plasmas thermiques en métallurgie applications...

1

Plasmas thermiques en métallurgieApplications industrielles

P. [email protected]

Copyright : Diffusion gratuite, merci de citer l’auteur en cas d’utilisation

Applications métallurgiques

Les plasmas thermiques sont très utilisés dans différents domaines de lamétallurgie on peut citer entre autre :

- Le soudage- La découpe de métaux- La fusion de matériaux- Le chauffage forte puissance

Souvent dans ces procédés, le métal à traiter est pris comme électrode (anodegénéralement, cathode plus rarement)

Applications métallurgiques des plasmas

Config d’arc

2

Configuration courante : arc transféré

Cathode

Anode

Plasma-

+

Dans toutes ces applications, ce sont généralement des configurations à arc transféréqui sont utilisées. Cet arc peut être libre ou plus généralement soufflé.

Soufflage

Procédé soudage

Les procédés de soudage

Généralités soudage

3

L’assemblage de pièces est utilisé dans de nombreux domaine de l’industrie :

- Produits semi finis tels que des poutrelles.- Fabrications mécaniques pour les voitures, bateaux,aéronautique…- Composants mécaniques tels que l’assemblage de structures.

Le soudage - Généralités

- Le soudageLe principe de soudure va consister à provoquer la fusion de proche en proche desbords des pièces à assembler (souvent de nature voisine) avec éventuellement unmétal d’apport

- Le brasageLe brasage est une opération qui consiste à assembler deux pièces métalliques parcapilarité d’un métal d’apport dans un joint de recouvrement. Le métal d’apport aun point de fusion toujours inférieur à ceux des métaux à assembler.

Principes d’assemblage

Techniques de soudage

Les différentes techniques de soudage

Illustration procédés

Énergie thermochimique

Énergie électrochimique

Énergiemécanique

Énergie focalisée

Soudageoxyacétylénique

Soudagealuminothermique

Soudage par frictionSoudage par ultrasons

Faisceau laserFaisceau d’électrons

Arc électrique Résistance électrique

Soudage par inductionSoudage par points

Soudage par étincelage

Soudage manuel

Soudage sousprotection gazeuse Autres

Soudage plasmaSoudage sous fluxTIG MIG-MAG

4


Illustration procédé autres

1/ Effet thermique avec ousans apport de métal

Source locale

Q(t)

Joint

Fluxde gaz

Chalumeau

Gaz

M

Arcélectrique

FaisceauxM

Atmosphère contrôlée


Classification par nrj déposée

2/ Effet Thermique + effet mécanique (forgeage)

3/ Effet Thermique + Apport métal (Brasure)

5

Classification par énergie déposée

Fusion et conduction

102 103 104 105 106 107 108 109

Flux d’énergie moyen mis en jeu (W/cm2)

Chalumeau

Arc électrique

Laser

Faisceau d’électrons

Fusionet

vaporisation

Fusionet

conduction

Soudage impossibletransfert thermique

par conduction dominante

Soudage impossiblevaporisation du

métal

Le soudage – Fusion et conduction

Keyhole

Fusion

Conduction

Flux d’énergie < 5.105 W/cm2

Soudure proprePb de pénétrationPb de déformationProblème de pénétration

6

Le soudage – Fusion et vaporisation

Soudage qualité

Flux d’énergie > 5.105 W/cm2

Soudure propreBonne pénétrationPb d’alignement

Soudage qualité 2

p

L

e

Lh

Lb

Non débouchant Débouchant

Rq=p/L Rq=(e+Lb) /Lhp : pénétration

Rq doit être le plus grand possible

Qualité de la soudure : critère géométrique

7

Soudage pénétration

La morphologie de cordon joue directement sur les déformations

Qualité de la soudure : critère de déformation

Qualité de la soudure : discontinuités et impuretés

Notion de pénétration de la soudure

Soudage pénétration

La pénétration naturelle correspond au bain liquide créé par le procédé

8

Notion de pénétration de la soudure

Configuration des plaques à souder

Si l’épaisseur est importante, la pénétration naturelle ne suffit pas à souder les éléments. Il faut alors faire un chanfrein et plusieurs passes

avec un apport de métal

Configuration des plaques à souderBout à bout

Chanfreins

9

Configuration des plaques à souderChanfrein

Soudage arc hitorique

Le soudage à l’arc

La technique de soudage à l’arc a été développée dans

les années 40 pour l’armée américaine afin de soutenir

l’effort de guerre. Le procédé est ensuite récupéré par la

Linde corporation au début des années 50 pour

l’industrie civile.

