I. Comment classer les recarburateurs
Les carburateurs peuvent être classés en quatre grandes catégories selon leurs matières premières.
1. Graphite artificiel
La principale matière première pour la fabrication du graphite artificiel est du coke de pétrole calciné de haute qualité en poudre, auquel on ajoute de l'asphalte comme liant, ainsi qu'une petite quantité d'autres matières auxiliaires. Après mélange, les différentes matières premières sont pressées et mises en forme, puis traitées sous atmosphère inerte à une température de 2 500 à 3 000 °C pour obtenir un graphite. Ce traitement thermique à haute température permet de réduire considérablement les teneurs en cendres, en soufre et en gaz.
En raison du prix élevé des produits en graphite artificiel, la plupart des recarburants en graphite artificiel couramment utilisés dans les fonderies sont des matériaux recyclés tels que des copeaux, des électrodes usagées et des blocs de graphite lors de la fabrication d'électrodes en graphite afin de réduire les coûts de production.
Lors de la fusion de la fonte ductile, afin d'obtenir une qualité métallurgique élevée de la fonte, le graphite artificiel devrait être le premier choix pour le recarburateur.
2. Coke de pétrole
Le coke de pétrole est un agent de recarburation largement utilisé.
Le coke de pétrole est un sous-produit du raffinage du pétrole brut. Les résidus et les brais de pétrole obtenus par distillation sous pression normale ou réduite du pétrole brut servent de matières premières à sa fabrication. Après cokéfaction, on obtient du coke de pétrole brut. La production de ce dernier représente moins de 5 % de la quantité de pétrole brut utilisée. Aux États-Unis, la production annuelle de coke de pétrole brut avoisine les 30 millions de tonnes. En raison de sa forte teneur en impuretés, le coke de pétrole brut ne peut être utilisé directement comme recarburant et doit être préalablement calciné.
Le coke de pétrole brut est disponible sous forme spongieuse, aciculaire, granulaire et liquide.
Le coke de pétrole spongieux est préparé par cokéfaction différée. Du fait de sa forte teneur en soufre et en métaux, il est généralement utilisé comme combustible lors de la calcination et peut également servir de matière première pour le coke de pétrole calciné. Ce dernier est principalement utilisé dans l'industrie de l'aluminium et comme agent de recarburation.
Le coke de pétrole aciculaire est préparé par cokéfaction différée à partir de matières premières riches en hydrocarbures aromatiques et pauvres en impuretés. Ce coke, à la structure aciculaire facilement fracturable, est parfois appelé coke de graphite et est principalement utilisé pour la fabrication d'électrodes en graphite après calcination.
Le coke de pétrole granulaire se présente sous forme de granules durs et est fabriqué à partir de matières premières à forte teneur en soufre et en asphaltène par la méthode de cokéfaction différée ; il est principalement utilisé comme combustible.
Le coke de pétrole fluidisé est obtenu par cokéfaction continue dans un lit fluidisé.
La calcination du coke de pétrole permet d'éliminer le soufre, l'humidité et les composés volatils. La calcination du coke de pétrole brut à 1200-1350 °C permet d'obtenir du carbone pratiquement pur.
Le principal utilisateur de coke de pétrole calciné est l'industrie de l'aluminium, dont 70 % servent à la fabrication d'anodes pour la réduction de la bauxite. Aux États-Unis, environ 6 % du coke de pétrole calciné produit est utilisé pour la recarburation des fontes.
3. Graphite naturel
Le graphite naturel se divise en deux types : le graphite en paillettes et le graphite microcristallin.
Le graphite microcristallin a une teneur élevée en cendres et n'est généralement pas utilisé comme agent de recarburation pour la fonte.
Il existe de nombreuses variétés de graphite en paillettes : le graphite en paillettes à haute teneur en carbone nécessite un procédé d’extraction chimique ou un chauffage à haute température pour décomposer et volatiliser les oxydes qu’il contient. Sa teneur élevée en cendres le rend impropre à la recarburation ; le graphite à teneur moyenne en carbone est principalement utilisé comme recarburant, mais en quantités limitées.
4. Coke de carbone et anthracite
Lors de la fabrication de l'acier au four à arc électrique, on peut ajouter du coke ou de l'anthracite comme agent de recarburation au moment du chargement. En raison de sa forte teneur en cendres et en matières volatiles, la fonte est rarement utilisée comme agent de recarburation lors de la fusion au four à induction.
