Faire correspondre votre creuset à votre application

Si vous fondez du métal ou tenez un bain de fusion, il y a de fortes chances que votre opération soit unique. Votre combinaison particulière de fours, d’alliages, de pratiques de travail, de traitements métallurgiques, de dispositifs de coulée et de produits finis n’est pas susceptible d’être reproduite dans une autre installation. Ainsi, choisir un creuset qui fournira une performance maximale pour votre opération est une tâche individualisée et complexe.

Cet article est conçu pour servir de guide pour la sélection du creuset optimal pour votre opération. Il explique la relation entre les opérations de fusion/maintien du métal et les caractéristiques spécifiques du creuset. Il soutient mais ne remplace pas la nécessité pour les fondeurs de métaux et les fournisseurs de creusets de travailler en étroite collaboration dans le processus de sélection du creuset.

Le creuset moderne est un matériau composite à base de graphite très hétérogène, qui dépend de sa composition matérielle et du contrôle de l’alignement structurel du graphite pour atteindre les performances requises. Les creusets peuvent être aussi petits que des tasses à thé ou contenir plusieurs tonnes de métal. Ils peuvent être fixés en place dans la structure d’un four ou être conçus pour être retirés du four pour être versés à la fin de chaque fusion. Les creusets sont utilisés dans les fours à combustible, dans les fours à résistance électrique, dans les fours à induction ou simplement pour transférer le métal en fusion. Ils existent avec ou sans bec verseur et dans une grande variété de formes traditionnelles et spécialisées.

Ils offrent également de nombreuses caractéristiques de performance différentes car chaque application présente un ensemble complexe de paramètres de température, chimiques et physiques qui définissent les limites techniques dans lesquelles le creuset doit être conçu pour fonctionner.

Alors, comment choisir le bon creuset pour votre opération parmi la vaste gamme de types de creusets et de matériaux à votre disposition ?

La meilleure approche consiste à commencer par votre propre évaluation détaillée de vos opérations. Vous devez documenter entièrement et, si possible, quantifier tous les aspects de vos processus de fusion, de maintien et de manipulation du métal. Il s’agit notamment de :

• La capacité, dimensions et le type de votre four
• L’alliage spécifique ou la gamme d’alliages que vous fondez
• Les températures de fusion et/ou de maintien que vous maintenez
• Le taux de changement de température que le creuset subira
• Comment le creuset est chargé
• Les fondants ou les ajouts utilisés
• Les procédés de dégazage ou d’affinage
• Comment les scories ou les crasses sont éliminées
• Comment le creuset est vidé.

Ces neuf catégories reflètent les facteurs les plus courants que vous devez prendre en compte lors de la sélection d’un creuset correspondant à vos besoins spécifiques. Vous devez également tenir compte de tout processus ou exigence supplémentaire qui pourrait être spécifique à vos opérations. Un exemple pourrait être votre capacité à tolérer ou votre besoin d’éviter la contamination croisée des alliages.

Alors que vous apportez les informations détaillées sur vos propres opérations au processus de sélection du creuset, votre fournisseur de creuset doit apporter un haut niveau d’expertise sur les matériaux, les caractéristiques et les performances du creuset. Pour une sélection optimale, recherchez un fournisseur de creusets capable de proposer des gammes de creusets qui se chevauchent, adaptées à chaque métal spécifique mais offrant des caractéristiques opérationnelles différentes. Ensuite, en travaillant ensemble, vous serez en mesure de faire correspondre étroitement un creuset spécifique à vos exigences particulières. La réalisation de cette correspondance est la clé de la sécurité, de la performance et de la durée de vie maximale du creuset.

Sachez toutefois qu’au niveau pratique, il se peut qu’il n’y ait pas un seul type de creuset qui offre le plus haut niveau de chaque caractéristique souhaitable pour votre application. Les caractéristiques de performance du creuset impliquent souvent des compromis. Par exemple, le creuset présentant la meilleure conductivité thermique peut ne pas offrir la meilleure protection contre les chocs thermiques. Par conséquent, vous devez hiérarchiser la liste des propriétés du creuset les plus importantes pour votre application et revoir ces priorités avec votre fournisseur de creuset.