A cette époque, c’est la technique de soudage

TIG (Tungsten Inert Gas) qui est développée. Plus tard

apparaîtrons les techniques MIG (Metal Inert Gas),

MAG (Metal Active Gas), à électrode enrobées et

sous flux de poudre.

Un peu d’histoire

Les procédés à l’arc

10

Le soudage à l’arc

Il existe principalement quatre types de procédés de soudage à l’arc :

- Soudage à la baguette

- Soudage sous flux de poudre

- Soudage Mig ou Mag

- Soudage à l’electrode de tungstène (TIG)

Soudage à la baguette

Soudage à la baguette

Soudage configuration electrode enrobée

Plaque à traiter prise comme anodeSoudage à la baguette bilan

11

Soudage à l’électrode enrobée

Intensité- Fonctionnement de 50A à

250A en continu ou enalternatif

Enrobage- Il a plusieurs rôles: il protège la soudure et favorise la stabilisation de l’arc

Ame- Proche du métal à souder. Le cordon a des diamètres variables (typ qques mm)

Epaisseur de tôles :entre 5 et 20mm

Métal-Tous les aciers et alliages

poudres

Soudage sous flux de poudre

Soudage configuration Flux de poudre

12

Soudage sous flux de poudre

Intensité- Fonctionnement de 50A à

250A en continu ou enalternatif

Poudres- Elles ont le même rôle que l’enrobage.

fil- Compo proche du métal à souder. Le cordon a des diamètres variables (typ qques mm)

Epaisseur de tôles :entre 10 et 100mm

Métal- Tous les aciers et alliages

TIG

La soudure plasma : Principe TIG

4

Soudure du métal

Plaque à traiter prise comme anode

Injection de gaz primaire

Configuration d’arc transféré

Apport de métal (facultatif)

Soudage configuration TIG

TIG = Tungsten Inert Gas

-

+

Dépôt d’environ 50W/mm2

Effondrement

TIG double flux

13


4

Soudure du métal



Injection de gaz secondaireConfiguration d’arc transféré


Soudage configuration TIG – double flux


-

+


Effondrement moindre

Constriction


4

Soudure du métal



Injection de gaz secondaire

Configuration d’arc transféré


Soudage configuration TIG constirctée


-

+

Effondrement + Keyhole


TIG alimentation

14

Principe TIG : Mode d’alimentation

TIG Bilan

- Alimentation continue polarité directeCe type d’alimentation est le plus couramment utilisé. L’intensité

oscille très peu au cours du temps.

-Alimentation pulséeL’intensité présente des créneaux dont la longueur est adaptée au temps defusion et resolidification du matériau. La soudure se fait donc par fusionssuccessives et est très contrôlée.

-Alimentation continue polarité inverseEn polarité inverse, la pièce à souder devient cathode et le transfertthermique devient complètement différent. Ce mode peut être trèsavantageux pour les métaux à forte capacité d’émission. Cela permet parexemple de nettoyer la pièce d’éventuels oxydes qui sont ainsi vaporisés.

- Alimentation alternativeCe type d’alimentation permet de cumuler les avantages de l’alimentation pulsée et de la polarité inverse

La soudure plasma – TIG : Alimentation

+

-

+

+

+

+

Forte pénétrationNettoyage faible

I

t

-

+

+

+

+

+

Faible pénétrationNettoyage important

I

t

+

-

+

+

+

+

Pénétration moyenneNettoyage correct

I

t

15

La soudure plasma – TIG : Alimentation

I

t

I

t

Pénétration et nettoyage équilibrés

Pénétration plus profondenettoyage moins efficace

I

t

Pénétration moins profondenettoyage plus efficace

La soudure plasma - TIG

Intensité- Fonctionnement autour de200A en continu, en pulsé ou en

alternatifGaz plasmagène :

- Gaz inerte (argon en général)Tuyère :

- Simple ou double, avec ou sans constriction

Epaisseur de tôles :- entre 1 et 15mm

Métal-Tous les aciers, aciers inoxydable, nicker, alliage

1 : Gaz de gaine2 : Gaz de soudure3 : Cathode4 : Pièce à traiter ≡ anode

Soudure du métal1

2

3

4

Vitesses

16

La soudure TIG - Vitesses

Le procédé TIG conventionnel va êtreutilisé pour les faibles épaisseurs et va plusvite que le TIG « constricté ». Ce derniern’est pas utilisé sur les faibles épaisseurscar il amènerait trop d’énergie etdécouperait plutôt que de souder.A plus fortes épaisseurs, il est préférabled’utiliser le TIG « constricté » car cedernier présente une pénétration naturellebien plus importante.

