrode autoconsommatrice en millimètres (mm) ; D est le diamètre du cristallisoir en millimètres (mm).

Actuellement, différents pays dans le monde choisissent différents taux de remplissage K en fonction de leur situation réelle. Une valeur K plus élevée permet de réduire la consommation d'énergie, d'améliorer la productivité et la qualité des lingots, tout en garantissant la qualité du métal refondu et la sécurité de l'opération. Le diamètre de l'électrode autoconsommatrice ne doit pas être trop grand, car cela affecterait la sécurité de l'opération.

La longueur L_pole de l'électrode autoconsommatrice peut être calculée à l'aide de la formule suivante :

où G est la masse du lingot de métal en tonnes (t) ; n est le nombre d'électrodes auto-consommatrices nécessaires pour produire un lingot de métal ; γ est la densité du métal refondu, généralement fixée à 7,9g/cm3 pour l'acier ordinaire ; Z est la densité de l'électrode, fixée à 0,95 pour les électrodes coulées et approximativement égale à 1 pour les électrodes forgées et laminées ; ΔL est la longueur de la queue de l'électrode, qui doit être déterminée sur la base de la densité de l'électrode ; Z est la densité de l'électrode, fixée à 0,95 pour les électrodes coulées et approximativement égale à 1 pour les électrodes forgées et laminées. serrage généralement prise comme (2-3)d.

(3) Tension de fusion

La tension de fusion correspond à la somme de la tension de travail et de la chute de tension dans la ligne pendant la refonte. La tension de travail est proche de la tension de la couche de scories et représente plus précisément la tension réelle. Elle détermine la profondeur d'immersion de l'électrode autoconsommatrice, affecte la formation de cristaux axiaux satisfaisants dans le lingot et la qualité de la surface, et est liée au degré d'oxydation des éléments. Une augmentation appropriée de la tension de la bouche du four peut affiner les gouttelettes fondues, augmenter la température du laitier et favoriser la croissance des cristaux axiaux du lingot. En général, pour les systèmes de laitier présentant une bonne conductivité et une faible résistance, il convient de choisir une tension de travail plus faible. Lors de la fusion d'alliages contenant des éléments facilement oxydables tels que Al, Ti, et des aciers ou des alliages sujets à la ségrégation, une tension de travail plus faible doit également être sélectionnée. La tension de travail peut être sélectionnée à l'aide de la formule empirique suivante :

où U est la tension de travail en volts (V) ; D est le diamètre du cristallisoir en centimètres (cm) ; B est une constante, prise entre 27 et 37 V.

(4) Courant de fusion

Le courant de fusion est un paramètre important qui a un impact significatif sur la qualité du produit et les indicateurs économiques et techniques. L'augmentation du courant de fusion entraîne une plus grande profondeur d'immersion de l'électrode autoconsommatrice, ce qui est préjudiciable aux cristaux axiaux du lingot. Le courant de fusion est principalement déterminé par la section de l'électrode d'autoconsommation et la densité de courant.

I = A*J （4-8）

où A est la surface de section de l'électrode autoconsommatrice en millimètres carrés (mm2) ; J est la densité de courant en ampères par millimètre carré (A/mm2).

La densité de courant J peut être sélectionnée à l'aide de la formule empirique suivante :

où d est le diamètre de l'électrode autoconsommatrice en millimètres (mm).

(5) Puissance d'entrée

La puissance d'entrée est utilisée pour vérifier si les valeurs de tension et de courant sont appropriées ou pour fournir une base de sélection des transformateurs pour l'équipement. La puissance d'entrée est déterminée sur la base de la puissance d'entrée du volume unitaire du bassin de scories. Si D =400-800mm, la puissance d'entrée effective est de 0,15-0,30KW/cm.²; si D =200-400mm, la puissance d'entrée effective est de 0,30-0,60KW/cm²; si D < 200mm, la puissance d'entrée effective est supérieure à 0,60KW/cm².

(6) Quantité de scories et profondeur du bassin de scories

La quantité de laitier est déterminée à l'aide de la formule suivante, les systèmes de laitier et les densités couramment utilisés étant indiqués dans le tableau 4-3 :

où G est le poids du laitier en kilogrammes (kg) ; D est le diamètre du cristallisoir en centimètres (cm) ; h est la profondeur de la piscine de laitier en centimètres (cm) ; γ est la densité du métal refondu en kilogrammes par centimètre cube (kg/cm³).

La profondeur du bassin de scories peut être déterminée à l'aide de la formule empirique suivante :

Prendre la limite supérieure lorsque D ≤250mm, et prendre la limite inférieure lorsque D >350mm. Selon la littérature, la quantité de scories pour les fours électriques monophasés en Chine est de 30-40kg/t, la quantité de scories pour les fours électriques triphasés en Chine est de 60-70kg/t, et la quantité de scories à l'étranger est de 3-5% du poids du lingot.

(7) Température de l'eau de refroidissement

Afin de promouvoir la cristallisation du lingot et d'éviter les accidents, une intensité de refroidissement plus élevée est nécessaire pour le cristalliseur et le réservoir d'eau inférieur. La pression de l'eau de refroidissement est généralement de 1,5-2,0kg/mm2, et la température de l'eau de sortie du cristallisoir doit être contrôlée à 40-60℃.

4.4 Caractéristiques métallurgiques de la refonte électrique du laitier (leçon 11)

Le processus de refonte du laitier électrique comprend la formation du bassin de laitier, la fusion de l'électrode autoconsommatrice, la solidification du métal refondu, ainsi que l'ajout et le rétrécissement du lingot refondu. Ces processus sont réalisés dans le cadre d'une procédure de travail continue.

4.4.1 Formation du bassin de laitier de refonte du laitier électrique

(1) Fonction du laitier

Source de chaleur pour le processus de refonte.

Raffinement efficace.

Protection du métal refondu par la couche de scories.

En outre, pendant le processus de solidification du métal refondu, une coque de laitier mince et uniforme se forme à la surface du lingot, protégeant le cristalliseur du contact direct avec le laitier à haute température et rendant la surface du lingot lisse et facile à démouler.

(2) Propriétés du laitier

Une certaine conductivité électrique.

Faible viscosité et point de fusion.

Faible pression de vapeur.

Tension interfaciale adéquate du laitier.

Densité modérée des scories.

Perméabilité adéquate du laitier.

(3) Sélection du système de scories

Le laitier doit être sélectionné sur la base de l'analyse des propriétés physiques du laitier mentionnée ci-dessus. Les systèmes de laitier couramment utilisés sont indiqués dans le tableau 4-1.

Le point de fusion du système de laitier doit être 100-200℃ plus bas que celui du métal refondu, et la viscosité du laitier doit également être faible. Cela permettra une bonne fluidité du laitier pendant le processus de refonte, ce qui est bénéfique pour la désulfuration et l'élimination des inclusions non métalliques. Cela permettra également de former une coquille de laitier fine et uniforme à la surface du lingot, ce qui facilitera la solidification du lingot et l'obtention d'une surface lisse.

Le système de laitier CaF2-CaO a une capacité de désulfuration significative, et la capacité de désulfuration augmente avec l'augmentation de la basicité du laitier. Lors de la refonte d'acier de décolletage contenant du soufre, une opération de laitier acide avec R<1 est nécessaire pour garantir la teneur en soufre de l'acier.

Lors de la refonte électrique du laitier, il est préférable d'avoir moins d'oxydes instables (FeO, MnO, etc.) et d'oxydes de métaux à valence variable (MexOy) dans le laitier afin d'éviter l'augmentation de la teneur en [O] dans le métal et la perte d'éléments par combustion. Lors de la fusion d'aciers et d'alliages contenant des éléments tels que Al, Ti et B, le laitier ne doit pas contenir de SiO2.

Les oxydes de métaux alcalins tels que Na2O et K2O ayant des points de fusion bas et étant faciles à volatiliser, le laitier ne doit pas contenir ces oxydes.

(4) Création d'un bassin de scories

Au début du processus de refonte, le bassin de laitier refondu doit être rapidement établi pour garantir le bon déroulement du processus de refonte du laitier électrique. Il existe deux méthodes pour établir le bassin de laitier : la méthode de l'arc visible et la méthode de l'arc invisible, cette dernière étant principalement utilisée dans la production actuelle. Dans la méthode de l'arc invisible, la méthode d'allumage du laitier conducteur solide et la méthode du laitier liquide sont principalement utilisées.

4.4.2 Fusion de l'électrode autoconsommatrice

Au cours du processus d'égouttage des gouttelettes de métal refondu, les caractéristiques de transition se manifestent principalement par la fréquence d'égouttage des gouttelettes et la taille du diamètre des gouttelettes, qui ont une influence considérable sur l'affinage du métal.

Tout d'abord, la composition du laitier a un effet significatif sur la taille des gouttelettes. Lors de l'utilisation d'une électrode autoconsommatrice en acier ЭП65 d'un diamètre d_pole=200 mm, d'un cristallisoir d'un diamètre D_pro=425 mm et d'un système de laitier CaF2-Al2O3 avec différentes quantités d'Al2O3 ajoutées pour la refonte, le changement de la qualité des gouttelettes est indiqué dans le tableau 4-2.

Tableau 4-2 Changements dans la fusion des gouttelettes.

En outre, il existe une certaine relation entre la profondeur du bassin de scories et la fréquence et la taille des gouttelettes. Lorsqu'une électrode à faible section d'autoconsommation est utilisée, une augmentation de la profondeur de la piscine de scories entraîne une diminution de la fréquence de chute des gouttelettes et une augmentation de leur diamètre (voir tableau 4-3).

Tableau 4-3 Relation entre la profondeur du bassin de scories, la fréquence de chute des gouttelettes et le diamètre des gouttelettes.

Remarque : la vitesse de levage de l'électrode est de 1,55 m/h ; la tension est de 45 V.

