Qu'est-ce que la fusion par induction sous vide ?

La fusion sous vide est une technique de fusion des métaux et des alliages réalisée dans un environnement sous vide.

Cette technologie permet de protéger les métaux rares de la contamination atmosphérique et des matériaux réfractaires, et assure leur purification. La fusion sous vide permet d'obtenir des métaux et alliages de haute qualité, à faible teneur en gaz, avec peu d'inclusions et une faible ségrégation. Cette méthode est essentielle pour l'obtention de matériaux métalliques de haute pureté et de haute qualité, et particulièrement adaptée aux alliages ou métaux difficiles à fondre et exigeant une pureté extrême. Parmi les méthodes de fusion sous vide, on peut citer la fusion par faisceau d'électrons, la fusion par induction sous vide, la fusion au four à arc sous vide et la fusion au four plasma. Par exemple, la fusion par faisceau d'électrons utilise des faisceaux d'électrons de haute énergie pour bombarder les matériaux en fusion, les convertissant rapidement en énergie thermique et les faisant fondre. Cette méthode est adaptée à la fusion d'alliages ou de métaux difficiles à fondre et exigeant une pureté extrême.

De plus, la fusion sous vide contribue également à améliorer la ténacité, la résistance à la fatigue, la résistance à la corrosion, la résistance au fluage à haute température et la perméabilité magnétique des matériaux métalliques.

La fusion par induction sous vide est un procédé qui utilise l'induction électromagnétique pour générer des courants de Foucault dans des conducteurs métalliques sous vide, afin de chauffer le matériau du four. Ce procédé se caractérise par un faible volume de chambre de fusion, des temps de mise sous vide et de fusion courts, un contrôle aisé de la température et de la pression, la possibilité de recycler les éléments volatils et un contrôle précis de la composition de l'alliage. Grâce à ces atouts, il est devenu un équipement essentiel pour la production d'alliages spéciaux tels que les aciers spéciaux, les alliages de précision, les alliages pour chauffage électrique, les alliages haute température et les alliages résistants à la corrosion.

1. Qu'est-ce que le vide ?

Dans un récipient fermé, la diminution du nombre de molécules de gaz entraîne une diminution de la pression exercée par ces molécules sur une unité de surface. La pression à l'intérieur du récipient est alors inférieure à la pression atmosphérique normale. Cet espace gazeux où la pression est inférieure à la pression atmosphérique normale est appelé vide.

2. Quel est le principe de fonctionnement d'un four à induction sous vide ?

La principale méthode consiste à appliquer l'induction électromagnétique pour générer un courant dans la charge métallique elle-même, puis à s'appuyer sur la résistance de la charge métallique elle-même pour convertir l'énergie électrique en énergie thermique selon la loi de Joule-Lenz, qui est utilisée pour la fusion des métaux.

3. Comment se forme l'agitation électromagnétique dans un four à induction sous vide ?

Le métal en fusion dans le creuset génère une force électrique dans le champ magnétique créé par la bobine d'induction. En raison de l'effet de peau, les courants de Foucault induits par le métal en fusion sont de sens opposé à celui du courant traversant la bobine d'induction, ce qui provoque une répulsion mutuelle. Cette force de répulsion s'exerce sur le métal en fusion, toujours dirigée vers l'axe du creuset, et le repousse vers le centre de celui-ci. La bobine d'induction étant courte, l'intensité du champ électrique y est moindre, avec une force réduite à ses extrémités. Cette force est plus faible aux extrémités et plus forte au centre. Sous l'effet de cette force, le métal liquide se déplace d'abord du centre vers l'axe du creuset, puis effectue des mouvements ascendants et descendants vers le centre. Ce phénomène se répète, engendrant un mouvement tourbillonnaire intense du métal liquide. Lors de la fusion proprement dite, le phénomène de gonflement et de basculement du métal liquide vers le haut et vers le bas au centre du creuset peut être éliminé, ce que l'on appelle l'agitation électromagnétique.

4. Quelle est la fonction de l'agitation électromagnétique ?

① Il peut accélérer les réactions physiques et chimiques lors de la fusion ; ② Il homogénéise la composition du métal en fusion ; ③ La température du métal en fusion dans le creuset tend à se stabiliser, assurant ainsi la complétion de la réaction de fusion ; ④ L’agitation permet de vaincre la pression statique, en faisant remonter à la surface les bulles d’air dissoutes au fond du creuset, facilitant ainsi l’évacuation des gaz et réduisant la teneur en inclusions gazeuses de l’alliage. ⑒ Une agitation intense accentue l’érosion mécanique du métal en fusion sur le creuset, réduisant sa durée de vie ; ⑥ Il accélère la décomposition des matériaux réfractaires dans les creusets à haute température, entraînant une recontamination de l’alliage en fusion.