MIG-MAG

La soudure plasma : Principe MIG-MAG

Soudure du métal

Plaque à traiter prise comme cathode


Soudage configuration MIG-MAG

MIG = Metal Inert GasMAG = Metal Active Gas

Apport de métalpar l’anode

+

-

MIG = Gaz inerteMAG = Gaz oxydant


17

MIG-MAG : Mode d’alimentation

Les premiers dispositifs MIG-MAG fonctionnaient à courantcontinu mais la fusion desgouttelettes induit de fortevariations d’intensité.Pour résoudre ce problème onpeut prendre une alimentationpulsée, réglée sur la formationde gouttes

Bilan

Intensité- Fonctionnement autour de200A

Gaz plasmagène :-MIG : Gaz inerte (argon en général)-MAG : Gaz oxydant (Argon + oxygène)

Fil :-Le fil est de la même nature que le métal à souder

Epaisseur de tôles :- entre 1 et 15mm

Alimentation-Pulsée

Métaux- Tous aciers, acier inoxydable

1 : apport par le fil2 : Gaz de soudure3 : Cathode4 : Pièce à traiter ≡ anode

La soudure plasma : MIG-MAG

+

-

12

4

3

avantages

18

La soudure plasma TIG – MIGAvantages inconvénients

• Construction métallique• Charpente métallique • Mécano soudure • Rechargement • Construction navale

• Personnel qualifié• Projections • Accès plus ou moins difficile (encombrement de la torche)• Aspiration de fumée difficile

• Tous matériaux • Rendement plus élevé • Pas de laitier • Toutes positions

MIG-MAG

• Métaux de faible épaisseur• Assemblage haute pression • Tuyauterie

• Faible taux de dépôt• Faible rendement• Sensible aux courants d'air • Apport de chaleur élevé• Protection à l’envers (INOX)

• Soudage tous matériaux• Qualité de la soudure • Bel aspect • Pas de laitier • Pas de projection • Bonne protection à l'oxydation • Apport de chaleur indépendant du métal d'apport • Soudage toutes positions

TIG

applicationsinconvénientsavantagessoudage

Vitesse

Comparaison des différents procédés

Hybride

19

De plus en plus de soudage « hybride »

Laser + arc

decoupe

Le soudage – Contexte économiqueÉchanges mondiaux à l’exportation sur les installations en 2006

Soudage TIG40.80M€ - 20%

Thermochimique18.67M€ - 9%

Soudage parrésistance

59.8M€ - 29%

Soudage parlaser ou faisceau

4.09M€ - 2%

Soudage MIGMAG

82M€ - 40%

Installations plasmas : 60% des échanges 120M€Consommables : 70M€

(Sources : douanes françaises)

20

Les procédés de découpe

generalite

La découpe de métaux est utilisée dans tous les domaines de l’industrie. On peut citer entreautre la fabrication des voitures, avions bateaux….

La découpe - Généralités

Le principe de découpe consiste évidemment à séparer une pièce métallique en deux. Pourcela il existe bien entendu des procédés mécaniques tels que le poinçonnage mais dansl’industrie, les plus utilisés sont les procédés par jet de fluide. Hormis la découpe par jetd’eau qui est un cas particulier, la découpe par jet de fluide consiste à l’action combinéed’une source de chaleur et d’un flux gazeux. La source de chaleur fait fondre localement lemétal que l’on veut traiter et le jet de fluide éjecte ce métal fondu.