La stabilité du processus de refonte dans la production de laitier électrolytique est étroitement liée à la vitesse de descente de l'électrode d'autoconsommation. Lorsque l'électrode descend lentement, le processus de laitier électrolytique se transforme en un processus d'arc. À ce moment-là, l'extrémité de l'électrode est plate et les gouttelettes sont généralement réparties sur le bord de la face de l'électrode (voir figure 4-18a). Au moment où les gouttelettes tombent, un arc peut être observé et le processus d'électroslag est instable. Lorsque la vitesse de descente de l'électrode est augmentée, une protubérance conique apparaît à l'extrémité de l'électrode (voir figure 4-18b), et des gouttelettes se forment au centre de l'extrémité de l'électrode (la pointe de la protubérance). Lorsque la vitesse de descente de l'électrode augmente encore, la taille de la partie conique de l'électrode insérée dans le laitier augmente et la concavité de la surface latérale du cône diminue.

Figure 4-8 Caractéristiques de fusion des électrodes

a - Vitesse de descente de l'électrode faible ; b - Vitesse de descente de l'électrode modérée ; c - Vitesse de descente de l'électrode élevée.

Avec l'augmentation de la vitesse de descente de l'électrode, la surface latérale du corps conique à l'extrémité de l'électrode devient convexe et une partie de la partie cylindrique de l'électrode est également enfouie dans le bassin de scories. À ce moment, avec l'augmentation de la vitesse de descente de l'électrode, une lente augmentation du courant peut être observée (voir figure 4-19).

Figure 4-9 Relation entre la vitesse de descente des électrodes et le courant

1 - Diamètre de l'électrode 180mm, U=80V ; 2 - Diamètre de l'électrode 180mm, U=51V ;

3 - Diamètre de l'électrode 100mm, U=51V ; 4 - Diamètre de l'électrode 80mm, U=51V ;

Lorsque la vitesse de descente de l'électrode est trop rapide, des arcs périodiques se produisent entre l'extrémité de l'électrode et la surface du bain de métal en fusion en raison du détachement de gouttelettes, ce qui entraîne une ébullition au fond du bain de scories. Parfois, un court-circuit peut se produire entre l'électrode et le bain de métal en fusion, ce qui rend le processus de refonte instable.

En résumé, lors de l'utilisation d'une électrode de grande section pour la refonte sous laitier électroconducteur, l'extrémité de l'électrode doit avoir la forme d'un cône régulier, ce qui rend le processus de refonte plus stable.

4.4.3 Solidification du métal refondu

Les différences entre le processus de solidification des lingots sous laitier électrolytique et celui des lingots sous laitier conventionnel. méthodes de moulage sont les suivants :

(1) La ségrégation des lingots refondus sous laitier électrolytique est plus faible que celle des autres méthodes ;

(2) Au cours du processus de refonte sous laitier électroconducteur, un nouveau métal liquide peut être fourni en continu à l'intérieur du cristallisoir par la fusion continue de l'électrode d'autoconsommation, ce qui n'est pas nécessaire dans le cas d'une coulée en moule ordinaire ;

(3) La surface du lingot sous laitier est recouverte d'une fine couche de scories, ce qui fait que la vitesse de refroidissement axial est beaucoup plus élevée que la vitesse de refroidissement radial et que la structure cristalline a tendance à être axiale ;

(4) La structure cristalline du lingot à électro-lavage n'est pas seulement liée à la coquille de laitier à la surface du lingot, mais aussi à la forme de la piscine de métal en fusion.

La pratique a montré que les principaux facteurs influençant la formation de la forme de la piscine de métal en fusion sont la vitesse de descente de l'électrode d'autoconsommation, le courant de travail, la tension de travail, la profondeur de la piscine de scories et la conductivité thermique du métal refondu.

4.4.4 Compensation de la rétraction, du démoulage et du refroidissement

Retrait de compensation : La rétraction de compensation doit être effectuée 10 à 15 minutes avant la fin du processus de refonte afin de garantir un lingot lisse sans trous de rétraction et d'améliorer le rendement du lingot de métal.

Démoulage et refroidissement : Une fois la refonte terminée, il faut laisser le lingot de métal refroidir pendant 10 minutes avant de le démouler. Le temps de refroidissement du moule est généralement déterminé en fonction des différentes qualités d'acier et de la taille du lingot. Après le démoulage, les aciers alliés doivent généralement être refroidis lentement. Les méthodes de refroidissement lent comprennent le refroidissement à l'air, le refroidissement au sable, le refroidissement à la hotte et le refroidissement en fosse.

4.5 Qualité métallurgique de la refonte sous laitier électroconducteur

4.5.1 Désulfuration et déphosphoration dans le procédé de laitier électrolytique

L'effet de désulfuration de la refonte sous laitier électrolytique est important et le taux de désulfuration peut généralement atteindre 50-80%, ce qui constitue l'un des avantages de la refonte sous laitier électrolytique. Dans les méthodes ordinaires de fabrication de l'acier, pour éliminer efficacement le soufre du métal, les conditions suivantes doivent être remplies :

(1) Les scories doivent avoir une alcalinité élevée ;

(2) Pour que le laitier s'écoule bien, la température du laitier doit être élevée ;

(3) L'interface de contact entre le métal et le laitier doit être aussi large que possible.

Il existe trois formes de désulfuration dans le processus de refonte sous laitier électrolytique :

(1) Il s'agit d'une désulfuration des scories, ce qui signifie que le soufre est transféré du métal aux scories.

La formule de la réaction est la suivante : [S]+(O^2-)→(S^2-)+[O] (4-12)

La constante d'équilibre de la réaction est : (4-13)

Par conséquent, l'équation 4-13 donne 

Si la teneur en ions oxygène du laitier est plus élevée et que l'activité de l'oxygène dans le métal est plus faible, davantage de soufre sera transféré du métal au laitier. Afin d'augmenter la teneur en ions oxygène dans le laitier, il est possible d'utiliser du laitier à haute alcalinité. La formule de réaction chimique de la désulfuration du laitier montre qu'à mesure que le soufre est éliminé, la teneur en oxygène du métal doit augmenter.

(2) Au cours du processus de refonte, la désulfuration par gazéification est également effectuée, ce qui signifie que le soufre est transféré du laitier à l'atmosphère.

(S^2-) + 3/2{O₂} = (O^2-) + {SO₂} (4-15)

La constante d'équilibre de cette réaction est :

L'équation 4-16 donne

L'équation 4-17 montre que plus la pression partielle d'oxygène dans l'atmosphère est élevée et plus l'activité des ions d'oxygène dans le laitier est faible, plus la désulfuration par gazéification est favorable au cours du processus de refonte. Il existe une certaine contradiction entre ces deux processus de réaction. Cependant, les deux processus se produisent au sein du même système, de sorte que l'effet final de désulfuration devrait être le résultat global de l'interaction entre ces deux réactions.

(3) Le soufre présent dans le métal passe dans le laitier.

Les différentes polarités de courant et de tension ont également un certain effet sur l'élimination du soufre dans le métal. Si l'on utilise un courant continu inverse (c'est-à-dire une électrode d'autoconsommation connectée à l'électrode positive), le soufre présent dans le métal peut passer dans le laitier, ce qui permet d'obtenir de meilleurs résultats en matière de désulfuration. En principe, aucun effet de désulfuration ne peut être observé en cas d'utilisation d'une électrode à courant continu positive. Pendant la refonte à l'arc électrique, la désulfuration par gazéification représente une proportion considérable des trois méthodes de désulfuration mentionnées ci-dessus. Dans l'ensemble, le meilleur effet de désulfuration est obtenu en utilisant une source d'énergie CA et un laitier à haute alcalinité pour la refonte dans des conditions atmosphériques. Lors de l'utilisation d'une source d'énergie CA, le CaF₂-Le système de scories de CaO a le meilleur effet de désulfuration dans le système de scories de fluorure.

En ce qui concerne la déphosphoration du métal, la méthode traditionnelle consiste à créer des conditions de "trois hauts et un bas" (alcalinité élevée, teneur élevée en (FeO), grande quantité de scories et température plus basse) autant que possible au cours du processus de fusion. Toutefois, dans le processus de refonte à l'arc électrique, il est difficile d'obtenir de bons résultats de déphosphoration en raison de la nature non oxydante du laitier et de la température élevée du bain de fusion.

4.5.2 Élimination des inclusions non métalliques lors de la refonte à l'arc électrique

La refonte à l'arc électrique est très efficace pour éliminer les inclusions non métalliques du métal. Le tableau suivant montre l'évolution de la teneur en inclusions non métalliques dans l'acier pour roulements à billes après la refonte à l'arc électrique.

Tableau 4-4 Modifications des inclusions d'oxyde dans l'acier pour roulements à billes après refonte à l'arc électrique

Tableau 4-10 : Perte par brûlage de [Ti] pendant la refonte sous laitier électrolytique dans différentes conditions.

4.6 Applications de la refonte sous laitier électroconducteur

(1) Nouvelles applications de la refonte sous laitier électrolytique

Refonte sous laitier électrique ESR ; Coulée sous laitier électrique ESC ; Coulée sous laitier électrique ESP ; Coulée continue sous laitier électrique ESMPC ; Coulée centrifuge sous laitier électrique CESC ;

Coulée à chaud sous laitier ESHT ; Refonte rapide sous laitier ESRR ; Soudage sous laitier électroconducteur ESW ; Revêtement par électro-lavage E.S. Cladding ;

Formage par pulvérisation sous laitier E.S. Osprey ; Fusion directe sous laitier ESM ;

(2) Perspectives d'avenir pour les produits de laitier électrolytique

I. Dans la production de pièces forgées de moyennes et grandes dimensions, la refonte sera en position de monopole.

II. Dans les domaines de l'acier à outils de haute qualité, acier matricéLa refonte sous laitier électrolytique présente un avantage absolu et remplacera la refonte à l'arc sous vide dans ce domaine, qu'il s'agisse d'acier inoxydable duplex résistant à la chaleur, d'acier à ultra-haute résistance contenant de l'azote, d'ébauches de tuyaux ou de rouleaux laminés à froid.

III. Dans le domaine des superalliages (alliages à haute température, alliages résistant à la corrosion, alliages de précision, alliages pour le chauffage électrique), la refonte sous laitier électrique et la refonte à l'arc sous vide sont en situation de concurrence. À la fin des années 1980, la production de la refusion sous laitier électrolytique a dépassé celle de la refusion à l'arc sous vide. De nombreux matériaux qui suivent la refonte à l'arc sous vide sont des matériaux plus anciens qui sont limités par des évaluations techniques antérieures, alors que les nouveaux matériaux sous laitier électroconducteur ont un avantage absolu.

