Sélection des creusets pour four à induction : argile-graphite, carbure de silicium et alumine pour différents alliages
Le creuset est le consommable qui détermine la durée de fonctionnement d'un four à induction entre deux révisions. Un mauvais choix de creuset oblige à refaire le revêtement du four toutes les 50 coulées au lieu de toutes les 500. Un bon choix permet une production de plusieurs mois. Le creuset idéal dépend de l'alliage fondu, de la taille du four, de la puissance absorbée et de l'expérience de l'opérateur. Il n'existe pas de solution universellement optimale.
Voici comment se prend réellement la décision concernant l'épreuve du feu.
Commencez par l'alliage.
Le fer et l'acier fondent entre 1150 et 1600 °C selon leur teneur en carbone et les éléments d'alliage ajoutés. Le creuset doit résister à cette température maximale, majorée d'une marge de sécurité. La température de service du matériau du creuset doit dépasser la température de fusion maximale de 100 à 200 °C.
Pour la fonte et la sidérurgie, le creuset standard est en argile-graphite (également appelé graphite lié à l'argile ou graphite d'argile pressée isostatiquement). Ce creuset est composé d'un mélange de graphite (généralement de 30 à 50 %) et d'argile réfractaire (généralement de 50 à 70 %), pressé ou compacté puis cuit. Le graphite confère au creuset sa résistance aux chocs thermiques et ses propriétés lubrifiantes. L'argile lui confère sa solidité et sa résistance à l'érosion.
Un creuset typique en argile-graphite pour un four à induction d'une tonne a une épaisseur de paroi de 50 à 80 mm, une hauteur de 800 à 1000 mm et un diamètre extérieur de 600 à 800 mm. Le creuset est placé à l'intérieur d'un serpentin en cuivre refroidi à l'eau, avec une couche réfractaire de support (généralement de 10 à 30 mm de sable de silice sec ou de fibre céramique) entre le creuset et le serpentin.
Le creuset en argile-graphite présente une bonne résistance aux chocs thermiques : il peut passer de l'acier froid à l'acier en fusion sans se fissurer, ce qui est essentiel pour le fonctionnement des fours à induction où le creuset est chauffé et refroidi à chaque cycle. Son principal inconvénient est sa fragilité : l'oxyde de fer contenu dans le laitier attaque la silice de l'argile, le carbone du graphite se dissout dans le bain et la paroi du creuset s'amincit avec le temps. Un creuset en argile-graphite classique a une durée de vie de 100 à 300 cycles dans un four à induction pour la fusion de l'acier, selon sa taille, sa puissance et le traitement du laitier.
Pour les alliages haute température et une durée de vie plus longue, les creusets en carbure de silicium (SiC) constituent une option. Le creuset en SiC est plus résistant à l'érosion que celui en argile-graphite, notamment dans les scories agressives. En revanche, le SiC est plus cher et plus fragile ; il supporte moins bien les chocs thermiques que l'argile-graphite. Les creusets en SiC sont couramment utilisés pour la fusion du cuivre et du laiton, où la température de fonctionnement est plus basse et les chocs thermiques moins importants.
Pour la fusion de l'aluminium et du zinc, le matériau standard des creusets est l'alumine (Al₂O₃) ou un réfractaire à haute teneur en alumine. La température de fusion de l'aluminium se situe entre 660 et 750 °C, bien en deçà de la limite de la plupart des matériaux réfractaires. Le problème réside dans la forte réactivité de l'aluminium en fusion : il attaque les réfractaires à base de silice en réduisant cette dernière en silicium, lequel se dissout dans le bain. Il en résulte un alliage d'aluminium à haute teneur en silicium, un creuset érodé et un bain contaminé.
Les creusets en alumine résistent à la corrosion par l'aluminium car l'alumine est thermodynamiquement stable au contact de l'aluminium en fusion. En revanche, l'alumine est plus chère et plus fragile que le mélange argile-graphite. Un creuset en alumine standard pour la fusion de l'aluminium a une durée de vie de 500 à 2 000 coulées, bien supérieure à celle d'un creuset en argile-graphite dans les mêmes conditions.
Pour la fusion du cuivre et du laiton, les creusets en carbure de silicium sont la norme. Le SiC supporte les températures de fusion du cuivre (1000 à 1300 °C), résiste aux scories d'oxyde de cuivre et offre une bonne résistance aux chocs thermiques lors du chauffage par induction. Un creuset en SiC destiné à la fusion du cuivre peut être utilisé de 300 à 1000 fois.