Les principaux procédés par jet de fluide sont les suivants :- Découpe laser- Oxycoupage- Découpe plasma

Principe de découpe

historique

21

Quelques dates importantes pour la découpe

1900 Industrialisation du procédé d’oxycoupage

1940 Arc de soudage pour l’effort de guerre américain1950 Première commercialisation d’un arc de soudage pour l’industrie

civile

1957 Dépôt d’un brevet concernant un arc de découpe de forte puissance par la Linde Corporation

1963-77 Découpe sous air, Vortex d’eau, Découpe sous eau

1980 Industrialisation de la découpe laser

1980 Découpe à faible puissance1983 Découpe sous oxygène

1990 Découpe « haute densité d’énergie»

Principe jet de fluide

Découpe de métaux par jet de fluide - principe

Découpe de métaux

3

Chauffage local :-Laser-Oxydation (exothermique)- Plasma

Flux gazeux- Éjection du métal fondu

Découpe par jet de fluide

Injection de gaz

Procédés par voie thermique

22

Les procédés de découpe parvoie thermique

Oxycoupage : coupe par oxydation du fer

☺ Découpe sur de grandes épaisseurs

☺ Faible coût, faible pollution

Déformations thermiques, précision moyenne

Découpe laser : coupe par vaporisation du métal

☺ Grande précision, pas de déformations

Epaisseurs moyennes

Coût très élevé

Découpe plasma coupe par fonte et éjection du métal

☺ Découpe sur de grandes épaisseursPeu de déformation, bonne précision, coût moyen

Scories, pollution

Laser

La découpe laser

Gaz de coupeFaisceau laser

Lentille de focalisation

Plaque à couper

Verre de protection

Découpe laser

Oxycoupage

23

L’oxycoupage

Découpe oxygène

Oxygène

Oxygène de chauffe +Gaz combustible

Plaque à couper

Oxygène de chauffe +Gaz combustible

plasma

Arc transféréentre la cathode et la plaqueForce vive du jet

éjecte le métal en fusion

-

eau

gaz

arc

+Plaque à couper( anode)

La découpe plasma : principe

Découpe de métaux par procédé plasmas

Gaz pour la decoupe

24

Gaz pour la découpe

Gaz plasmagènes utilisésDensité de masse élevée

De manière a pouvoir éjecter facilement le métal fondu, le gazplasmagène doit avoir une densité de masse élevée. De bons candidats sont donc del’argon, de l’oxygène ou encore de l’azote

Forte conductivité thermiquePour un transfert de chaleur optimum, la conductivité thermique du

gaz doit être élevée. Dans ce cas la l’argon n’est pas un tres bon condidat. Il estnécessaire de le mélanger avec de l’hydrogène. Par contre l’azote, l’oxygène ou unmélange des deux conviennent.

Oxy azote

Gaz pour la découpe

Gaz plasmagènes utilisésAzote

Peu d ’usure à la cathodeQualité de coupe très médiocre

- Scories- Retraitement chimique des pièces

OxygèneBonne qualité de coupe

- Peu ou pas de scories- Pas de retraitement

Usure très importante de la cathode- Pas plus de 50 allumages

Propritétes des gaz

25

Propriétés des gaz – Densité de masse

kappa

Propriétés des gaz – conductivité thermique

Config torches

26

La découpe plasma – configuration industrielle

Refroidissement

(1) Coiffe

(3) Tuyère

(2) Injecteurs

(4) Cathode

(1)(3)

(4)

(2)

La découpe plasma – configuration industrielleSous eau

Sous eau

27

La découpe plasma – configuration industrielleSous eau

Caracteristiques decoupe plasma

La découpe plasma – Caractéristiques

Intensité- A forte puissance ∼ 500A- A faible puissance ∼ 60A

Gaz plasmagène :- Azote, Oxygène, Ar-H2

Tuyère (diamètre):- A forte puissance ∼ 4mm- A faible puissance ∼ 1mm

Epaisseur de tôles :- A forte puissance > 10mm- A faible puissance∼qques mm

1

2

3

1 : Gaz de découpe2 : Cathode3 : Pièce à traiter ≡ anode

Fusion et éjectiondu métal

Vitesse de coupe

28

Comparaison des différents procédés

Etude des phenomènes à la plaque

Plasma

Rayonnement

Conduction

Electrique

Vaporisation

Convection

Plaque à couper

Limite zone préchauffée

Liquide Solide

Front de fusion

Oxydation

Métal liquide

Conduction

Phénomènes mis en jeu lors de la découpe

29

Problèmes liés à la découpe

Chanfreinou

dépouille

Largeur de trait

Zone Affectée Thermiquement

Angle de traîneou

retardScories

Sens de coupe

Nemchinsky

Les fours à arc

30

Les plasmas sont souvent utilisés pour l’énergie de chauffage importante qu’ils peuventfournir. Le domaine d’application ici est essentiellement le domaine sidérurgique avecdiverses applications