IV. Dans la production de métaux non ferreux, la refonte sous laitier électrolytique n'en est qu'à ses débuts.

5. Refonte de l'arc sous vide

5.1 Vue d'ensemble

La refonte à l'arc sous vide est un processus qui implique l'utilisation d'un arc à courant continu généré entre une électrode métallique et un bain de métal en fusion, dans un environnement sans scories et à basse pression. Les effets de la température élevée de l'arc font fondre les électrodes auto-consommatrices couche par couche et forment des gouttelettes en fusion à l'extrémité de l'électrode. Ces gouttelettes pénètrent dans le bain de métal en fusion par la zone d'arc à haute température et sont rapidement chauffées par l'arc à haute température, ce qui entraîne une purification et un affinage, suivis d'une solidification dans un cristallisoir refroidi à l'eau.

Un four à arc sous vide peut créer un faible potentiel d'oxygène et des conditions de fusion à haute température, ce qui le rend adapté à la fusion de métaux réfractaires ou facilement oxydables tels que le platine, le tantale et le tungstène. Avec le développement de l'industrie mécanique, le procédé de refusion à l'arc à autoconsommation sous vide a été appliqué avec succès à la production de titane et d'alliages de titane, d'alliages de précision, d'alliages à haute température et de métaux réfractaires. C'est pourquoi il s'est rapidement développé et a pris de l'ampleur depuis les années 1940 et 1950. Dans les procédés de fusion spéciaux, la fusion à l'arc sous vide est l'une des principales méthodes de refonte et d'affinage. Le schéma de la fusion à l'arc sous vide est illustré à la figure 5-1.

1. Cristallisateur de cuivre ; 2. plate-forme de travail ; 3. système d'observation optique ; 4. dispositif de levage de l'électrode ; 5. pôle de l'électrode ; 6. corps du four ; 7. électrode ; 8. système de vide ; 9. arc ; 10. lingot ; 11. bobine de commande électrique.

Les fours à arc sous vide peuvent être divisés en deux catégories : les fours auto-consommateurs et les fours non auto-consommateurs. Ce dernier fait référence à un type de four à arc sous vide qui utilise des conducteurs résistants à haute température, tels que des électrodes en tungstène ou en graphite, et le métal à fondre est placé dans le cristallisoir pour être fondu et affiné par la chaleur de l'arc.

Au cours du processus de fusion, l'électrode elle-même n'est pas consommée, ou seulement de façon minimale, c'est pourquoi on parle de four à arc non auto-consommateur. Les fours à arc à consommation automatique utilisent le métal à fondre comme électrode, qui fond et s'affine à une certaine vitesse pendant le processus d'arc, ce qui fait de ce type de four à arc un four à arc à consommation automatique. Étant donné que la grande majorité des fours à arc sous vide utilisés dans la production d'acier et d'alliages sont des fours à arc à autoconsommation, sauf indication contraire dans les sections suivantes, toutes les références seront faites aux fours à arc à autoconsommation.

5.2 Introduction et classification de la structure des fours à arc non autoconsommateurs sous vide

5.2.1 Aperçu de la structure

Il existe différents types de fours à arc à autoconsommation sous vide, mais leurs structures de base sont identiques. La figure 5-1 présente un four à arc à autoconsommation sous vide. Un ensemble complet d'équipements pour un four à arc à autoconsommation sous vide comprend le corps du four, l'équipement d'alimentation électrique, le système à vide, le système de contrôle, le système d'observation, le système de refroidissement de l'eau et d'autres composants. Le schéma du principe de refusion à l'arc sous vide et le schéma structurel du four à arc sous vide à électrode autoconsommatrice sont présentés respectivement à la figure 5-2 et à la figure 5-3.

1. Électrode à autoconsommation de métal ; 2. zone en phase gazeuse ; 3. zone de la colonne d'arc ; 4. bain de métal en fusion ; 5. lingot.

1. Pôle négatif ; 2. mécanisme d'alimentation en électrodes ; 3. bielle ; 4. manchon d'étanchéité coulissant à vide ; 5. corps du four ; 6. pince ; 7. tige courte ; 8. électrode autoconsommatrice ; 9. creuset en cuivre ; 10. lingot coulé ; 11. chemise d'eau ; 12. pôle positif ; a. entrée de l'eau de refroidissement ; b. sortie de l'eau de refroidissement ; c. échappement de la pompe à vide.

5.2.2 Classification des fours à arc sous vide à autoconsommation

Il existe de nombreux types de fours, qui peuvent être classés en fonction des différentes caractéristiques du four à arc. En fonction de la structure du corps du four, on distingue les types fixes et les types rotatifs. En fonction de la forme du lingot, on distingue les lingots fixes et les lingots tirés. En fonction du mode de fonctionnement, il peut être divisé en intermittent et continu.

5.3 Procédé de refonte de l'acier et des alliages

5.3.1 Étapes de la refonte de l'arc

Le processus de refonte à l'arc peut être divisé en quatre étapes : les électrodes de soudage, l'arc, la fusion normale et l'étêtage.

Le soudage s'effectue sous vide ou dans une atmosphère protectrice. Une couche de matériau d'amorçage de l'arc (généralement du même type de copeaux) est étalée sur l'extrémité de l'électrode autoconsommatrice en cours de soudage, puis le matériau d'amorçage de l'arc est étalé sur l'extrémité de l'électrode autoconsommatrice à souder. tige d'électrode est abaissée de manière à ce qu'un arc se produise entre l'électrode de transition et l'électrode autoconsommatrice. Lorsque les deux extrémités de la zone d'arc sont chauffées et que l'arc est stable avec une grande quantité de phase liquide formée, la tige de l'électrode est rapidement abaissée pour que les deux extrémités de la zone d'arc soient en contact étroit et soudées l'une à l'autre.

L'arc électrique a pour but de former un arc entre l'électrode autoconsommatrice et le matériau d'amorçage de l'arc au fond du cristallisoir, d'augmenter la température de la zone d'arc et de former un bassin de métal en fusion d'une certaine taille au fond du cristallisoir, de maintenir un arc stable entre l'électrode autoconsommatrice et le bassin de métal en fusion et de faire passer la refonte de l'électrode autoconsommatrice à la période de fusion normale.

La période de fusion normale est l'étape principale du processus de refonte au cours de laquelle l'acier ou les alliages sont affinés et solidifiés en lingots. Cette opération permet d'éliminer les gaz et les impuretés métalliques à bas point de fusion du métal, d'éliminer les inclusions non métalliques, de réduire la ségrégation et d'obtenir une structure cristalline idéale.

L'objectif du topping est de réduire les cavités de retrait au sommet du lingot refondu, de réduire la porosité de la zone de contraction en "V" au sommet, de favoriser le flottage final et l'élimination des inclusions, de réduire la quantité de coupe de tête et d'augmenter le taux de rendement.

5.3.2 Paramètres du processus

(1) Diamètre de l'électrode autoconsommatrice

Le diamètre de l'électrode autoconsommatrice influe directement sur la qualité du lingot refondu. Lorsque le diamètre est important, la chaleur de l'arc est uniformément répartie sur toute la surface du bain de fusion, de sorte que le bain de fusion est plat. Il est donc facile d'obtenir un lingot refondu présentant une faible ségrégation, une structure dense et une orientation cristalline colonnaire qui permet d'améliorer les performances du traitement thermique (l'angle entre la direction des grains colonnaires et l'axe du lingot est faible). En général, la formule suivante est utilisée pour sélectionner le diamètre de l'électrode :

       d/D=0,65～0,85 (5-1)

où d est le diamètre de l'électrode autoconsommatrice en mm, et D est le diamètre du cristallisoir en mm.

Pour l'acier ou les alliages, d/D est généralement choisi entre 0,7 et 0,8. Choisissez la limite supérieure pour les lingots de grande taille et la limite inférieure pour les lingots de petite taille.

En outre, le diamètre de l'électrode peut également être déterminé par la formule empirique suivante :

d=D-2δ (5-2)

où δ est la distance entre l'électrode et le cristallisoir en mm.

Lorsque l'électrode est un cylindre à facettes multiples, la valeur représente la distance entre les bords de l'électrode et la paroi intérieure du cristallisoir. Lors de la détermination de la valeur de δ, il faut veiller à ce qu'elle soit supérieure à la longueur de l'arc lors d'une fusion normale, afin d'éliminer le risque de générer des arcs de bord.

Lors de la refonte de métaux et d'alliages non ferreux ou réfractaires, en particulier lors de la première refonte sous vide (avec un important dégagement de gaz), afin d'éliminer complètement les gaz et de garantir la sécurité des opérations, δ doit être plus grand que celui choisi pour la refonte de l'acier. En général, δ est choisi dans une fourchette de 25 à 50 mm, la limite supérieure étant fixée pour les lingots de plus grande taille.

Tableau 5-1 Formule empirique pour la détermination du courant de fusion

Formule	Unité		Domaine d'application	Remarque
	I ou I	d ou D
	iA/cm2	d mm	Acier, acier allié, alliages à base de fer ou de nickel.	i- Densité de courant  I- Courant de fusion  d- Diamètre de l'électrode autoconsommatrice  D- Diamètre du cristallisoir
	IA	D mm	Acier, acier allié D=145～150 d/D=0,7～0,8
	IA	d mm	Alliages à base de fer ou de nickel d=10～300 d/D=0,65～0,85

(2) Degré de vide :

Le degré de vide a un impact direct sur la désoxydation, le dégazage, la volatilisation des éléments, la décomposition et l'élimination des inclusions au cours du processus de refonte, ainsi que sur le comportement de l'arc et la sécurité du fonctionnement. Le degré de vide est donc un paramètre très important du processus. Afin d'améliorer l'effet d'affinage, il est nécessaire d'augmenter le degré de vide de la chambre de fusion, mais pour stabiliser l'arc, le degré de vide ne doit pas être trop élevé, en particulier en évitant la plage de pression qui provoquerait une décharge lumineuse. La pression de la chambre de fusion doit être maintenue à environ 1,3 Pa.

