Procédé de fusion de l'acier coulé : fusion au four à arc électrique, affinage et contrôle métallurgique

La fusion et l'affinage sont les procédés fondamentaux de la fonderie moderne. La qualité du métal en fusion produit lors de ces étapes détermine directement les propriétés mécaniques, la solidité interne, la résistance à la corrosion et la durée de vie de la pièce moulée finale. Face aux exigences croissantes des applications de fonderie dans des secteurs tels que le pétrole et le gaz, la production d'énergie, les engins de construction, les équipements miniers, les machines forestières et le génie naval, le choix des technologies de fusion et d'affinage appropriées est devenu une décision d'ingénierie cruciale, et non plus une simple procédure opérationnelle.

La fusion est le procédé qui consiste à fondre des matières premières métalliques — notamment des déchets d'acier, de la fonte brute, des retours de production, des ferro-alliages et des métaux vierges — pour obtenir un métal en fusion homogène, tout en atteignant la composition chimique souhaitée. L'affinage, souvent appelé métallurgie secondaire, fait suite à la fusion et vise à améliorer la pureté du métal en éliminant les impuretés, les gaz dissous, le soufre, le phosphore et les inclusions non métalliques, tout en ajustant la composition chimique de l'alliage et la température.

Le choix du four de fusion dépend principalement du type d'alliage, du volume de production, de la taille de la pièce coulée et des exigences de qualité.

Pour la production en grande série de pièces moulées en fonte grise et en fonte ductile, le cubilot reste une option économique grâce à sa capacité de fusion élevée et son faible coût énergétique. Cependant, la fusion au cubilot introduit du soufre provenant de la combustion du coke, ce qui la rend moins adaptée aux pièces moulées de haute qualité exigeant un contrôle chimique rigoureux.

Aujourd'hui, les fours à induction moyenne fréquence sont devenus l'équipement de fusion dominant dans les fonderies d'acier. L'induction électromagnétique assure un chauffage rapide et uniforme, un excellent contrôle de la température, de faibles pertes par oxydation et une contamination minimale. Les fours à induction sont particulièrement adaptés à l'acier au carbone, à l'acier faiblement allié, à l'acier inoxydable, à l'acier inoxydable duplex et aux alliages réfractaires. Des composants tels que les corps de vannes, les corps de pompes, les carters d'engrenages, les collecteurs hydrauliques, les pièces de concasseurs et les pièces moulées de machines forestières bénéficient grandement de la fusion par induction, car leurs propriétés mécaniques dépendent fortement de la composition précise de l'alliage.

Les fours à arc électrique (FAE) sont largement utilisés dans la production d'acier à grande échelle et les fonderies lourdes. Leur capacité de fusion élevée les rend idéaux pour la production de pièces moulées massives pesant plusieurs tonnes. Comme les FAE fusionnent efficacement les déchets d'acier recyclés tout en atteignant des températures extrêmement élevées, ils sont généralement associés à des unités d'affinage secondaires pour obtenir un acier de qualité supérieure.

Le processus de raffinage doit toujours correspondre à la fois au système d'alliage et aux exigences fonctionnelles de la pièce moulée.

Pour les pièces moulées en acier au carbone, la désoxydation est essentielle afin d'éliminer l'oxygène dissous, susceptible de provoquer des soufflures et des défauts de retrait. L'aluminium, le ferrosilicium et le ferromanganèse sont couramment ajoutés pour produire un acier calmé présentant une meilleure intégrité interne.

Les aciers faiblement alliés nécessitent souvent une désulfuration pour améliorer leur ténacité et leur résistance à la fatigue, notamment pour les composants soumis à des charges cycliques tels que les équipements de levage, les engins de construction et les composants miniers.

Les pièces moulées en acier inoxydable nécessitent un raffinage beaucoup plus sophistiqué, car l'oxydation du chrome doit être minimisée tout en préservant la composition chimique de l'alliage. C'est pourquoi la décarburation à l'argon et à l'oxygène (AOD) est devenue le procédé de raffinage privilégié pour la production d'acier inoxydable. Lors du raffinage AOD, un mélange d'argon et d'oxygène élimine sélectivement le carbone tout en préservant le chrome. Ce procédé permet d'obtenir un acier inoxydable plus pur, présentant une résistance à la corrosion et des propriétés mécaniques supérieures.

Pour les aciers inoxydables à très faible teneur en carbone, les alliages aérospatiaux et les superalliages à base de nickel, on utilise fréquemment la décarburation sous vide à l'oxygène (VOD) ou le raffinage sous vide. Ce procédé, réalisé sous pression réduite, permet l'évacuation des gaz dissous tels que l'hydrogène et l'azote, tout en garantissant des teneurs en carbone extrêmement faibles, impossibles à atteindre dans des conditions atmosphériques normales.

L'affinage en poche de coulée est un autre procédé de métallurgie secondaire largement répandu. Après fusion, l'acier liquide est transféré dans une poche de coulée où sont effectués les ajustements d'alliage, l'homogénéisation de la température, la flottation des inclusions, le traitement au calcium et le conditionnement du laitier. L'affinage en poche de coulée améliore considérablement l'homogénéité chimique et la régularité des pièces coulées, notamment pour les composants soumis à la pression.

Le choix de la technologie d'affinage doit également tenir compte des conditions d'utilisation de la pièce moulée finie. Les pièces moulées structurelles courantes, les bâtis de machines et les contrepoids peuvent se contenter d'une désoxydation et d'un décrassage conventionnels, leurs exigences de performance étant relativement modestes. À l'inverse, les corps de vannes sous pression, les corps de pompes, les composants de turbines, les équipements offshore, les vérins hydrauliques et les pièces moulées pour les secteurs nucléaire ou pétrochimique requièrent un métal en fusion d'une pureté exceptionnelle. Ces composants subissent souvent une fusion par induction suivie d'un affinage au laser LF, d'une filtration sur mousse céramique, d'un brassage à l'argon et, si nécessaire, d'un dégazage sous vide afin de minimiser les inclusions, la porosité et les défauts gazeux.

En définitive, aucun procédé de fusion ou d'affinage n'est universellement supérieur. Les fonderies doivent donc trouver un équilibre entre la qualité métallurgique, l'efficacité de la production, l'investissement en équipements, les caractéristiques des alliages et les spécifications des clients. Un processus de fusion et d'affinage bien conçu permet non seulement de réduire les défauts de fonderie et les coûts d'usinage, mais aussi d'améliorer la fiabilité des produits, d'allonger leur durée de vie et de renforcer la compétitivité de la fonderie sur un marché mondial de la production toujours plus exigeant.