5. Qu'est-ce que le degré de vide ?

Le degré de vide représente la raréfaction d'un gaz en dessous d'une pression atmosphérique, généralement exprimée en pression.

6. Quel est le taux de fuite ?

Le taux de fuite désigne la quantité d'augmentation de pression par unité de temps après la fermeture de l'équipement sous vide.

7. Quel est l'effet sur la peau ?

L'effet de peau désigne le phénomène de répartition inégale du courant à la surface d'un conducteur (par exemple, la charge d'un four de fusion) lorsqu'un courant alternatif le traverse. Plus la densité de courant est élevée en surface, plus elle est faible au centre du conducteur.

8. Qu'est-ce que l'induction électromagnétique ?

Un courant alternatif circulant dans un fil conducteur génère un champ magnétique alternatif autour de celui-ci, tandis qu'un fil conducteur fermé placé dans un champ magnétique variable génère un courant alternatif à l'intérieur du fil. Ce phénomène est appelé induction électromagnétique.

10. Quels sont les avantages de la fusion au four à induction sous vide ?

① Sans pollution de l'air ni des scories, l'alliage fondu est pur et présente un haut niveau de performance ;

② La fusion sous vide crée de bonnes conditions de dégazage, ce qui entraîne une faible teneur en gaz dans l'acier et l'alliage fondus ;

③ Dans des conditions de vide, les métaux ne s'oxydent pas facilement ;

④ Les impuretés (Pb, Bi, etc.) apportées par les matières premières peuvent s’évaporer dans un état sous vide, ce qui entraîne la purification du matériau ;

⑤ Lors de la fusion dans un four à induction sous vide, la désoxydation du carbone peut être utilisée, et le produit de désoxygénation est un gaz, ce qui permet d'obtenir une pureté d'alliage élevée ;

⑥ Peut ajuster et contrôler avec précision la composition chimique ;

⑦ Les matériaux retournés peuvent être utilisés.

11. Quels sont les inconvénients de la fusion par four à induction sous vide ?

① L’équipement est complexe, coûteux et nécessite un investissement important ;

② Maintenance contraignante, coûts de fusion élevés et coûts relativement élevés ;

③ Contamination métallique causée par des matériaux réfractaires dans les creusets pendant le processus de fusion ;

④ Le lot de production est petit et la charge de travail d'inspection est importante.

12. Quels sont les principaux paramètres de base et leur signification pour les pompes à vide ?

① Degré de vide extrême : La valeur de pression stable minimale (c'est-à-dire le degré de vide stable le plus élevé) qui peut être obtenue après une longue période de vidange lorsque l'entrée d'une pompe à vide est scellée est appelée le degré de vide maximal de la pompe.

② Taux d'évacuation : Le volume de gaz extrait par une pompe par unité de temps est appelé le débit de pompage d'une pompe à vide.

③ Pression de sortie maximale : La valeur de pression maximale à laquelle le gaz est évacué de l'orifice d'échappement d'une pompe à vide en fonctionnement normal.

④ Prépression : La valeur de pression maximale qui doit être maintenue à l'orifice d'échappement de la pompe à vide pour assurer un fonctionnement sûr.

13. Comment choisir un système de pompe à vide raisonnable ?

① Le débit de pompage d'une pompe à vide correspond à une certaine pression d'entrée de la pompe à vide ;

② Les pompes mécaniques, les pompes Roots et les surpresseurs d'huile ne peuvent pas évacuer directement dans l'atmosphère et doivent compter sur la pompe d'étage avant pour établir et maintenir la prépression prescrite afin de fonctionner normalement.

14. Pourquoi faut-il ajouter des condensateurs aux circuits électriques ?

En raison de la grande distance entre la bobine d'induction et le matériau métallique du four, les fuites magnétiques sont importantes, le flux magnétique utile est très faible et la puissance réactive élevée. Par conséquent, dans les circuits capacitifs, le courant est en avance de phase par rapport à la tension. Pour compenser l'influence de l'inductance et améliorer le facteur de puissance, il est nécessaire d'intégrer un nombre approprié de condensateurs dans le circuit, afin que le condensateur et l'inductance puissent entrer en résonance en parallèle, améliorant ainsi le facteur de puissance de la bobine d'induction.