(3) Courant :

Le courant de fusion détermine la vitesse de fusion de l'électrode autoconsommatrice et la température du bain de fusion. Un courant important entraîne une température élevée de l'arc et une vitesse de fusion rapide de l'électrode, ce qui se traduit par une meilleure qualité de surface du lingot refondu. Cependant, la température élevée du bain de fusion augmente la profondeur du bain de fusion et fait que la direction de cristallisation du lingot refondu tend vers l'horizontale. Par conséquent, le développement du lingot refondu augmente, la déviation de la composition augmente, l'anisotropie s'intensifie et les performances du traitement thermique se détériorent.

Lorsque le courant de fusion est faible, bien que le taux de fusion soit bas, la forme de la piscine de fusion du métal est peu profonde et plate, et la direction de cristallisation tend à être axiale, ce qui garantit que le lingot refondu est dense, avec de petites inclusions dispersées qui peuvent flotter vers le haut et vers l'extérieur entre les cristaux dendritiques. Le choix du courant de fusion doit également tenir compte du diamètre de l'électrode, de la taille du lingot et des propriétés physiques du produit raffiné (point de fusion, composition, viscosité, conductivité thermique, etc.) Les formules permettant de sélectionner le courant de fusion sont indiquées dans le tableau 5-1.

(4) Tension :

Dans les conditions d'un courant fixe, la longueur de l'arc est déterminée par la tension de l'arc. Si la longueur de l'arc est trop courte (moins de 15 mm), des courts-circuits périodiques sont susceptibles de se produire, entraînant une fluctuation de la température du bain de fusion, ce qui affecte l'uniformité de la structure cristalline et la qualité de la surface du lingot refondu. Si l'arc est trop long, la chaleur n'est pas concentrée, la distribution thermique du bain de fusion est inégale et l'uniformité de la structure cristalline du lingot refondu est affectée, ce qui augmente le risque d'arc de bord. Dans la fusion à l'arc sous vide, le contrôle de la longueur de l'arc est fondamentalement le même. Actuellement, la longueur de l'arc est principalement contrôlée dans une fourchette de 22 à 26 mm, correspondant à une tension de 24 à 26 V. La valeur de δ doit alors être supérieure à 25 mm.

(5) Taux de fusion :

Le nombre de kilogrammes de métal liquide fondus à partir de l'électrode autoconsommatrice et entrant dans le cristallisoir par unité de temps est appelé vitesse de fusion, communément exprimée en kg/min. La vitesse de fusion (V) peut être déterminée par la distance (S, mm/min) que la règle liée au mouvement de haut en bas de l'électrode d'autoconsommation chute par unité de temps. La formule de calcul est la suivante

V= K-S (5-3)

où K est le coefficient du taux de fusion, kg/mm, c'est-à-dire le nombre de kilogrammes d'électrode autoconsommatrice fondus par l'électrode blanche consommatrice pour chaque goutte de 1 mm. La valeur K peut être dérivée de l'équilibre de masse entre le mouvement descendant de l'électrode et le mouvement ascendant du niveau de liquide.

(6) Taux de fuite :

Le taux de fuite E du système de vide fait référence à la quantité d'air qui pénètre dans la chambre à vide depuis l'extérieur par unité de temps, avec une unité de μmHg.L/s. Le taux de fuite a un impact significatif sur la qualité du métal refondu, en particulier pour les alliages difficiles à fondre ou contenant des éléments actifs. Le gaz qui s'échappe dans le système de vide augmente la pression partielle de l'oxygène, de l'azote et de la vapeur d'eau dans la chambre à vide, augmentant ainsi le nombre d'oxydes et de nitrures dans le métal refondu, ce qui entraîne une diminution de la résistance et de la plasticité de l'alliage. Par conséquent, la refusion à l'arc sous vide exige que le taux de fuite de l'équipement soit contrôlé à ≤ 6,67Pa.L/s. Lors de la fusion de métaux difficiles à fondre et de leurs alliages, l'exigence pour E est de 0,400-0,667 Pa.L/s.

(7) Intensité de refroidissement :

L'intensité du refroidissement du cristallisoir affecte le processus de solidification et la structure de coulée du lingot refondu. Dans la production réelle, l'intensité du refroidissement est affectée par des facteurs tels que le débit, la pression, la température d'entrée et de sortie de l'eau de refroidissement, ainsi que le type de lingot, le poids, la nuance d'acier, la structure du cristallisoir et la température de fusion. En raison de la complexité de ces facteurs, le débit de l'eau de refroidissement est souvent ajusté en fonction de l'expérience acquise au cours du fonctionnement, afin que les températures de l'eau d'entrée et de sortie se situent dans la plage requise, tout en maintenant une vitesse de solidification cohérente avec la vitesse de fusion et en préservant la stabilité de la forme de la piscine de métal en fusion.

Les exigences relatives à la température de l'eau de sortie du cristalliseur sont les suivantes : la différence de température entre l'eau d'entrée et l'eau de sortie du cristalliseur inférieur doit être inférieure à 3°C ; la différence de température entre l'eau d'entrée et l'eau de sortie du cristalliseur supérieur ne doit pas être inférieure à 20°C, et la température de l'eau de sortie doit se situer dans une fourchette de 45-50°C.

5.4 Problèmes courants de qualité métallurgique dans la refonte à l'arc sous vide

5.4.1 Macroscopique Défauts de l'acier et alliages

Les défauts macroscopiques courants comprennent principalement la mauvaise qualité de la surface et les fissures des lingots refondus.

(1) Mauvaise qualité de la surface des lingots refondus.

La refonte à l'arc sous vide se caractérise par un fonctionnement sans scories dans un environnement à basse pression. Le métal liquide après la refonte se solidifie rapidement dans le cristalliseur refroidi à l'eau, ce qui peut entraîner des défauts de surface tels que des cicatrices, des inclusions de scories, des marques lourdes et des changements de peau sur le lingot refondu.

(2) Fissures

Des fissures peuvent apparaître sur la billette ou le matériau pendant le travail à chaud ou après sa finition. Selon leurs causes, les fissures peuvent être divisées en fissures superficielles, fissures causées par des trous de retrait et fissures intergranulaires.

5.4.1 Défauts microscopiques de l'acier et des alliages

(1) Porosité

Pendant la solidification, des micropores se forment entre les cristaux dendritiques en raison d'une contraction du volume et d'un supplément insuffisant de métal liquide. Ce défaut peut être surmonté en sélectionnant un système raisonnable d'amorçage de l'arc et en augmentant la puissance d'entrée pendant une courte période (le courant de fusion doit être augmenté de 10-20% par rapport à la normale pour augmenter la température du bain de fusion et faire en sorte que la vitesse de fusion du métal soit supérieure à la vitesse de solidification).

(2) Ségrégation

La ségrégation est fondamentalement causée par le processus de séparation des cristaux sélectionné. Divers facteurs affectant la séparation des cristaux, tels que la composition, le type de lingot, la taille du lingot, la vitesse de fusion, la forme du bassin de fusion, la vitesse de solidification et la taille du champ magnétique, ont tous une incidence sur le développement de la ségrégation.

5.5 Caractéristiques de la refonte à l'arc sous vide

(1) Le processus de fusion se déroule dans un environnement à basse pression, ce qui non seulement élimine la pollution de l'air extérieur pour les alliages, mais réduit également la teneur en gaz et les impuretés nocives à faible point de fusion qui sont susceptibles de se volatiliser dans l'acier et les alliages, améliorant ainsi la pureté de l'alliage.

(2) Les éléments actifs tels que l'aluminium et le titane ne subissent qu'une faible perte de combustion au cours du processus de refonte, et la composition chimique de l'alliage est relativement stable.

(3) La fusion est effectuée dans un environnement sans scories ni matériaux réfractaires, ce qui évite que des inclusions étrangères provenant de ces deux sources ne contaminent l'alliage.

(4) Améliore le type et la répartition des inclusions.

(5) Les conditions de solidification de cette méthode de fusion peuvent garantir la production de lingots refondus de haute qualité avec un faible degré de ségrégation et une densité élevée.

(6) La température élevée de l'arc permet de refondre des métaux et des alliages à point de fusion élevé.

(7) Un système de scellement raisonnable peut minimiser les trous de retrait au sommet du lingot refondu et la structure cristalline de la zone de retrait finale peut être plus proche du corps du lingot, ce qui améliore le rendement.

(8) L'atmosphère pendant la refonte à l'arc sous vide peut être contrôlée.

(9) Par rapport à la refonte à l'arc électrique, la qualité de la surface et la densité des lingots refondus sont moins bonnes, et les trous de retrait ne peuvent pas être complètement éliminés. En raison de la mauvaise qualité de la surface, les lingots refondus doivent généralement être épluchés, ce qui réduit le rendement en métal.

(10) L'élimination du soufre et des inclusions est moins favorable que la refonte à l'arc électrique.

(11) Pour les alliages à haute température, les performances de travail à chaud des lingots refondus produits par refusion à l'arc sous vide sont inférieures.

(12) Il est difficile de contrôler la composition des alliages contenant des éléments facilement volatils tels que le manganèse pendant la refonte à l'arc sous vide. Lors de la refonte du GCrl5, la perte de manganèse dans l'acier peut atteindre 15-18%, et le manganèse évaporé se condense sur la paroi interne du cristallisoir, ce qui entraîne une teneur excessive en manganèse à la surface du lingot refondu. Il doit subir un processus de pelage avant d'être travaillé à chaud.

(13) L'équipement est complexe et les coûts de maintenance sont élevés, ce qui entraîne une augmentation du coût de production des alliages.

5.6 Variétés produites par four à arc sous vide

(1) Métaux réfractaires et actifs et leurs alliages tels que W, Mo, Ta, Nb, Zr, Hf, Ti et U.

(2) Alliages spéciaux : alliages à haute température et alliages de précision.

(3) Acier inoxydable spécial et acier résistant à la chaleur.

(4) Aciers de construction importants, en particulier lingots coulés de grande taille.