Face au renforcement constant des exigences environnementales, la consommation des ressources fait l'objet d'une attention accrue, et les prix de la fonte et du coke ne cessent d'augmenter, entraînant une hausse du coût des pièces moulées. De plus en plus de fonderies se tournent vers les fours électriques pour remplacer la fusion traditionnelle au cubilot. Début 2011, l'atelier de petites et moyennes pièces de notre usine a également adopté ce procédé de fusion au four électrique. L'utilisation d'une grande quantité de ferraille dans la fusion au four électrique permet non seulement de réduire les coûts, mais aussi d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces moulées. Le type d'agent de recarburation utilisé et le procédé de cémentation jouent toutefois un rôle déterminant.
II. Comment utiliser recarburizfusion au four à induction
1. Les principaux types de recarburateurs
De nombreux matériaux sont utilisés comme recarburants pour la fonte ; les plus courants sont le graphite artificiel, le coke de pétrole calciné, le graphite naturel, le coke, l'anthracite et les mélanges composés de ces matériaux.
(1) Graphite artificiel. Parmi les différents agents de recarburation mentionnés précédemment, le graphite artificiel est celui de meilleure qualité. Sa matière première principale est du coke de pétrole calciné de haute qualité, réduit en poudre. On y ajoute de l'asphalte comme liant, ainsi qu'une petite quantité d'autres matières auxiliaires. Après mélange, le mélange est pressé et mis en forme, puis traité sous atmosphère inerte à une température de 2 500 à 3 000 °C afin d'obtenir un graphite. Ce traitement thermique réduit considérablement les teneurs en cendres, en soufre et en gaz. Un coke de pétrole insuffisamment calciné ou une température de calcination insuffisante peuvent fortement altérer la qualité de l'agent de recarburation. Celle-ci dépend donc principalement du degré de graphitisation. Un bon recarburant contient du carbone graphitique (fraction massique) de 95 % à 98 %, la teneur en soufre est de 0,02 % à 0,05 % et la teneur en azote est de (100 à 200) × 10-6.
(2) Le coke de pétrole est un agent de recarburation largement utilisé. Il s'agit d'un sous-produit du raffinage du pétrole brut. Les résidus et les brais de pétrole issus de la distillation sous pression ou sous vide du pétrole brut peuvent servir de matières premières à sa fabrication. Après cokéfaction, on obtient du coke de pétrole brut. Sa teneur élevée en coke ne permet pas son utilisation directe comme agent de recarburation ; une calcination préalable est nécessaire.
(3) Le graphite naturel se divise en deux types : le graphite en paillettes et le graphite microcristallin. Ce dernier, riche en cendres, n’est généralement pas utilisé comme agent de recarburation pour la fonte. Il existe de nombreuses variétés de graphite en paillettes : le graphite en paillettes à haute teneur en carbone nécessite un procédé d’extraction chimique ou un chauffage à haute température pour décomposer et volatiliser ses oxydes. Sa teneur en cendres étant élevée, il ne doit pas être utilisé comme agent de recarburation. Le graphite à teneur moyenne en carbone est principalement utilisé comme agent de recarburation, mais en faible quantité.
(4) Coke de carbone et anthracite : Lors de la fusion au four à induction, du coke ou de l’anthracite peuvent être ajoutés comme recarburant au moment du chargement. En raison de leur teneur élevée en cendres et en matières volatiles, ces agents sont rarement utilisés comme recarburant pour la fusion de la fonte au four à induction. Leur prix est faible, ce qui les classe parmi les recarburants de qualité inférieure.
2. Le principe de la carburation du fer en fusion
Lors de la fusion de la fonte synthétique, l'ajout d'une grande quantité de ferraille et la faible teneur en carbone du fer en fusion nécessitent l'utilisation d'un agent de recarburation. Le carbone présent sous forme élémentaire dans l'agent de recarburation a un point de fusion de 3727 °C et ne peut fondre à la température du fer en fusion. Par conséquent, le carbone de l'agent de recarburation se dissout principalement dans le fer en fusion par dissolution et diffusion. Lorsque la teneur en graphite de l'agent de recarburation dans le fer en fusion atteint 2,1 %, le graphite se dissout directement. Ce phénomène de dissolution directe est quasi inexistant pour les agents de recarburation non graphitiques ; avec le temps, le carbone diffuse et se dissout progressivement dans le fer en fusion. Pour la recarburation de la fonte fondue au four à induction, le taux de recarburation avec du graphite cristallin est nettement supérieur à celui obtenu avec des agents de recarburation non graphitiques.
