Four de Refusion sous laitier électroconducteur (ESR)

Procédé ESR

En résumé, le procédé de refusion sous laitier électroconducteur comporte la fusion progressive de l’extrémité inférieure d’une électrode coulée ou forgée à travers une couche de laitier en fusion dans un moule en cuivre refroidi par eau.

Le laitier, qui est généralement en fluore de calcium (sans oublier l’ajout de chaux, de magnésium, d’aluminium et autres oxydes) remplit plusieurs fonctions. En fusion, c’est un conducteur d’électricité qui agit quelque peu comme un élément de chauffage par résistance lorsqu’un courant élevé passe entre l’électrode et le moule. Le laitier se surchauffe avec le passage permanent de courant électrique, ce qui a pour effet de fondre l'électrode qui y est immergée. Toute inclusion dans ce métal en fusion est dissoute par le laitier et fait partie de ce dernier. On obtient un métal pur qui doit passer, en forme de gouttelettes, par la couche de laitier au fond du moule.

Après un certain temps, un lingot pur avec une structure de solidification contrôlée se forme dans le moule : le laitier. Ceci permet également de prévenir l'oxydation du métal en fusion en condition de fonctionnement à l’air. Les laitiers flottent au-dessus du métal liquide, au-dessus du lingot, en raison de leur faible densité.

Lorsque le procédé touche à sa fin, la puissance diminue graduellement. Cela réduit le volume de métal liquide au-dessus du lingot. À ce même instant, du métal supplémentaire est ajouté par l’électrode à un taux réduit pour compenser la retassure de solidification. On obtient comme résultat une section de lingot supérieure saine avec une bonne performance du produit.

Solidification contrôlée - Facteur principal dans le procédé ESR

Le motif principal d’utilisation du procédé ESR est d’obtenir une solidification contrôlée. La métallurgie en général et les procédés de fusion par induction sous vide peuvent produire de manière efficace de grands volumes de métal liquide extrêmement propres et de qualité du point de vue chimique. Lorsque ce métal est coulé dans les moules pour se solidifier, la retassure de solidification et de ségrégation rendent bien souvent les lingots obtenus inutilisables. Cela est dû à des temps de solidification excessivement longs pour des lingots de dimensions industrielles.

Dans le procédé ESR, ces métaux inutilisables sont refondus et chimiquement homogénéisés le long de la section transversale de l’électrode. Étant donné que la capacité de fusion est contrôlée de manière à permettre que seule une couche relativement fine de métal au dessus du lingot soit fondue en même temps, le métal se solidifie à nouveau relativement vite.

Cela permet d’éviter des effets de ségrégation. De plus, comme il y a, à tout moment, du métal à l’ état liquide au dessus du métal en train de se solidifier (et de se contracter), la formation de cavités de retassures et la porosité sont évitées. Lorsque le procédé est effectué correctement, on obtient comme résultat un lingot de haute qualité et homogène du point de vue chimique.

Antécédents – Importants progrès en technologie ESR Consarc

Dans les années 60, les ingénieurs de Consarc ont envisagé une nouvelle approche à la refusion sous laitier électroconducteur, assez différente des procédés existant à l’époque. Les améliorations qui en découlèrent au niveau de l’efficacité et de la performance du procédé, ont permis à Consarc de s’imposer comme fabricant de premier plan de systèmes ESR au niveau mondial.

Fours ESR coaxiaux

Consarc n’est pas l’inventeur de la refusion sous laitier électroconducteur mais a conçu en 1966 une version différente du procédé qui est encore utilisée de nos jours pour fabriquer des métaux dans les applications les plus exigeantes du domaine de l’aérospatiale et de bien d’autres.

Les ingénieurs de Consarc ont réussi à fabriquer une électrode à « taux de remplissage élevé » (une électrode dont le diamètre était proche de celui du creuset) avec une conception de four basse fréquence courant alternatif avec des conducteurs d’électrique disposés de manière coaxiale autour de la zone de fusion. L’électrode à taux de remplissage élevé présente les avantages suivants :

Consommation électrique réduite
Meilleure qualité du lingot
Surfaces du lingot de meilleure qualité

Le système de conducteur coaxial a permis d’utiliser des sources d’alimentation électriques moins importantes et plus efficaces, et de réduire le brassage magnétique non souhaité de la fusion. De plus, il a éliminé le chauffage par courant de Foucault des champs en dispersion dans la structure en acier environnante qui avait caractérisé toutes les conceptions de fours ESR antérieures. Il a rendu également possible l’interaction magnétique entre les fusions adjacentes.