Pour les métaux précieux (or, argent, platine), le creuset standard est en silice fondue ou en alumine de haute pureté. Il doit être chimiquement inerte (absence de contamination du bain de fusion) et thermiquement stable. Son coût est élevé, mais le volume requis est faible.
La forme et la taille du creuset ont également leur importance.
Les creusets des fours à induction sont généralement cylindriques, à fond plat ou arrondi. Leur diamètre et leur hauteur sont déterminés par la taille du four et sa capacité de fusion. Un four de 500 kg possède un creuset d'environ 400 mm de diamètre et 600 mm de hauteur. Un four de 5 tonnes possède un creuset d'environ 900 mm de diamètre et 1 500 mm de hauteur. Un four de 20 tonnes possède un creuset d'environ 1 500 mm de diamètre et 2 500 mm de hauteur.
L'épaisseur des parois est proportionnelle à la taille du creuset : les grands creusets nécessitent des parois plus épaisses pour supporter la contrainte mécanique du métal en fusion. Un petit creuset peut avoir une paroi de 30 mm, tandis qu'un grand creuset peut avoir une paroi de 100 mm.
La conception du fond du creuset est un détail crucial. Un fond plat est plus facile à fabriquer, mais concentre les contraintes thermiques aux angles. Un fond arrondi répartit les contraintes plus uniformément et est préférable pour les grands creusets et les applications à haute puissance. La plupart des grands creusets pour fours à induction ont un fond hémisphérique ou conique.
L'installation du creuset prend entre 4 et 8 heures pour un four de taille moyenne.
L'installation commence par le nettoyage du serpentin et du réfractaire de support. Il faut éliminer tout résidu de métal, de scories ou de débris provenant du creuset précédent. Le nouveau réfractaire de support est ensuite installé : il s'agit généralement d'une couche de sable de silice sec compactée ou d'un panneau de fibres céramiques préformé.
Le creuset est ensuite descendu dans le four. Son alignement avec la bobine doit être parfaitement concentrique ; un creuset mal aligné engendre un couplage électromagnétique irrégulier, des points chauds et une défaillance prématurée. Le creuset est centré à l’aide d’un gabarit, puis l’espace entre le creuset et le support est comblé de sable ou de fibres céramiques.
Le nouveau creuset est fritté (cuit au four) avant la première fusion. Le cycle de frittage consiste à porter lentement la température à 800-1000 °C sur une période de 4 à 8 heures, à éliminer toute trace d'humidité et à stabiliser le creuset. Après frittage, la première coulée est effectuée et le creuset est mis en service.
Un nouveau creuset nécessite une manipulation soigneuse lors des 10 à 20 premières coulées. Le choc thermique provoqué par la collision d'une charge froide avec un creuset chaud peut fissurer même un creuset correctement installé. Généralement, les opérateurs chargent la première fois à 50 à 70 % de la capacité du creuset, la font fondre et la coulent avant d'y introduire la charge complète. Ce processus de rodage stabilise le creuset et prolonge sa durée de vie.
Les modes de défaillance des creusets constituent la réalité opérationnelle.
Le mode de défaillance le plus fréquent est l'amincissement des parois. Le laitier et le bain de fusion attaquent la paroi du creuset, qui s'amincit jusqu'à se rompre. L'opérateur constate alors une augmentation progressive de l'instabilité de la température du bain, car la paroi du creuset n'isole plus le bain de fusion du refroidissement du serpentin. La solution consiste à revêtir le four avec un nouveau creuset.
Le deuxième mode de défaillance le plus fréquent est la fissuration. Un choc thermique (charge froide, coupure de courant ou infiltration de scories) crée une fissure dans la paroi du creuset. Cette fissure peut être petite (un fin filament qui ne traverse pas le creuset) ou grande (une fissure traversante qui laisse le métal en fusion s'écouler dans le serpentin). Une petite fissure est parfois gérable pendant quelques coulées, mais une grande fissure constitue une urgence : inclinez le four, versez le métal en fusion et arrêtez-le.
Le troisième mode de défaillance est la pénétration du métal. Le métal en fusion s'infiltre par capillarité dans les pores du creuset, créant un pont métallique entre le bain et la bobine. Il en résulte un chemin de courant à travers le creuset, un chauffage irrégulier de ce dernier et une accélération de la défaillance. La pénétration du métal est généralement due à un réfractaire de support de mauvaise qualité, à un creuset insuffisamment fritté ou à une puissance excessive lors des premières chauffes.
Auteur : Équipe d’ingénierie des fours à induction de MONTE INTELLIGENCE. Pour le choix des creusets et les études de cycle de vie, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com.