Des expériences montrent que la dissolution du carbone dans le fer en fusion est contrôlée par le transfert de masse du carbone dans la couche limite liquide à la surface des particules solides. La comparaison des résultats obtenus avec des particules de coke et de charbon avec ceux obtenus avec du graphite révèle que la vitesse de diffusion et de dissolution des recarburants à base de graphite dans le fer en fusion est nettement supérieure à celle des particules de coke et de charbon. L'observation au microscope électronique d'échantillons de particules de coke et de charbon partiellement dissoutes a mis en évidence la formation d'une fine couche de cendres collantes à leur surface, principale cause de leur diffusion et de leur dissolution dans le fer en fusion.
3. Facteurs influençant l'effet de l'augmentation du carbone
(1) Influence de la granulométrie du recarburant. Le taux d'absorption du recarburant dépend de l'effet combiné de sa vitesse de dissolution et de diffusion, ainsi que du taux de perte par oxydation. En général, plus les particules du recarburant sont fines, plus la vitesse de dissolution est rapide et la perte importante ; inversement, plus les particules sont grosses, plus la vitesse de dissolution est lente et la perte faible. Le choix de la granulométrie du recarburant est lié au diamètre et à la capacité du four. En règle générale, plus le diamètre et la capacité du four sont importants, plus la granulométrie du recarburant doit être grande ; inversement, elle doit être petite.
(2) Influence de la quantité de recarburant ajoutée. À température et composition chimique constantes, la concentration de carbone à saturation dans le fer en fusion est déterminée. À un certain degré de saturation, plus la quantité de recarburant ajoutée est importante, plus le temps de dissolution et de diffusion est long, plus les pertes sont élevées et plus le taux d'absorption est faible.
(3) Influence de la température sur le taux d'absorption du recarburant. En principe, plus la température du fer en fusion est élevée, plus l'absorption et la dissolution du recarburant sont favorisées. À l'inverse, une température trop élevée rend le recarburant difficile à dissoudre et diminue son taux d'absorption. Cependant, si la température du fer en fusion est trop élevée, même si le recarburant a plus de chances d'être totalement dissous, le taux de perte de carbone par combustion augmente, ce qui entraîne une diminution de la teneur en carbone et, par conséquent, du taux d'absorption global du recarburant. Généralement, l'efficacité d'absorption du recarburant est optimale lorsque la température du fer en fusion se situe entre 1460 et 1550 °C.
(4) Influence de l'agitation du fer en fusion sur le taux d'absorption du recarburant. L'agitation favorise la dissolution et la diffusion du carbone et empêche le recarburant de flotter à la surface du fer en fusion et de brûler. Avant la dissolution complète du recarburant, une agitation prolongée entraîne un taux d'absorption élevé. L'agitation permet également de réduire le temps de maintien en carbonisation, de raccourcir le cycle de production et d'éviter la combustion des éléments d'alliage présents dans le fer en fusion. Cependant, une agitation excessive nuit non seulement à la durée de vie du four, mais aggrave également les pertes de carbone dans le fer en fusion après dissolution du recarburant. Il convient donc de déterminer une durée d'agitation appropriée du fer en fusion afin de garantir la dissolution complète du recarburant.
(5) Influence de la composition chimique du fer fondu sur la vitesse d'absorption du recarburant. Lorsque la teneur initiale en carbone du fer fondu est élevée, et en deçà d'une certaine limite de solubilité, la vitesse d'absorption du recarburant est faible, la quantité absorbée est réduite et les pertes par combustion sont relativement importantes. La vitesse d'absorption du recarburant est alors faible. L'inverse est vrai lorsque la teneur initiale en carbone du fer fondu est faible. De plus, le silicium et le soufre présents dans le fer fondu entravent l'absorption du carbone et réduisent la vitesse d'absorption du recarburant ; tandis que le manganèse favorise l'absorption du carbone et améliore la vitesse d'absorption du recarburant. En termes d'importance relative, le silicium est l'élément ayant la plus grande influence, suivi du manganèse ; le carbone et le soufre ont une influence moindre. Par conséquent, dans le processus de production, il convient d'ajouter le manganèse en premier, puis le carbone, et enfin le silicium.
Date de publication : 4 novembre 2022