La fonderie brûle plus en profondeur
La plupart des défauts de la coulée métallique sont causés par l’utilisation d’un mélange de moulage inapproprié, ce qui donne lieu à des problèmes tels que la brûlure, les points chauds, et d’autres(1).
Brûler est causée par le métal fondu pénétrant peu profondement dans le moule de sable, se produisant généralement lorsque le moule devient assez chaud pour permettre la décomposition partielle du liant, permettant au métal fondu de s’écouler dans le sable(2). Lorsqu’un métal est liquide pendant une période légèrement allongée, il peut également y avoir une brûlure. Le phénomène se déroule généralement dans les coins, à côté de sections épaisses de coulée et sur des noyaux minces(3). On ne sait pas combien de temps est nécessaire pour produire un tel effet.
Un autre terme pour les cas les plus graves de brûlure est « énétration ». C’est là que la surchauffe localisée (« oints chaud ») provoque un flux plus profond dans le moule(4). Dans l’ensemble cependant, les deux nécessitent l’usinage post-coulée pour enlever ces défauts de surface.
Étroitement lié à la brûlure est «brûler dans», plus correctement connu sous le nom de fusion. L’effet net de la brûlure est similaire à la brûlure sur, mais diffère dans la taille et la distribution des défauts. Une autre brûlure connexe sur le phénomène est le frittage des composants d’argile et de silicate dans un sable, s’il est présent, permettant la formation de silicates de fer dans le cas d’un moulage de fer/acier. Le frittage et la fonte de ces composés permettent au métal fondu de pénétrer plus loin dans le moule à sable(5)
Brûler et brûler ne sont que quelques exemples de défauts de surface causés par l’interaction du métal fondu et du sable de moulage. D’autres défauts incluent ceux causés par la transition des éléments du sable de moulage au métal et vice versa (par exemple le silicium et le phosphore du sable et du manganèse et du fer du métal) causant un changement chimique à la surface(6), et potentiellement des changements physiques à la microstructure de coulée et donc la surface et les propriétés en vrac du produit final.
Mouillage est une question souvent citée dans le moulage, et est un facteur contributif dans la combustion fonderie sur. Les manifestations de mouillage s’apparentent à beaucoup d’autres brûlures sur des phénomènes - le métal liquide adhère au sable et/ou aux oxydes présents, ce qui signifie que le produit moulé n’est pas lisse ou d’épaisseur égale à la sortie du moule - il sera parsemé de bavures et d’autres défauts à intervalles irréguliers. Comme pour d’autres défauts de surface, les effets du mouillage doivent être éliminés par usinage à la main ou par un autre collecteur de traitement post-moulage. L’augmentation du temps et des coûts de main-d’œuvre peut nuire aux résultats financiers d’une fonderie en diminuant de façon significative l’efficacité de la production(7).
La science derrière le mouillage est complexe et implique une compréhension détaillée des sciences de surface. En bref, cependant, mouiller est la capacité d’un liquide et solide de maintenir le contact à la suite d’interactions de surface. Si une interaction est décrite comme «fortement mouillage», alors il a une bonne interaction solide-liquide. Inversement, si une interaction doit être décrite comme « mal mouillante », le degré d’interaction solide-liquide est faible. Les matériaux qui peuvent réduire la probabilité de fortes interactions de mouillage se produisent sont idéalement adaptés aux situations où la brûlure pourrait devenir un problème - il va de soi que s’il ya une mauvaise interaction entre solide et liquide (sable et / ou moisissure et métal), alors il y aura moins ou même potentiellement zéro défauts de surface. Il convient de noter qu’un moule qui a fait l’objet d’un mouillage ne peut pas être réutilisé dans son état actuel - un ajout supplémentaire aux coûts. Une discussion détaillée sur la wettabilité dépasse le cadre de cet article.
Poussière de charbon
La poussière de charbon est le produit produit lorsque le charbon est finement moulu. Typiquement, il sera d’une meilleure qualité de charbon comme l’anthracite et non le lignite. Les charbons de meilleure qualité ont des proportions plus élevées de carbone pur, et brûlent donc beaucoup plus proprement sans la libération de gaz toxiques tels que ceux associés à la combustion du charbon bitumeux. Dès 1945, des études menées en Grande-Bretagne ont montré que les conditions industrielles dans laquelle le charbon avait été utilisé dans un environnement de fonderie étaient médiocres pour la santé - notamment en raison de l’évolution des gaz toxiques(8). L’utilisation de charbons de meilleure qualité réduit la quantité de gaz nocifs produits en raison de la diminution du soufre et des matériaux bituminous présents.
La poussière de charbon est un produit peu coûteux et est largement utilisée dans les industries de la fusion et de la coulée, dans le cadre des réfractaires, par exemple. Il s’agit d’un additif crucial pour sabler un greensand moulages en raison de sa capacité à réduire / prévenir les défauts associés à la liaison des métaux aux sables.