(5) Acier à roulement haut de gamme.

(6) Acier rapide de grande section et acier à outils.

(7) Métaux non ferreux de haute pureté et leurs alliages.

6. Fusion par plasma

6.1 Caractéristiques de la fusion par plasma

Le plasma est une puissante source de chaleur à haute température qui est largement utilisée non seulement dans les industries du soudage, du découpage, de la pulvérisation et de la chimie, mais aussi dans l'industrie métallurgique, à savoir la fusion par plasma.

La fusion par plasma utilise un arc de plasma comme source de chaleur, qui peut faire fondre des matériaux métalliques et non métalliques. Elle a été appliquée pour la première fois au domaine de la métallurgie au début des années 1960 et a été principalement utilisée pour affiner les matériaux métalliques et fondre les aciers et alliages de haute pureté et à performances spéciales, en particulier pour la production d'alliages de précision et à haute température.

6.1.1 Génération de plasma et caractéristiques de l'arc plasma

L'arc plasma présente les caractéristiques suivantes :

• Température élevée de l'arc plasma.
• Forte conductivité de l'arc plasma.
• Débit élevé de l'arc plasma.
• Combustion stable de l'arc plasma.

6.1.2 Avantages de la fusion par plasma

Le four de fusion au plasma peut non seulement produire de l'acier allié et des alliages, mais aussi fondre certains métaux réfractaires et métaux actifs tels que W, Mo, Nb, Ta, Zr, Ti, etc. Cet équipement a fait l'objet d'améliorations constantes et d'un développement technologique rapide. Il a une forte vitalité économique car il présente les avantages suivants :

(1) Vitesse de fusion rapide et efficacité thermique élevée.

(2) Élimination adéquate des inclusions gazeuses et non métalliques.

(3) Faible perte d'éléments d'alliage.

(4) Courant et tension de travail stables.

(5) Peut fonctionner sous différentes atmosphères et pressions. Lors de la fusion au plasma, différentes pressions et atmosphères (réductrices ou inertes) peuvent être utilisées dans le four en fonction des différentes exigences du processus.

(6) Peut procéder à l'affinage des scories. Le four à plasma peut non seulement utiliser des matériaux fins pour la fusion, mais aussi des matériaux grossiers, même des matériaux à haute teneur en soufre.

(7) Évite la possibilité d'addition de carbone.

(8) Faible évaporation des éléments. La différence entre la fusion au plasma et les autres méthodes de fusion (telles que la fusion à l'arc sous vide, la fusion par induction sous vide et la fusion par faisceau d'électrons) réside dans le fait que la pression atmosphérique est présente au-dessus de la piscine de fusion, de sorte que la quantité d'évaporation des éléments contenus dans le métal est faible.

(9) Peut azoter le métal.

(10) Équipement simple et réglage facile de la température. Comparé à un four à vide, le four à plasma dispose d'un équipement simple et la température de l'arc est relativement facile à régler.

(11) Large gamme de matériaux de refonte. Par rapport à un four à arc sous vide, le four de refusion à plasma peut non seulement refondre des barres, mais aussi des blocs.

6.2 Fusion par plasma

Selon la méthode de chauffage, la fusion par plasma comprend principalement la fusion par arc plasma, la fusion par induction plasma, la refonte par arc plasma, la fusion par faisceau d'électrons plasma, etc.

(1) La fusion par arc plasma (PAM) utilise la température très élevée et l'atmosphère de gaz inerte d'un arc plasma pour fondre des métaux réfractaires et des éléments actifs dans un creuset réfractaire. Ce procédé présente des taux élevés de récupération des alliages, une décarburation efficace et produit des alliages d'une grande pureté.

(2) La fusion par induction plasma (PIM) est un four qui combine la température ultra-élevée et l'atmosphère de gaz inerte d'un arc plasma avec le chauffage par induction et l'agitation électromagnétique. La MIP peut efficacement désulfurer, décarburer et dégazer les matériaux métalliques, et présente des avantages en matière de contrôle des éléments volatils.

(3) La refonte par arc plasma (PAR) permet de fondre le métal et le laitier à l'aide d'un arc plasma dans une atmosphère de gaz inerte et de les solidifier dans un cristallisoir refroidi à l'eau, ce qui donne de bons résultats métallurgiques.

(4) La refonte par faisceau d'électrons au plasma (PER) utilise un plasma d'argon pour chauffer la cathode de tantale sous faible vide, ce qui provoque l'émission d'électrons thermiques. Ces électrons entrent en collision avec le matériau métallique de l'anode sous l'influence d'un champ électrique, puis se solidifient dans un cristallisoir refroidi à l'eau. Cette méthode permet de fondre efficacement le titane spongieux et d'autres métaux réfractaires.

1 - Pistolet à plasma ; 2 - Trou d'inspection ; 3 - Sortie d'acier ; 4 - Bobine d'induction ; 5 - Creuset ; 6 - Electrode de fond du four ; 7 - Coquille du four ; 8 - Arc à plasma ; 9 - Buse plasma10 - Entonnoir d'alimentation en alliage.

6.2.1 Fusion par induction plasma (PIM)

Le four à induction à plasma est une combinaison d'un four à induction ordinaire et d'un dispositif de chauffage à arc plasma. Grâce à l'ajout d'une source de chaleur plasma dans le four à induction, il est possible d'adopter la fusion du laitier et de créer un laitier actif à haute température, dont la température peut atteindre environ 1850℃, ce qui crée des conditions favorables à la réduction de la teneur en soufre des métaux. Par conséquent, il évite les inconvénients du laitier froid et de l'atmosphère non protégée dans le four à induction ordinaire et améliore considérablement la capacité d'affinage du four à induction.

Les fours à induction à plasma fonctionnent généralement dans des conditions de pression normale et peuvent également fonctionner sous pression négative si le processus l'exige.

Afin d'obtenir des métaux à plus forte teneur en [N], le four à induction plasma peut utiliser le gaz non actif N2 ou N2+Ar comme gaz de travail. En formant un arc plasma à travers un flux d'azote et en réalisant l'alliage en même temps, la teneur en azote du métal augmente. Parfois, afin de décarburer l'acier liquide, certaines usines utilisent également de l'air comme gaz de travail dans le four à induction plasma.

Ce type d'équipement de fusion présente une caractéristique importante : il peut fonctionner avec ou sans laitier. Lorsque le processus de fusion nécessite l'utilisation de la scorie, les tâches de désulfuration, de désoxydation et de décarburation peuvent être effectuées. Lors d'une opération sans scorie, la surface du métal liquide est directement chauffée par un arc plasma à haute température.

Comme le montre la figure 6-1, le four à induction plasma se compose des quatre parties suivantes : le corps du four à induction plasma, l'alimentation du four à induction, le pistolet à plasma et le générateur d'arc plasma.

La fusion par induction au plasma est une méthode de fusion spéciale très compétitive qui est proche ou dépasse le niveau de la fusion par induction sous vide en termes de désulfuration, d'élimination des impuretés non métalliques et de réduction de la teneur en gaz dans l'acier et les alliages.

1 - Pistolet à plasma ; 2 - Couvercle du four ; 3 - Anode auxiliaire ; 4 - Sortie d'acier ; 5 - Bobine d'agitation ; 6 - Revêtement du four ; 7 - Anode refroidie à l'eau ; 8 - Cathode de tungstène ; 9 - Arc plasma ; 10 - Porte du four ; 11 - Métal fondu ; 12 - Scories fondues.

6.2.2 Fusion par arc plasma (PAM)

Le four à arc plasma utilise la température très élevée et l'atmosphère inerte de l'arc plasma pour fondre les métaux réfractaires et les éléments actifs dans un creuset en matériau réfractaire. L'alliage présente un taux de récupération élevé, peut être décarburé efficacement et présente une grande pureté.

La figure 6-2 montre un four à arc plasma, dont l'apparence est similaire à celle d'un four à arc ordinaire et qui est équipé d'un couvercle de four 2, d'une porte de four 10, d'une sortie d'acier 4, d'un dispositif d'agitation électromagnétique 5, d'un pistolet à plasma 1 et d'une anode inférieure 7. Pour éviter la pollution par les gaz, le four à arc plasma peut également être scellé.

Les canons sont composés de buses en cuivre refroidies à l'eau et de cathodes en cérium tungstène (ou thorium tungstène) refroidies à l'eau. La buse est isolée de la cathode en cérium tungstène et laisse passer l'argon. Le gaz argon s'écoule dans le four depuis la partie supérieure du canon à travers le manchon du canon et s'ionise en plasma. Le corps du four est constitué de matériaux réfractaires et, dans la partie centrale du fond du four, se trouve une tige de graphite (ou une tige d'acier-cuivre refroidie à l'eau) enterrée en tant qu'anode inférieure. Lorsqu'elle est alimentée, l'anode inférieure est connectée au pôle positif de l'alimentation en courant continu.

En raison de la température élevée et de la chaleur concentrée de l'arc à plasma, ainsi que du faible mélange causé par ce type d'arc, le métal dans le bassin de fusion peut surchauffer et il arrive que des morceaux non fondus se retrouvent au fond du four. Afin de garantir une agitation suffisante du métal pendant le processus de fusion et d'uniformiser la température et la composition chimique du bain de fusion, deux bobines de cuivre refroidies à l'eau sont installées sur la couche extérieure du matériau réfractaire au fond du four. Un courant de travail les traverse pour générer un champ magnétique et remuer le métal en fusion.

1 - Pistolet à plasma ; 2 - Anneau d'étanchéité ; 3 - Tige d'alimentation ; 4 - Bassin de métal en fusion ; 5 - Lingot ; 6 - Système de retrait ; 7 - Système de vide ; 8 - Chambre du four ; 9 - Alimentation électrique ; 10 - Cristallisoir.

Pour les fours à arc plasma non scellés, une certaine quantité de laitier doit être produite pour couvrir la surface du métal en fusion afin d'empêcher l'oxydation et l'absorption. S'il y a une tâche de désulfuration, il est possible de produire du laitier de four alcalin, et l'opération de remplacement du laitier peut également être utilisée pour atteindre la teneur en soufre requise.