Capacité, dimensions et type de four

La capacité, les dimensions et le type de four que vous utilisez établiront la plupart des détails observables sur votre creuset. Par exemple, lorsque vous connaissez la capacité en métal pour laquelle votre four a été conçu, vous saurez quelle capacité votre creuset doit fournir. De même, les dimensions de l’espace pour le creuset dans votre four détermineront les dimensions et la forme de votre creuset. Cela déterminera également si votre creuset doit comporter un bec verseur. Mais choisir un creuset correspondant à votre type de four vous donnera de nombreux autres facteurs moins évidents à prendre en compte.

Fourneaux à combustible

Les fours à combustible comprennent les fours alimentés au gaz, au pétrole, au propane ou au coke. Chacun de ces combustibles expose directement le creuset à la source de chaleur et chacun fournit un niveau de chaleur différent, normalement mesuré en BTU. Le creuset choisi doit être capable de supporter le maximum de BTU que le combustible du four est capable d’appliquer au creuset. Dans les fours à gaz, à fioul et à propane, le creuset doit pouvoir résister aux effets de la flamme du brûleur à la base du creuset et le creuset doit être effilé pour permettre à la flamme de circuler autour du creuset de bas en haut. Cela permet un chauffage uniforme du creuset. Le matériau du creuset doit également pouvoir résister aux dommages causés par l’oxydation de la flamme et s’adapter au taux de changement thermique que le creuset subira.

Une bonne conductivité thermique et un chauffage uniforme sont des propriétés importantes du creuset pour transférer la chaleur de l’intérieur du four à travers le creuset vers la charge métallique. Les creusets à forte teneur en graphite dans le liant de carbone offrent une conductivité thermique élevée pour une fusion rapide dans les fours à gaz.

Fours à résistance électrique

Les fours à résistance électrique fournissent un chauffage uniforme et global à un creuset et sont parfaitement adaptés à un contrôle précis de la température dans une application de maintien du métal. Mais ils sont plus lents que les fours à combustible dans les applications de fusion. Par conséquent, les creusets économes en énergie avec une teneur élevée en graphite dans le liant de carbone sont souvent sélectionnés pour fournir une conductivité thermique élevée pour une fusion plus rapide dans ces fours.

Les creusets conçus pour les fours à résistance électrique sont normalement en forme de bassin et fournissent une distance uniforme entre le creuset et les éléments chauffants du four.

Fours à induction

La sélection des creusets pour les fours à induction est une tâche plus complexe. Dans certaines applications, comme l’affinage des métaux précieux, des creusets conçus pour chauffer dans les champs inductifs du four sont utilisés pour faire fondre la charge. Dans d’autres applications, on utilise des creusets qui permettent au champ inductif de les traverser et de chauffer directement la charge métallique. Il est donc important d’adapter les caractéristiques électriques du creuset à la fréquence de fonctionnement du four et à l’application de fusion. Par exemple, dans certains modèles, les fours à induction à basse fréquence nécessitent des creusets à forte teneur en carbure de silicium et dans d’autres applications, les fours à induction à haute fréquence nécessitent des creusets à forte teneur en argile. Faire correspondre la résistivité électrique d’un creuset au four à induction est essentiel pour éviter la surchauffe du creuset.

La plupart des creusets conçus pour les fours à induction sont cylindriques afin de fournir une distance uniforme entre le creuset et la bobine du four. Cependant, certains petits fours conçus pour les creusets amovibles présentent une bobine effilée pour correspondre au profil des creusets en forme de cale.

Fours à creuset amovible

Tous les types de fours ci-dessus peuvent être conçus pour utiliser des creusets amovibles. Ces creusets peuvent être chargés à l’extérieur ou lorsqu’ils sont installés dans le four, mais ils sont retirés du four pour la coulée. Comme les creusets utilisés uniquement pour le transfert de métal, ils sont en forme de cale ou de A pour permettre de les soulever avec des pinces conçues pour soutenir correctement le creuset.