15. Combien de pièces constituent l'équipement principal d'un four à induction sous vide ?

Chambre de fusion, chambre de coulée, système de vide, système d'alimentation électrique.

16. Quelles sont les mesures de maintenance du système de vide pendant le processus de fusion ?

① La qualité et le niveau d'huile de la pompe à vide sont normaux ;

② L'écran filtrant est inversé normalement ;

③ L'étanchéité de chaque vanne d'isolement est normale.

17. Quelles sont les mesures de maintenance du système d'alimentation électrique pendant le processus de fusion ?

① La température de l'eau de refroidissement du condensateur est normale ;

② La température de l'huile du transformateur est normale ;

③ La température de l'eau de refroidissement du câble est normale.

18. Quelles sont les exigences relatives aux creusets pour la fusion dans un four à induction sous vide ?

① Possède une stabilité thermique élevée pour éviter les fissures causées par un refroidissement et un chauffage rapides ;

② Possède une stabilité chimique élevée pour éviter la contamination du creuset par des matériaux réfractaires ;

③ Possédant une résistance au feu et une résistance structurelle à haute température suffisantes pour résister aux hautes températures et aux impacts des matériaux du four ;

④ Le creuset doit avoir une densité élevée et une surface de travail lisse afin de réduire la surface de contact entre le creuset et le liquide métallique, et de réduire le degré d'adhérence des résidus métalliques sur la surface du creuset.

⑤ Possède des propriétés d'isolation élevées ;

⑥ Faible retrait volumique pendant le processus de frittage ;

⑦ Possède une faible volatilité et une bonne résistance à l'hydratation ;

⑧ Le matériau du creuset dégage une petite quantité de gaz.

⑨ Le creuset dispose de ressources matérielles abondantes et de prix bas.

19. Comment améliorer les performances des creusets à haute température ?

① Réduire la teneur en CaO et le rapport CaO/SiO2 dans le sable MgO pour réduire la quantité de phase liquide et augmenter la température à laquelle la phase liquide est générée.

② Améliorer la stabilité des grains cristallins.

③ Pour obtenir un bon état de recristallisation dans la couche frittée, réduire la porosité, réduire la largeur des joints de grains et former une structure en mosaïque, formant une combinaison directe de phases solides et solides, réduisant ainsi les effets néfastes de la phase liquide.

20. Comment choisir la taille géométrique appropriée du creuset ?

① L'épaisseur de la paroi du creuset est généralement de 1/8 à 1/10 du diamètre du creuset (formé) ;

② L’acier liquide représente 75 % du volume du creuset ;

③ L'angle de R est d'environ 45 ° ;

④ L'épaisseur du fond du four est généralement 1,5 fois celle de la paroi du four.

21. Quels sont les adhésifs couramment utilisés pour nouer les creusets ?

① Matière organique : dextrine, liquide résiduaire de pâte à papier, résine organique, etc. ;

② Substances inorganiques : silicate de sodium, saumure, acide borique, carbonate, argile, etc.

22. Quel est le rôle de l'adhésif (H3BO3) pour nouer les creusets ?

L'acide borique (H3BO3) peut éliminer toute l'humidité en chauffant à une température inférieure à 300 ℃ dans des circonstances normales, et est appelé anhydride boronique (B2O3).

① À basse température, une partie du MgO et de l'Al2O3 peut se dissoudre dans le B2O3 liquide pour former une série de produits de transition, accélérant la diffusion en phase solide du MgO · Al2O3 et favorisant la recristallisation, ce qui provoque la formation de la couche de frittage du creuset à des températures plus basses, réduisant ainsi la température de frittage.

② En s'appuyant sur l'effet de fusion et de liaison de l'acide borique à température moyenne, la couche semi-frittée peut être épaissie ou la résistance du creuset avant le frittage secondaire peut être augmentée.

③ Dans le sable magnésien contenant du CaO, l'utilisation de liants peut supprimer la transformation cristalline du 2CaO · SiO2 en dessous de 850 ℃.

23. Quelles sont les différentes méthodes de moulage des creusets ?

Deux façons.

① Préfabrication hors four : Après mélange des matières premières (matériaux réfractaires de magnésium ou de spinelle d’aluminium-magnésium fondus électriquement) selon un rapport granulométrique précis et sélection des liants appropriés, celles-ci sont mises en forme dans le moule du creuset par vibration et pressage isostatique. Le creuset ainsi obtenu est séché puis transformé en creuset préfabriqué dans un four tunnel à haute température (température de cuisson maximale ≥ 1 700 °C pendant 8 heures).