L'effet d'affinage démontré par le four à arc plasma est très important et il peut être utilisé pour fondre divers types d'acier et d'alliages, tels que l'acier à outils à haute vitesse, l'acier résistant à la chaleur, l'acier à roulements, l'acier inoxydable à très faible teneur en carbone, les alliages de précision et les alliages à haute température.

Outre la fusion de l'acier allié, le four à arc plasma peut également être utilisé pour fondre les ferro-alliages. Au cours du processus de fabrication de l'acier, lorsque la ferraille est fondue, le rayonnement de la piscine de métal vers la paroi du four est accru, ce qui accélère l'endommagement des matériaux réfractaires du revêtement du four. Afin de prolonger la durée de vie du revêtement du four, certains fours à arc électrique ne sont utilisés que comme équipement de fusion, et les tâches d'affinage de l'acier liquide sont effectuées dans la poche de coulée.

Afin de chauffer l'acier liquide dans la poche de coulée, le principe de fonctionnement du four à arc plasma a été utilisé et l'équipement de chauffage de la poche de coulée à plasma a été développé. Par exemple, le dispositif de chauffage secondaire de la poche de coulée à plasma de 220 tonnes construit aujourd'hui aux États-Unis, le four de chauffage de la poche de coulée à plasma de 150 tonnes de Krupp Steel Works en Allemagne et le pistolet à plasma à courant alternatif d'une intensité de 12 kA installé sur ce four à poche de coulée.

6.2.3 Refonte à l'arc plasma (PAR).

La méthode de refonte par arc plasma est une méthode de fusion spéciale qui utilise un arc plasma pour fondre les métaux dans une atmosphère inerte ou contrôlée. Elle peut également être considérée comme un processus de refonte des métaux. Au cours du processus de refonte, les gouttelettes de métal en fusion traversent la couche de scories et se solidifient dans le cristallisoir. Comme la refonte à l'arc à électrode consommable sous vide et la refonte sous laitier électrolytique, elle fond et se solidifie en même temps, c'est-à-dire que la fusion et la coulée du métal sont effectuées simultanément. Le matériau métallique refondu peut être soit un matériau en barres, soit un matériau en blocs. Lors de l'utilisation de barres, l'arc de plasma frappe directement la barre pour la faire fondre.

En fonction de la taille du lingot, la refusion au plasma peut être effectuée avec un seul ou plusieurs pistolets. Dans le cas d'une opération à un seul canon, le canon à plasma est installé verticalement au centre de la chambre du four et la tige d'alimentation s'étend dans la chambre du four à partir de l'orifice de chargement du matériau sur le côté du corps du four (comme illustré à la figure 6-3). Dans le cas d'un fonctionnement à plusieurs pistolets, la tige d'alimentation s'étend dans le four directement au-dessus de celui-ci, et plusieurs pistolets à plasma (4 à 6) sont disposés autour de la tige d'alimentation et inclinés à partir de la paroi latérale du four.

Lors de la refonte de matériaux en blocs, afin de faire fondre rapidement et complètement la charge, celle-ci doit être ajoutée au centre du bassin de fusion par l'intermédiaire d'un entonnoir. La coquille du four de refonte à arc plasma adopte généralement une structure à double couche en acier inoxydable, avec un refroidissement à l'eau au milieu. Le cristalliseur est placé au centre du fond de la chambre du four, une extrémité de l'alimentation électrique est connectée à l'électrode du canon à plasma et l'autre extrémité est connectée au bassin de fusion par l'intermédiaire du lingot de métal solidifié.

Avant la refonte, le four est mis sous vide et le gaz Ar est utilisé comme gaz de travail pour le canon à plasma. Pendant le fonctionnement, le gaz est introduit dans la chambre du four tandis que le gaz à l'intérieur du four est pompé, et la pression à l'intérieur du four est maintenue à un certain niveau.

Par rapport aux fours à arc plasma et aux fours à induction plasma, la refonte par plasma se distingue par le fait qu'elle utilise des cristallisoirs refroidis à l'eau pour fondre et solidifier simultanément le métal. En raison de la température élevée de l'arc plasma, un bassin de laitier peut se former à la surface du métal en fusion et une fine couche de laitier peut se former à la surface du lingot, ce qui permet d'obtenir une bonne structure de coulée. Pendant le processus de refonte, le métal est protégé contre les gaz Ar, de sorte que les fluctuations de la composition chimique du métal sont faibles et que la teneur en gaz et en inclusions non métalliques est faible. La quantité totale d'inclusions et la teneur en oxygène de l'acier refondu au plasma sont inférieures à celles de l'acier refondu par faisceau d'électrons.

Actuellement, cette méthode de fusion peut être utilisée pour fondre l'acier pour roulements, l'acier de construction allié, l'acier résistant à la corrosion, l'acier allié contenant de l'azote, les métaux réfractaires et leurs alliages, l'acier sous pression à haute température, les alliages de précision et les métaux actifs.

7. Refonte dans un four à faisceau d'électrons

7.1 Vue d'ensemble

La fusion par faisceau d'électrons (EBM) est une méthode métallurgique qui utilise la densité énergétique élevée d'un faisceau d'électrons pour faire fondre les métaux en les bombardant de chaleur. Cette technologie a été appliquée dans divers domaines, principalement pour la fusion, la purification et le recyclage des métaux rares, des métaux précieux et des métaux réfractaires. Elle peut également être utilisée pour produire des matériaux semi-conducteurs et des monocristaux de métaux réfractaires et de leurs alliages.

La refonte par faisceau d'électrons (EBR) est un procédé d'affinage qui utilise un faisceau d'électrons à grande vitesse émis par un canon à électrons comme source de chaleur pour affiner les matériaux métalliques dans des conditions de vide poussé. L'énergie cinétique du faisceau d'électrons est convertie en énergie thermique, qui fait fondre et purifie le métal. Le métal fondu est ensuite refroidi dans un cristallisoir refroidi à l'eau pour former des gouttelettes solidifiées.

L'EBM étant réalisé dans des conditions de vide poussé, la température de surchauffe est élevée et le temps de maintien à l'état liquide est long, ce qui permet de purifier et d'affiner efficacement le métal. Ce procédé permet d'éliminer les impuretés telles que le dégazage, la désoxydation et les impuretés métalliques volatiles. Au cours du processus de coulée des lingots, les impuretés flottent vers le haut et se rassemblent au sommet du lingot, tandis que les métaux à point de fusion élevé se concentrent à la surface. En retirant la partie supérieure du lingot et en affinant la couche externe, il est possible d'obtenir un lingot de métal de haute pureté. Le schéma d'un four de fusion à faisceau d'électrons est présenté à la figure 7-1.

1 - Pompe à diffusion d'huile ; 2 - Pompe mécanique ; 3 - Pompe Roots ; 4 - Plancher de l'usine ; 5 - Plate-forme d'exploitation ; 6 - Soupape de chargement ; 7 - Mécanisme de poussée de la tige de chargement ; 8 - Tige de chargement ; 9 - Système de déviation du faisceau d'électrons ; 10 - Pistolet à électrons ; 11 - Interface à vide du pistolet à électrons ; 12 - Faisceau d'électrons ; 13 - Chambre de fusion ; 14 - Cristallisoir ; 15 - Base de la lingotière refroidie à l'eau ; 16 - Chariot à lingots ; 17 - Mécanisme de remorquage ; 18 - Châssis du mécanisme de remorquage ;

Le processus de refonte par faisceau d'électrons a commencé par la fusion de métaux réfractaires tels que le tantale, le niobium, le hafnium, le tungstène et le molybdène, mais il s'est maintenant étendu à la production de matériaux semi-conducteurs, d'alliages magnétiques à haute performance et de certains aciers spéciaux tels que l'acier pour roulements, l'acier inoxydable résistant à la corrosion et le fer pur à très faible teneur en carbone. En outre, le four de refonte à faisceau d'électrons peut également être utilisé pour fondre certains alliages résistants à la chaleur, notamment ceux qui contiennent du tungstène et du molybdène avec du niobium ou du tantale comme composant principal. Selon certaines informations, l'ex-Union soviétique utilisait également des fours à faisceau d'électrons pour fondre le cuivre et le nickel. Outre la fusion de matériaux métalliques tels que l'acier et les alliages, la fusion par faisceau d'électrons peut également être utilisée pour fondre des céramiques et du verre aux propriétés différentes.

Les caractéristiques de la technologie de fusion par faisceau d'électrons peuvent être résumées comme suit :

(1) La fusion par faisceau d'électrons étant réalisée sous vide, l'état de fusion du matériau peut être contrôlé à tout moment, ce qui permet d'obtenir des matériaux réfractaires d'une grande pureté.

(2) La densité énergétique élevée du faisceau d'électrons permet d'ajuster facilement la densité énergétique de la surface du bain de fusion en contrôlant la convergence et la divergence du faisceau, ce qui permet de fondre les métaux réfractaires.

(3) Le contrôle de l'automatisation est facile à réaliser, ce qui le rend sûr et fiable, en particulier grâce à l'application des technologies informatiques, électroniques et d'automatisation modernes. Il est ainsi plus facile d'extraire et d'obtenir des matériaux de grande pureté à partir de matériaux réfractaires.

(4) La composition chimique du matériau fondu peut être contrôlée avec précision, ce qui permet de produire des métaux réfractaires rares et des matériaux métalliques de haute pureté répondant à des exigences de performance spécifiques.

Toutefois, cette méthode de refonte présente certains inconvénients, tels qu'une faible productivité, une structure d'équipement complexe, l'utilisation d'une alimentation en courant continu à haute tension et des coûts d'investissement élevés pour l'équipement. Par conséquent, cette méthode de fusion a du mal à devenir la principale méthode de fusion spéciale. Du point de vue des coûts de production, la refonte par faisceau d'électrons est la plus élevée. Si le coût de production d'un acier spécial à l'aide de méthodes de fusion ordinaires est considéré comme égal à 1, les coûts des autres méthodes de fusion pour la même capacité et le même type d'acier sont les suivants : 1,75 pour la refonte au four à arc électrique, 2,03 pour la refonte à l'arc plasma, 2,4 pour la refonte à l'arc sous vide et 2,72 pour la refonte au faisceau d'électrons.

