Principes de fonctionnement et caractéristiques du four à arc à consommables sous vide (VAR)

Principes de fonctionnement et caractéristiques du four à arc consommable sous vide (VAR)

Le monde’premier Four à arc consommable sous vide (VAR) a été introduit aux États-Unis en 1950. Ce type de four électrique utilise l'énergie de l'arc électrique pour faire fondre les métaux dans une chambre à vide. Il est principalement utilisé pour la fusion de métaux réactifs et réfractaires tels que le titane, le zirconium et le molybdène, ainsi que pour la production d'aciers résistants à la chaleur, d'aciers inoxydables, d'aciers à outils et d'aciers pour roulements. Depuis son application précoce dans les années 1950 pour la refusion des superalliages, le procédé VAR a démontré des performances exceptionnelles, s'imposant comme une méthode essentielle pour la refusion des alliages à haute température et des aciers spéciaux.

1. Principe de fonctionnement du four VAR

Pendant le fonctionnement, des gouttelettes de métal en fusion se forment à l'extrémité inférieure d'une électrode consommable et tombent dans un bain de fusion. Tout au long de ce processus de formation et de transfert des gouttelettes, des réactions physiques et chimiques spécifiques se produisent, permettant l'élimination de certaines impuretés gazeuses. Une caractéristique clé du VAR est que la fusion se déroule dans un creuset en cuivre refroidi à l'eau (cristalliseur). Cette conception élimine la contamination qui peut provenir des interactions entre le métal en fusion et les revêtements réfractaires. Simultanément, le métal en fusion se solidifie sous un refroidissement intense à l'eau, ce qui donne un lingot uniforme et dense, exempt de porosité de retrait.

Le procédé VAR est réalisé à l'aide d'un arc à courant continu (CC) fonctionnant à basse tension et à courant élevé. Un arc est initialement amorcé entre l'extrémité de l'électrode consommable et la base du creuset, créant une zone de plasma d'arc à haute température entre l'électrode et le bain de fusion. Cette chaleur extrême fait fondre l'extrémité de l'électrode. Les inclusions non métalliques présentes dans l'électrode, telles que les oxydes et les nitrures, sont soit dissociées, soit réduites sous l'effet combiné du vide et de la température élevée, ce qui permet d'obtenir une purification supplémentaire.

Étant donné que le procédé VAR élimine efficacement les gaz, les inclusions non métalliques et certaines impuretés nocives à bas point de fusion, les matériaux obtenus présentent une amélioration significative de l'aptitude au travail à chaud et à froid, de la plasticité, des propriétés mécaniques et des caractéristiques physiques. Notamment, l'anisotropie (différence entre les propriétés longitudinales et transversales) est réduite, ce qui est crucial pour assurer la stabilité, la cohérence et la fiabilité des performances des matériaux.

2. Caractéristiques clés du procédé VAR

En résumé, le four à arc consommable sous vide offre les avantages suivants :

(1) Fusion de haute pureté : Le procédé se déroule sous vide, sans scories ni matières étrangères entre l'électrode et le lingot en solidification, ce qui empêche la contamination pendant la refusion.

(2) Dégazage efficace : Le métal en fusion est directement exposé au vide, ce qui permet une excellente élimination des gaz tels que l'hydrogène, l'azote et l'oxygène.

(3) Contrôle des inclusions : Les inclusions non métalliques, en raison de leur faible densité, ont tendance à flotter vers le haut du bain de fusion, ce qui contribue à une structure interne du lingot très pure.

(4) Solidification rapide : L'utilisation d'un creuset en cuivre refroidi à l'eau assure des vitesses de refroidissement très rapides, ce qui conduit à une structure de lingot uniforme avec une ségrégation minimale.

(5) Flexibilité d'alliage : L'environnement sous vide permet l'ajout d'importantes quantités d'éléments d'alliage, ce qui facilite la production d'aciers alliés de haute qualité.

(6) Productivité accrue : Des temps de coulée courts contribuent à une productivité plus élevée des équipements et à une réduction des coûts de production.

Actuellement, les fours VAR sont disponibles avec des capacités allant de 15 à 200 tonnes. Des procédés tels que le chauffage, le dégazage et l'ajustement des alliages sont effectués en continu sous vide. La conception entièrement fermée, souvent associée à des pompes à vide à éjecteur de vapeur, permet une opération de fusion propre sans pollution environnementale. 

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