2. Pilonnage direct dans le four : ajouter une quantité appropriée de liant solide, tel que de l’acide borique, en respectant le rapport granulométrique, mélanger uniformément et tasser pour obtenir un remplissage dense. Lors du frittage, différentes microstructures se forment en fonction de la température de chaque pièce.

24. Combien de couches la structure de frittage du creuset est-elle formée, et quel est l'impact sur la qualité du creuset ?

La structure de frittage du creuset est divisée en trois couches : couche de frittage, couche de semi-frittage et couche lâche.

Couche de frittage : Lors de la cuisson au four, la granulométrie subit une recristallisation. À l’exception des particules de sable de taille moyenne en fin de cuisson à basse température, la proportion initiale disparaît complètement, laissant place à une structure fine et uniforme. Les joints de grains sont très étroits et les impuretés se redistribuent sur ces nouveaux joints. La couche frittée forme une enveloppe dure située au cœur de la paroi du creuset, en contact direct avec le métal en fusion et soumise à diverses contraintes ; elle est donc essentielle au creuset.

Couche poreuse : Lors du frittage, la température à proximité de la couche isolante est basse et le sable de magnésium ne peut être fritté ni lié par la phase vitreuse, restant ainsi totalement poreux. Cette couche, située à l'extérieur du creuset, remplit les fonctions suivantes : premièrement, grâce à sa structure poreuse et à sa faible conductivité thermique, le transfert de chaleur de la paroi interne du creuset vers l'extérieur est réduit, limitant les pertes de chaleur, assurant l'isolation et améliorant l'efficacité thermique à l'intérieur du creuset ; deuxièmement, la couche poreuse sert également de couche protectrice. La couche frittée, formant une enveloppe et en contact direct avec le métal liquide, est sujette aux fissures. En cas de fissure, le métal liquide en fusion s'écoulerait, tandis que la couche poreuse, de par sa structure poreuse, est moins sujette aux fissures. Elle bloque l'écoulement du métal liquide depuis la couche interne, protégeant ainsi l'anneau de détection ; troisièmement, la couche poreuse sert de tampon. Du fait que la couche frittée forme une coque rigide, le volume global se dilate et se contracte lors du chauffage et du refroidissement. Grâce à sa structure poreuse, cette couche joue un rôle d'amortisseur quant aux variations de volume du creuset.

Couche semi-frittée (ou couche de transition) : située entre la couche frittée et la couche poreuse, elle est divisée en deux parties. Près de la couche frittée, les impuretés fondent et se redistribuent ou se lient aux particules de sable de magnésium. Le sable de magnésium subit une recristallisation partielle, et les grosses particules apparaissent particulièrement denses. Les parties proches de la couche poreuse sont complètement liées entre elles par un adhésif. La couche semi-frittée joue à la fois le rôle de couche frittée et de couche poreuse.

25. Comment choisir le système de traitement du four ?

① Température maximale du four : Lorsque l'épaisseur de la couche isolante du creuset noué est de 5 à 10 mm, pour la magnésie fondue électriquement, la couche frittée ne représente que 13 à 15 % de l'épaisseur du creuset après une cuisson à 1 800 °C. À 2 000 °C, elle représente 24 à 27 %. Compte tenu de la résistance du creuset à haute température, une température de four plus élevée est préférable, sans toutefois dépasser cette valeur. Au-delà de 2 000 °C, la sublimation ou la réduction de l'oxyde de magnésium par le carbone, ainsi que sa recristallisation intense, entraînent la formation d'une structure alvéolaire. Par conséquent, la température maximale du four doit être maintenue en dessous de 2 000 °C.

2. Vitesse de chauffage : En début de chauffage, afin d’éliminer efficacement l’humidité des matériaux réfractaires, un préchauffage suffisant est nécessaire. Généralement, la vitesse de chauffage doit être lente en dessous de 1 500 °C. Lorsque la température du four dépasse 1 500 °C, le sable de magnésie électro-fusionné commence à se fritter. À ce moment-là, une puissance élevée doit être utilisée pour atteindre rapidement la température maximale du four souhaitée.

③ Temps de maintien en température : Une fois la température du four atteinte, le maintien en température doit être effectué à cette température. La durée de maintien varie selon le type de four et le matériau, par exemple de 15 à 20 minutes pour les petits creusets électriques en magnésium et de 30 à 40 minutes pour les creusets électriques en magnésium de grande et moyenne taille.

Par conséquent, la vitesse de chauffe du four et la cuisson à la température maximale doivent être ajustées en conséquence.