7.2 Principes de base de la refonte par faisceau d'électrons

Le principe de fonctionnement de la refusion par faisceau d'électrons est similaire à celui d'une diode à vide, où la cathode et l'anode sont placées dans une chambre à vide et connectées respectivement aux pôles négatif et positif d'une alimentation en courant continu. Lorsque la cathode est chauffée par une autre source d'énergie, la température augmente et certains électrons libres dans le matériau de la cathode sont excités et émis sous l'effet de la chaleur.

Si la cathode et l'anode sont ensuite connectées à une alimentation en courant continu d'une certaine tension, les électrons excités sont soumis à un champ électrique d'une certaine intensité et sont accélérés et dirigés vers l'anode. Dans le four de refonte à faisceau d'électrons, des électrons en mouvement rapide bombardent le matériau métallique de l'anode et l'énergie cinétique des électrons est convertie en énergie thermique sur l'anode, ce qui la chauffe et la fait fondre. Le principe du processus de refonte par faisceau d'électrons est illustré à la figure 7-2.

7.3 Principaux équipements du four de refonte à faisceau d'électrons

Le four de refusion à faisceau d'électrons se compose de trois parties principales : le corps du four, le système de vide et le système électrique. Le schéma de l'équipement de fusion est illustré à la figure 7-3.

1. Système de génération de faisceaux d'électrons ; 2. soupape à vide ; 3. système à vide ; 4. système de focalisation et de déviation ; 5. chambre de travail ; 6. pièce à usiner ; 7. alimentation électrique à haute tension ; 8. alimentation électrique de la lentille magnétique ; 9. alimentation électrique de la bobine de déviation ; 10. système de contrôle.

Cette section présente les principales parties du corps du four, en mettant l'accent sur le canon à électrons. Il y a également la chambre à vide, le cristallisoir et le mécanisme d'alimentation et de traction.

7.3.1 Pistolet à électrons

Le canon à électrons est un élément clé pour générer le faisceau d'électrons dans le four de refonte par faisceau d'électrons. Il se présente sous différentes formes structurelles, telles que le canon axial, le canon transversal et le canon annulaire. Actuellement, le canon axial est plus largement utilisé.

La forme extérieure du canon axial ressemble à un cylindre, et sa structure interne est illustrée à la figure 7-4. Le schéma de principe et le modèle de simulation tridimensionnelle du canon à électrons sont présentés respectivement dans les figures 7-5 et 7-6. Le faisceau d'électrons est émis par la cathode du bloc, accéléré par l'anode, focalisé par la bobine de focalisation et dirigé vers le métal chauffé à une vitesse très élevée sous le contrôle de la bobine de déviation, ce qui fait fondre le métal.

Le canon à électrons est composé d'un élément d'émission du faisceau d'électrons, d'une cathode de formation du faisceau, d'une anode d'accélération, d'un collecteur d'ions, d'un système de focalisation du faisceau d'électrons et d'un système de déviation du faisceau d'électrons. L'élément d'émission du faisceau d'électrons se compose d'une cathode chauffante 3 et d'une cathode émettrice 4.

La cathode chauffante est constituée d'un fil de tungstène enroulé en forme de double spirale. Lorsque 40-50A (tension 5V) de courant alternatif passe à travers le fil de tungstène, il peut être chauffé à environ 2800℃. La tension entre la cathode chauffante et la cathode émettrice est de 1500 V DC, dans laquelle des électrons thermiques sont émis par le fil de tungstène et frappent la cathode émettrice sous le champ électrique.

1. Pot en céramique isolante ; 2. Orifice de pompage à vide ; 3. Filament ; 4. Cathode de blocage ; 5. Anode d'accélération ; 6. Entrée/sortie d'eau de refroidissement ; 7,9. Bobine de focalisation;8. Faisceau d'électrons ; 10. tube de guidage ; 11. bobine de déviation.

1. Alimentation du chauffage du filament ; 2. filament ; 3. alimentation de la bobine de déviation ; 4. alimentation de la tension d'accélération ; 5. alimentation de la bobine de focalisation;6. faisceau d'électrons ; 7. bobine de focalisation ; 8. anode (masse) ; 9. cathode. Faisceau d'électrons ; 7. bobine de focalisation ; 8. anode (masse) ; 9. cathode.

1. Porte-plomb ; 2. système de génération de faisceau d'électrons ; 3. connecteur en T ; 4,5. Première et deuxième lentilles magnétiques ; 6. soupape à vide ; 7. système de déviation magnétique.

7.3.2 Cristallisoirs

Le cristallisoir du four à faisceau d'électrons est similaire à celui du four à arc sous vide, mais il est en cuivre violet et refroidi à l'eau. Le fond du cristallisoir est de deux types : fixe et mobile (utilisé pour tirer les lingots). En outre, la section transversale de la cavité intérieure du cristallisoir peut prendre la forme d'un cercle, d'un anneau ou d'un rectangle en fonction des différentes exigences du produit métallique.

7.3.3 Dispositif d'alimentation

Le four à faisceau d'électrons est un type d'équipement qui fond et se solidifie en même temps. Lorsque la barre de métal est fondue en continu, la barre non fondue doit être poussée immédiatement dans la zone de bombardement du faisceau d'électrons. Le mécanisme d'alimentation est principalement actionné par une transmission mécanique. Il existe deux types de dispositifs d'alimentation : longitudinal et transversal, ainsi qu'un type transversal avec alimentation alternée des deux côtés.

7.3.4 Mécanisme de traction

Pour les cristallisoirs à fond mobile, un mécanisme de traction doit être installé. En effet, lorsque le métal dans le cristalliseur continue à se solidifier, le lingot de métal déjà solidifié doit être continuellement tiré vers le bas pour maintenir une certaine hauteur du bassin de fusion. Le mécanisme de traction du four à faisceau d'électrons peut adopter soit une transmission mécanique, soit un système d'entraînement. transmission hydraulique.

7.4 Le procédé de refonte par faisceau d'électrons et ses caractéristiques métallurgiques

7.4.1 Procédé de refonte par faisceau d'électrons

(1) Avant de démarrer le four, il est nécessaire d'inspecter soigneusement toutes les parties du four afin d'éviter les accidents ou la maintenance à chaud causés par des dangers cachés dans l'équipement. D'autre part, les matériaux du four à refondre doivent être préparés.

(2) Avant la fusion, installez le cristallisoir et le matériau de la tige, puis scellez le four et évacuez. Lorsque le degré de vide dans le four atteint (1~3)×10mmHg (0,00133~0,00399Pa), commencez à chauffer la cathode et à la refroidir avec de l'eau en même temps.

(3) La puissance ne doit pas être trop élevée au début. Augmentez progressivement la puissance lorsqu'il y a une certaine quantité de métal liquide dans le cristallisoir et que la piscine de métal a une certaine profondeur, atteignant ainsi le taux de fusion normal.

(4) Au cours du processus de refonte, il convient de veiller tout particulièrement à ce que le faisceau d'électrons ne heurte pas la paroi du cristallisoir et ne l'endommage pas, ce qui provoquerait des accidents. Au cours du processus de refonte, le moment du tirage doit être déterminé en fonction du niveau de liquide de la piscine de métal, tout en veillant à la coordination entre la vitesse de tirage et le taux de fusion du métal.

7.4.2 Caractéristiques métallurgiques de la refonte par faisceau d'électrons

La méthode de refonte par faisceau d'électrons est une méthode de fusion qui purifie et affine l'acier ou les alliages sous vide poussé et à haute température. Par rapport à d'autres méthodes de fusion spéciales pour l'acier et les alliages, elle présente les caractéristiques suivantes :

(1) La refusion par faisceau d'électrons est réalisée dans des conditions de vide très élevé (jusqu'à ~0,00133Pa). Le degré de vide est beaucoup plus élevé que dans les fours à induction sous vide et les fours à arc sous vide. Par conséquent, il est beaucoup plus complet et approfondi dans l'élimination des gaz, des inclusions non métalliques et de certains éléments nocifs des métaux, et le taux de réaction de purification et d'affinage est plus élevé que dans d'autres fours sous vide.

(2) Au cours du processus de refonte, il est possible de régler séparément la puissance de fusion des matériaux du four et la puissance de chauffage du bassin de fusion. Par conséquent, lorsque le taux de fusion change, la température requise du bassin de fusion peut toujours être maintenue.

(3) Le faisceau d'électrons émis sur l'anode ayant une énergie très élevée, le bain de fusion du métal peut atteindre une température très élevée (la température de surface du bain de fusion peut atteindre 1850℃). Ceci est non seulement propice à la réaction de purification pendant le processus de refonte, mais également applicable à la fusion de métaux à point de fusion élevé tels que le tantale, le niobium, le tungstène et le molybdène.

(4) La contrôlabilité du faisceau d'électrons est bonne, de sorte que la position de chauffage du bain de fusion peut être contrôlée en contrôlant le faisceau d'électrons, assurant ainsi une distribution uniforme de la température du bain de fusion. Cela permet d'obtenir des lingots de métal avec une qualité de surface et une structure cristalline excellentes.

(5) Le four à faisceau d'électrons peut non seulement fondre des matériaux en barres, mais aussi être conçu pour fondre des matériaux métalliques en blocs, en copeaux ou en poudre.

7.5 Effet de la refonte par faisceau d'électrons

Les matériaux refondus par faisceau d'électrons sont de haute qualité et peuvent réduire la teneur en éléments à bas point de fusion et facilement évaporables à un niveau très bas. Il peut être utilisé pour la fusion et la purification des métaux suivants : production de lingots de titane et de nickel pour le traitement à froid avec une surface lisse et une plasticité suffisante ; production de lingots de tungstène et de molybdène de la plus haute pureté ; comparé au plomb fondu par four à arc sous vide, le plomb refondu a une plus grande pureté, qui peut être utilisée pour les composants de contrôle des réacteurs nucléaires sous-marins ; les lingots de vanadium raffinés peuvent être utilisés pour la fabrication de pièces de réacteurs nucléaires sous-marins.