Limitations de puissance du four

Un dernier facteur à prendre en compte lors de la documentation de vos besoins en creuset en fonction des spécifications de votre four est la disponibilité de la puissance. Dans de nombreux endroits, l’alimentation électrique pour la fusion ou le maintien pourrait ne pas être disponible à tout moment ou pourrait avoir un coût prohibitif à certains
temps ou à certains niveaux. Si c’est le cas dans votre installation, il peut être particulièrement important de sélectionner un creuset économe en énergie.

Métaux que vous fondez et/ou conservez

Savoir quels métaux et alliages vous fondez ou conservez vous en dira long sur les caractéristiques dont vous avez besoin dans un creuset. Votre catalogue détaillé des métaux que vous avez l’intention de fondre aidera à établir la température maximale que le creuset doit supporter pour la fusion et le maintien, définira comment le métal interagira avec le matériau du creuset à la fois chimiquement et physiquement et ce sera un facteur clé pour déterminer quelles caractéristiques votre creuset optimal doit offrir. Par exemple, pour la fusion d’alliages à base de cuivre dans des fours à combustible, les creusets en carbure de silicium formés sur rouleaux sont plus performants en raison de leur meilleure résistance aux chocs thermiques. Dans d’autres types de fours, les creusets sont souvent choisis en raison de leur densité élevée. Des creusets moins denses et plus poreux peuvent permettre l’érosion.

Les creusets en graphite argileux à liant carbone et céramique et en carbure de silicium sont largement utilisés pour la fusion et le maintien de l’aluminium et des alliages d’aluminium, de l’aluminium-bronze, du cuivre et des alliages à base de cuivre, des alliages cupro-nickel et nickel-bronze, des métaux précieux, du zinc et de l’oxyde de zinc. Les creusets sont également utilisés pour la fusion de la fonte. Pris ensemble en tant que groupe, ces métaux représentent une gamme de température allant de 400°C/750°F à 1600°C/2912°F.

Bien que certains types de creusets supportent des températures de métaux englobant un large spectre de métaux, il est souvent nécessaire de sélectionner des creusets ciblés sur des métaux ou alliages spécifiques et avec des gammes de température de fonctionnement plus limitées. La sélection de tels creusets est souvent plus avantageuse car ils offrent des caractéristiques de performance importantes pour vos opérations. Par exemple, utiliser un creuset capable de fondre des métaux allant du fer au zinc peut ne pas être aussi important pour votre opération de fusion d’alliage d’aluminium que d’avoir un creuset limité à la plage de température dont vous avez besoin mais capable de résister aux dommages causés par la corrosion de vos flux de traitement des métaux.

Températures de fusion et de maintien

Généralement, les métaux et alliages que vous fondez ou maintenez détermineront la plage de température dans laquelle votre creuset doit pouvoir fonctionner. Les creusets ne doivent jamais être chauffés au-delà de leur température maximale. Cela peut entraîner une défaillance dangereuse du creuset. Cependant, le fait de fonctionner en dessous de la limite inférieure de température du creuset peut également poser des problèmes. Par exemple, les creusets conçus pour la fusion à haute température d’alliages à base de cuivre s’oxyderont s’ils sont utilisés à basse température pour la fusion du zinc.

Les pratiques de fusion et de maintien en température des métaux doivent également être prises en compte dans le choix des creusets. Si vos opérations impliquent une surchauffe, vous devrez prendre en compte les températures plus élevées atteintes par le métal.

Taux de changement de température

La capacité d’un creuset à gérer le taux de changement de température est aussi importante que ses limites de température minimale et maximale. Si vos pratiques opérationnelles entraînent des cycles de chauffage et de refroidissement fréquents pour le creuset ou le soumettent autrement à des changements de température rapides, vous devrez choisir un creuset résistant aux chocs thermiques. Certains types de creusets sont bien meilleurs que d’autres pour gérer les changements rapides de température. Par exemple, la forte teneur en carbone du graphite d’un creuset lui confère une conductivité thermique élevée et une non mouillabilité. Et lorsque ce graphite forme une matrice orientée, le creuset offre également une grande résistance aux chocs thermiques. Ceci est essentiel pour les applications de fonderie où les températures peuvent varier de plusieurs centaines de degrés en quelques secondes. Votre fournisseur de creusets peut vous conseiller sur les creusets qui offrent la meilleure résistance aux chocs thermiques pour votre application.