Les principes de cette conception coaxiale sont intégrés dans tous les fours ESR fabriqués par Consarc.

Configuration des fours ESR (statique/échange d’électrode/combinaison)

La plupart des fours ESR en fonctionnement aujourd'hui sont du type deux stations de fusion avec une tête unique. Consarc peut toutefois fournir des fours à échange d’électrode à deux têtes qui réalisent la fusion, soit dans une station de retrait moule /lingot central réglable soit à moule fixe.

La combinaison de fours à deux têtes, à échange central d’électrode et à stations de fusion fixes externes en une seule unité ont aussi été fournis par Consarc pour offrir une flexibilité de refusion associée à une grande gamme de produits de base pour électrode.

Développement de produits RLE

Consarc a poursuivi ses innovations initiales dans le domaine des fours ESR avec d’autres produits et des procédés améliorés. Plusieurs caractéristiques devenues « courantes » sur les installations modernes de four ESR ont été initialement développées et installées sur les systèmes Consarc. Il s’agit des caractéristiques suivantes :

l’utilisation de pesons pour évaluer le poids en permanence de l’électrode pendant le procédé de fusion (pour mesurer avec plus de précision le taux de fusion)
Un système de contrôle de fusion basé sur PC/automate qui automatise complètement le procédé de fusion et remplace ainsi l'ancien fonctionnement manuel. Le contrôle précis du procédé qui en découle permet d’obtenir un produit final de première qualité
La possibilité de régler la position du bout de l’électrode horizontalement sur n’importe quel point de la fusion (réglage des axes X-Y) permet de maintenir le procédé électriquement et thermiquement centré dans le creuset
La mise au point du procédé et d’équipement pour la fusion de lingots ronds de grandes dimensions pouvant atteindre un poids de 110 t et un diamètre de 1800 mm et de lingots plats de grandes dimensions pouvant atteindre 750 mm par 80 pieds (section transversale de 2000 mm et poids pouvant atteindre 30t)
L’utilisation d’air sec au dessus de la zone chaude pour éliminer virtuellement le chargement d’hydrogène dans des lingots en acier de grandes dimensions tout en maintenant la capacité de désulfuration du métal

Les fours ESR modernes de Consarc ont les caractéristiques suivantes :

Systèmes de fusion sous gaz inerte (SFGI) ; l’utilisation d’un gaz inerte (argon) au dessus de la zone de fusion pour obtenir un environnement de fusion libre d’oxygène et d’azote. Cela permet d’améliorer la propreté de nuances refondues et permet d’assister le contrôle de concentrations de métaux actifs (Al, Si) à des niveaux de tolérance très stricts
Système vibrant d’introduction du laitier commandé par PC pour automatiser et privilégier l’uniformité des méthodes opératoires pendant la phase de fusion du laitier
Systèmes d’entraînement électromécanique incluant un dispositif d’entraînement du vérin du servomoteur pour un contrôle précis du vérin et de l’électrode pendant le procédé de refusion.

Modes opératoires flexibles (méthode avec laitier chaud ou froid)

Les fours Consarc peuvent fonctionner, soit en utilisant une méthode opératoire à laitier froid/sec avec du laitier pré-fondu, soit avec du laitier chaud utilisant du laitier pré-fondu, en fonction des besoins pour le procédé et des préférences du client.

Dans la plupart des cas, on préfère la méthode opératoire par laitier froid. Consarc fournit le système de chargement par vibrants pour les laitiers commandés par PC pour automatiser et ainsi privilégier l’uniformité des méthodes opératoires pendant la phase de fusion du laitier.

Consarc peut également concevoir et fabriquer un four de fusion sous laitier particulier spécifique au client.

Fiabilité garantie par l’alimentation électrique de notre conception (basée sur une inductance variable)

Consarc est le seul fabricant de fours ESR qui conçoit et construit sa propre alimentation électrique pour satisfaire avec précision aux besoins d'une application de fusion spécifique. La source d'énergie ESR de Consarc est une source d’alimentation électrique courant alternatif monophasée, robuste, refroidie par eau fonctionnant et basée sur une inductance variable. Ces unités ont une durée de vie très longue, elles n'occupent que très peu d'espace au sol, sont très fiables et nécessitent très peu de maintenance.