Le principal avantage de la fusion par faisceau d'électrons pour l'acier est qu'elle réduit considérablement les impuretés métalliques et non métalliques et les éléments d'impureté. La fusion en flux continu ou l'affinage en lit froid des aciers spéciaux et des alliages super résistants à la chaleur permet de réduire considérablement les coûts de production.

7.5.1 Élimination des gaz et des inclusions dans les métaux

La principale caractéristique de la fusion par faisceau d'électrons est qu'elle permet de maintenir un vide poussé, une température élevée et un métal liquide pendant une longue période. Elle est donc très utile pour éliminer les gaz, les éléments impurs et leurs oxydes de faible valeur. Des expériences menées sur différents matériaux ont également montré que le matériau obtenu après refonte par faisceau d'électrons présente la plus grande pureté, ce qui permet d'améliorer et de renforcer considérablement les performances des métaux. La méthode de refonte par faisceau d'électrons a une bonne capacité de dégazage non seulement pour les alliages, mais aussi pour les métaux purs. Pour certains métaux spéciaux, il est possible d'obtenir une pureté encore plus élevée en recourant à plusieurs méthodes de refonte.

La teneur en gaz du métal après refonte est liée au nombre de refusions et à la durée de chaque refonte. Plus la durée de refusion est longue, plus la teneur en oxygène et en azote du métal est faible. Toutefois, l'allongement de la durée de refonte implique une réduction du taux de fusion, ce qui diminue le taux de production et augmente les coûts de production, de sorte qu'il convient d'examiner cette question de manière approfondie.

La méthode de refonte par faisceau d'électrons est également idéale pour éliminer les inclusions non métalliques des métaux.

7.5.2 Amélioration des propriétés des métaux

Grâce à la capacité de la refonte par faisceau d'électrons à réduire considérablement la teneur en gaz et en inclusions dans les métaux et à améliorer les conditions de solidification, les propriétés des métaux refondus sont nettement améliorées. Selon les rapports, après la refonte par faisceau d'électrons, la teneur en azote, en hydrogène et en oxygène dans les alliages résistants à la chaleur est réduite de 60-70%, 40-50% et 70-80%, respectivement, et les performances de l'alliage sont considérablement améliorées. Lors de la refonte de l'acier de construction par faisceau d'électrons, par rapport aux méthodes de fusion ordinaires, l'allongement du matériau a augmenté de 35%, le retrait transversal a augmenté de 65% et le coefficient isotrope est passé de 0,6 à 0,9.

8. Comparaison et sélection des procédés de fusion

8.1 Processus typique de fusion des alliages à dilatation

L'alliage à expansion désigne un type d'alliage qui est scellé avec des matériaux en verre ou en céramique. Il existe 29 qualités et diverses spécifications de ce type d'alliage en Chine. Les principaux alliages pour le scellement avec du verre sont 4J29, 4J49, 4J52, 4J54 et 4J6, tandis que les principaux alliages pour le scellement avec de la céramique sont 4J33 et 4J34.

Parmi eux, 4J29 appartient à un alliage à expansion fixe, qui a un certain coefficient d'expansion linéaire dans la gamme de -60℃ à +400℃. Il est utilisé pour faire correspondre et sceller le verre dur, et est largement utilisé comme matériau structurel d'étanchéité dans l'industrie du vide électrique. Son utilisation est relativement importante, la demande intérieure atteignant des centaines de tonnes par an, et la principale méthode d'approvisionnement des produits étant les bandes.

4J36 est un alliage à faible dilatation, qui a un coefficient de dilatation très faible dans la gamme de 0℃ à +100℃ et -60℃ à +100℃. Il est utilisé pour fabriquer des composants dont les dimensions sont approximativement constantes dans la plage des changements de température, et il est largement utilisé dans des industries telles que la radio, les instruments de précision, l'instrumentation, et d'autres.

8.1.1 Normes applicables aux alliages de dilatation

Les exigences en matière de composition et les indicateurs correspondants pour certaines qualités d'alliages de dilatation sont indiqués dans les tableaux 8-1, 8-2, 8-3 et 8-4.

Tableau 8-1 Exigences relatives à la composition des alliages de dilatation

Tableau 8-2 Composition requise pour l'alliage 4J36

Tableau 8-3 Relation entre la perméabilité et la température de l'alliage 4J36

Tableau 8-4 Propriétés mécaniques de l'alliage 4J36 à température ambiante

8.1.2 Affinage de l'alliage de dilatation 4J36

L'alliage de dilatation se présente principalement sous la forme de fils, de bandes, de tubes et de barres rondes. La forme la plus utilisée est la bande, et les principaux équipements utilisés dans la production comprennent les fours électriques, les marteaux de forgeage (3-5 tonnes), les laminoirs, les fours de recuit, les machines à redresser, les machines à rectifier, soudage à l'arc sous argonLaminoirs à froid, laminoirs à quatre cylindres (multi-cylindres), fours de recuit en continu, équipements de traitement de surface, etc.

8.2 Procédés typiques de fusion des alliages magnétiques doux

Depuis la découverte initiale des alliages fer-nickel au XIXe siècle jusqu'aux séries d'études expérimentales ultérieures au XXe siècle, en passant par l'utilisation de l'affinage sous vide, les propriétés des alliages ont été grandement améliorées. Avec l'approfondissement de la recherche et les besoins des applications pratiques, d'autres éléments tels que le molybdène, le cuivre et le chrome ont été ajoutés aux systèmes binaires, créant ainsi une série de matériaux tels que le célèbre alliage super-Invar, l'alliage cuivre-permalloy avec une perméabilité initiale plus élevée, et l'alliage chrome-nickel-fer avec une résistivité électrique plus élevée. Deux paramètres fondamentaux sont : la constante d'anisotropie cristalline magnétique K et la constante de magnétostriction λ, qui déterminent le processus technique d'aimantation et les propriétés magnétiques de l'alliage.

Alliages magnétiques doux fer-nickel. Les caractéristiques de ces alliages sont principalement les suivantes : perméabilité élevée et force coercitive très faible dans des champs magnétiques faibles (ou moyens) ; bonnes performances de traitement, possibilité de fabriquer des dispositifs de forme complexe ; bonne résistance à la rouille ; certains matériaux présentent des propriétés magnétiques particulières après un traitement spécifique, telles que des boucles d'hystérésis rectangulaires, un magnétisme résiduel très faible ou une perméabilité constante dans une gamme considérable de champs magnétiques.

8.2.1 Composition chimique des alliages concernés

Le tableau 8-5 présente les exigences en matière de composition chimique de certains alliages magnétiques doux typiques.

Tableau 8-5 Composition chimique (%) des alliages magnétiques doux

8.2.2 Caractéristiques de performance de l'alliage magnétique doux 1J86

L'alliage 1J86 contient principalement 81% de nickel et 6% de molybdène. Cet alliage présente un μi plus élevé et un Hc plus faible que les alliages 1J77 et 1J85, et sa valeur μm est proche de ces derniers. Comme l'alliage contient du molybdène 6%, la résistivité est plus élevée, ce qui améliore les performances magnétiques à des fréquences plus élevées. Afin d'obtenir des propriétés magnétiques statiques plus élevées, aucun silicium ni manganèse n'est ajouté à l'alliage, car leur influence sur les propriétés magnétiques est moins importante que celle du nickel et du molybdène. L'ajout de manganèse 1% et d'une petite quantité de silicium à l'alliage a pour but d'améliorer la stabilité de la température et l'aptitude au travail à chaud de l'alliage.

8.3 Procédé de fusion d'alliages à haute température

8.3.1 Composition chimique des alliages concernés

Le tableau 8-6 indique la composition chimique requise de certains alliages typiques pour les hautes températures.

8.3.2 Procédé de fusion d'alliages à haute température

Afin de garantir que les alliages haute température possèdent les propriétés requises de résistance aux températures élevées et à la corrosion, l'alliage doit avoir une certaine composition chimique, une certaine pureté et une microstructure appropriée, et la composition et la pureté de l'alliage dépendent de la technologie de fusion. La composition et la pureté de l'alliage dépendent de la technologie de fusion. Par conséquent, le processus de fusion est un maillon essentiel du processus de production des alliages à haute température.

En raison du degré élevé d'alliage, les alliages à haute température contiennent une grande quantité d'éléments lourds tels que le tungstène, le molybdène, le niobium, le chrome, ainsi que des éléments facilement oxydables tels que l'aluminium, le titane et le bore. Ces caractéristiques font que les alliages à haute température doivent répondre à des exigences strictes en matière de processus de fusion et qu'ils sont généralement fondus sous vide. Actuellement, la plupart des alliages sont fondus dans des fours à induction sous vide ou des fours à induction atmosphériques, puis sont soumis à un four consommable sous vide ou à une refonte sous laitier électrolytique pour améliorer leur pureté et obtenir une bonne microstructure et de bonnes propriétés.

Les équipements nationaux et étrangers pour la fusion d'alliages à haute température comprennent des fours à arc, des fours à induction, des fours à induction sous vide, des fours à arc sous vide et des fours à laitier électrolytique. Il existe également des fours à faisceau d'électrons et des fours à plasma.

Au cours des nombreuses années de production en Chine, l'exploration et le développement continus ont conduit à diverses combinaisons de méthodes de fusion, depuis la fusion initiale dans un four à arc jusqu'au processus de fusion actuel, comme le montre le tableau 8-7.

Tableau 8-7 Procédé de fusion d'alliages à haute température typiques à base de Ni et de Fe

8.3.3 Sélection des procédés métallurgiques

Pour la fusion spéciale, il existe de nombreuses options courantes pour les schémas de flux de processus. On peut utiliser une seule méthode de fusion pour fondre directement, ou adopter un processus double ou triple. Le schéma de processus approprié doit être sélectionné en fonction de la variété et de la qualité de la fusion. Les avantages et les inconvénients des différentes méthodes de fusion doivent être examinés de manière approfondie sous des aspects tels que la consommation d'énergie, l'investissement dans les équipements, les indicateurs techniques et économiques et la qualité de la fusion.

Tableau 8-8 Flux des procédés de fusion spéciaux courants