Comment le creuset est chargé

Si votre four est toujours chargé de métal fondu, il n’a probablement pas besoin d’un creuset conçu pour être très résistant aux dommages physiques. Cependant, si des lingots de métal ou d’autres matériaux lourds constituent la majeure partie de votre charge et qu’ils ne sont pas soigneusement descendus dans le four via un système de chargement automatique, vous pouvez choisir un creuset mécaniquement solide et capable de survivre aux chocs physiques. Les creusets présentant une forte teneur en carbone et une structure en graphite à orientation directionnelle offrent une excellente résistance aux chocs.

Vous voudrez également un creuset doté d’une glaçure protectrice durable. Les dommages causés à la glaçure par une manipulation brutale peuvent entraîner des dommages d’oxydation sur le creuset. Les lingots d’aluminium extrudés ont souvent des bords tranchants qui coupent profondément dans le corps d’un creuset, ce qui entraîne des fissures dommageables.

Flux et additifs

Tous les creusets offrent un certain niveau de résistance à la corrosion et aux attaques chimiques. Mais la plupart des fondants et autres traitements métalliques utilisés pour la fusion de l’aluminium et d’autres métaux non ferreux sont très corrosifs et nécessitent un creuset offrant un haut niveau de résistance aux attaques chimiques. La meilleure façon de conférer cette résistance est de disposer d’une structure de matériau de creuset toujours dense et d’une glaçure protectrice durable. Si votre application de fusion implique l’utilisation de traitements métalliques corrosifs, vous voudrez certainement un creuset offrant le niveau approprié de protection contre ces agents.

Dégazage et affinage

Le dégazage de l’aluminium et des alliages d’aluminium consiste généralement à faire barboter un gaz inerte, généralement de l’azote, dans le bain en fusion tout en agitant le bain avec un rotor conçu pour briser et disperser les bulles de gaz. Ces petites bulles attirent alors l’hydrogène et les oxydes indésirables hors du bain et les transportent, avec les crasses et les inclusions, jusqu’à la surface où le gaz s’échappe dans l’air et où le matériau solide peut être retiré. Ce procédé, souvent utilisé avec des fondants, érode physiquement le creuset et l’attaque également chimiquement. Il faut donc un creuset dense et mécaniquement solide qui résiste bien aux attaques chimiques. Les creusets en carbure de silicium offrent une excellente résistance à l’érosion à température élevée et à la corrosion chimique. En outre, lorsqu’ils sont soumis à une pression isostatique, les creusets forment une disposition aléatoire du graphite dans leur structure. Cela contribue à créer des produits plus denses qui peuvent survivre plus efficacement aux conditions érosives et corrosives.

De nombreux procédés d’affinage et de traitement des métaux utilisés avec d’autres métaux non ferreux nécessitent également un creuset mécaniquement solide et chimiquement résistant.

Dans l’affinage et la fusion des métaux précieux, il est particulièrement important que le creuset que vous utilisez fournisse un métal propre en intégrant des propriétés non mouillantes. Cela signifie que le creuset doit être bien étanche à la pénétration du métal. Cette caractéristique est conférée en ayant une structure de matériau de creuset dense et une glaçure protectrice durable.

Elimination des scories et des crasses

Un creuset dense et non mouillant aidera également à réduire l’accumulation des scories et des crasses et facilitera le nettoyage du creuset lorsqu’il est vide.

Vidange du four

Les creusets pour la fusion et le maintien du métal fondu qui est plongé hors du four doivent être conçus pour un accès facile au métal et avec une efficacité thermique élevée. Cela permet au four de maintenir le métal à la température appropriée avec une utilisation minimale de carburant ou d’énergie.

Les creusets pour les fours qui sont inclinés pour la coulée nécessitent souvent des becs de coulée intégrés qui fournissent la portée et la précision nécessaires pour la coulée.

Conclusion

Avec une compréhension complète et détaillée de tous les aspects de vos opérations de fusion et/ou de maintien du métal, vous et votre fournisseur de creuset serez bien placés pour sélectionner un produit de creuset qui répond à vos exigences opérationnelles spécifiques et fournit une durée de vie constamment plus longue.