- Le chauffage des hauts fourneaux- Le chauffage de bain de métal liquide dans les répartiteurs de coulées- Recyclage de déchets métalliques pour produire de l’acier de hautequalité

Chauffage plasma forte puissance

Lors de la coulée de bain métalliques pour la fabrication de lingots d’acier, il est nécessairede maintenir la température de l’acier de façon très précise sinon on risque de créer denombreux défauts. Pour cela deux grandes techniques co-existent :

- Le chauffage par induction- Le chauffage par arc transféré

Chauffage de coulées

Production de l’acier

2 filières principales

Filière « fonte » par fusionde minerais dans des

hauts fourneaux

Filière électriquepar recyclage des

ferrailles

Affinage par ajout d’éléments pour obtenir différentes propriétés mécaniques

Coulée continue + Laminage

31

Production mondiale de l’acier

Chiffre d’affaire en 2003 pour l’UE 25 : 138 Milliards d’euros

Four à arc - Principe

Four à arc en AC

Électrodes en graphite

Couvercle refroidi par eau

Matériaux réfractaires

Lances pour raffinage

Évacuationdu métal liquide

Grandeurs Caractéristiques

300V<V<1000V5kA<I<80kA

Largeur caractéristique : 10mDiamètre électrodes : 0.7m

AlimentationAC

masse

32

Four à arc en DC

Cathode en graphite

Couvercle refroidi par eau

Matériaux réfractaires

Lances pour raffinage

Évacuationdu métal liquide

Grandeurs Caractéristiques

300V<V<1000V5kA<I<150kA

Largeur caractéristique : 10mDiamètre électrodes : 1m

Moins d’usure de la cathode

AlimentationDC

Anode en fondde cuve

Four à arc - Principe

Brûleurs pour les points froidsFonctionnent souvent au fuel

Four à arc – PrincipeProblème de chauffage

Chauffage par rayonnement

33

Four à arc – PrincipeAlimentation électrique

(www.steeluniversity.org)

Étapes de production de l’acier par four à arcChargement du four

Poudre d’acier

Chaux(CaO)

Copeaux

Acier « grossier »

Le couvercle du four est pivotant.

Le four est chargé en premierpar des copeaux pour couvrirle fond puis de l’acier grossieret enfin des poudres issues dela métallurgie. Sur les cotésde la chaux est placée pourles brûleurs et pour créer unecouche isolante.

Durée : 5minCapacité :

34

Étapes de production de l’acier par four à arcAllumage de l’arc, fusion

1 : amorcage 2 : Fusion à puissance élevée

3 : Fusion à puissance élevée (25 min) 4 : Bain métallique

Étapes de production de l’acier par four à arcRechargement, affinage, coulée

5 : Rechargement (5min) 6 : Fusion à puissance élevée (25 min)

7 : Affinage (30 min)(faible puissance)

8 : Coulée

FeO + C -> Fe + CO (g)

Fe + O2 + C -> 2FeO Montée en

température à 1500°Vers laminage

Laitier (CaO, FeO, SiO2…)

35

Four à arcCaractéristiques de l’arc

- En alternatif chaque électrode est successivement anode ou cathode

+ -Accrochage

diffus

-La température atteint engénéral plus de 15000K

- Le longueur d’arc peut varierde 40 centimètre (dans la phasede fusion à une dizaine de cmdans la phase de chauffage

Composition

Four à arcQuelques ordres de grandeur

Utilisation de l’énergie mise en jeuFour 1 Four 2 Four3

Diamètre de cuve 5.5m 9.8m 6.8m

Puissance du transformateur 35 MVA 162MVA 77MVA

Tension entre phases

450 à 130V

840 à 600V

793 V max

Intensités maximales 45kA 110kA 80kA

Diamètre des électrodes 500mm 710mm 600mm

Production annuelle possible

180000 à

300000t1Mt

250000 à

600000t

36

Étapes de production de l’acier par four à arcProblèmes sur les fours

- Grosses fluctuations très brutales de la tension dues à différents points d’accrochage lors de la fusion. Cela entraîne des variations de puissance et des perturbations sur le réseau

Deux problèmes importants

- Les électrodes en carbone peuvent être cassées en cours de procédé par des morceaux de ferrailles ou des obstacle lors de la fusion. Cela entraîne un coût important non seulement pour le remplacement de l’électrode mais aussi par le temps perdu à la remplacer.

Exemples de fours

Electrodes en carboneFour à arc ABB

plasmas thermiques en métallurgie applications...

Documents