Prévention de la brûlure de fonderie
Brièvement, pour prévenir les
brûlures de fonderie;
en augmentant la quantité de matières carbonées dans le moule de coulée, la quantité de coke et de carbone brillant augmente. Lors du chauffage, ces pyrolyse (pas combustible*) et fournissent une couche de gaz et une couche de carbone mince entre le métal fondu et le moule de coulée de sable. Même une petite couche est suffisante pour éviter des quantités importantes de brûlure en ne permettant pas au métal fondu d’entrer en contact avec le sable. On pensait auparavant que la formation de l’enveloppe gazeux était le principal facteur limitant les défauts de surface de combustion sur type, mais la réalisation d’une formation de couche de carbone a largement limité la poche gazeux à une mesure préventive secondaire.
Pour un moulage de fer conventionnel, lorsqu’un sable ou un moule vert et avec une teneur suffisante en poussière de charbon est utilisé, les hydrocarbures dans celui charbon se pyrolysent immédiatement en raison de la chaleur importante provoquée par le métal fondu. Un mince film de carbone solide est rapidement déposé à l’interface sable liquide, ce qui empêche la pénétration du métal dans le sable et vice versa et offre une excellente finition de surface, sans bavures métalliques saillantes. Ce comportement non mouillant est inattendu car le carbone est soluble dans de nombreux métaux, mais s’explique par une couche de carbone solide (sur le métal) qui entre en contact avec un carbone solide plus tard (sur le sable).
Des spécifications pour les types de carbone idéalisés ont été proposées. Les sources de poussière de charbon qui sont principalement anthracite, qui ont une bonne capacité de cokéction, qui n’ont pas plus de 30 % de substances volatiles en poids, dont le poids est inférieur à 0,8 % et dont la teneur en cendres est faible sont privilégiées(9). Dès la fin des années 1960, la littérature sur les brevets suggère que des teneurs de charbon de meilleure qualité étaient utilisées à partir de ce moment-là pour remplacer la poussière de charbon à large spectre. Les auteurs de brevets ont suggéré que l’anthracite à une taille de mouture de 0,3 mm en quantités jusqu’à 3 % en poids serait suffisante pour remplacer la poussière de charbon(10). Les mêmes auteurs ont continué à prétendre que l’anthracite, lorsqu’il est utilisé, a produit une plus grande proportion de carbone lustré. Ce carbone lustré est le même que le «film mince» déposé à la surface métal-sable / moule, comme mentionné précédemment.
La pyrolyse ne se limite pas aux matériaux carbonés dans le moule. Les liants peuvent également se décomposer dans cette méthode, et selon les composants du liant, ils peuvent améliorer ou aggraver la finition de surface. L’uréthane et d’autres liants organiques se décomposent de la même manière que la poussière de charbon et ne fournissent aucun défaut de surface, et dans certains cas, des finitions de surface supérieures. D’autre part, les liants qui contiennent des furannes, des acides sulfoniques ou phosphoriques peuvent pyrolyser dans des matériaux causant des défauts de surface. La vapeur d’acide phosphorique peut réagir avec de l’oxyde de fer ou de la chromite (dans le cas de greensand) et former du phosphate de fer, qui peut interagir avec les composants d’un métal ferreux en fonte. Les acides sulfoniques peuvent réagir avec de nombreux composants dans le sable dans des conditions de température élevée, formant éventuellement des sulfonates et enfin des sulfures. Ces sulfures peuvent endommager les matériaux coulés. En ce qui concerne ces effets chimiques de brûlure sur type, suffisamment de poussière de charbon dans le sable peut les empêcher par les méthodes susmentionnées.
La poussière de charbon dans un mélange de coulée de sable est associée à des augmentations de pression(11). Ces augmentations sont apparemment spectaculaires (seulement 5% de la poussière de charbon dans un mélange greensand se traduira par une augmentation de pression deux fois celle des verts et seul) mais sont bien dans les tolérances et il ya peu de risque pour le moule ou la boîte de sable. Naturellement, une augmentation de pression est à prévoir en raison de l’évolution des gaz de la combustion de la poussière de charbon, en plus de l’évaporation de l’eau du sable. En raison de son petit rayon atomique, le seul problème potentiel avec une pression élevée est s’il y a de l’hydrogène présent. L’hydrogène pourrait pénétrer dans le métal(12).
Comme nous l’avons mentionné précédemment, un autre type de brûlure est la formation de silicates de fer lorsque la silice réagit avec de l’oxyde de fer, ce qui fait fusionner et fusionner les grains de sable les uns dans les autres, en se déposant sur la surface moulée, qui sont difficiles à enlever(13). La prévention de la formation d’oxyde de fer est essentielle pour atténuer ce phénomène et est également obtenue par la pyrolyse de la poussière de charbon produisant une atmosphère réducteuse dans laquelle l’oxydation du fer ne peut se produire(14). Des effets similaires sont observés avec le chromite de qualité inférieure, qui contient souvent de petites quantités de silice. La réduction des atmosphères est facilitée par la production d’hydrogène gazeux à partir de la pyrolyse de la poussière de charbon et d’autres matériaux, ce qui peut aider à prévenir la formation d’oxydes et de silicates(15).
En plus d’empêcher la combustion de fonderie, on dit que l’ajout de poussière de charbon à un mélange de sable augmente modérément la résistance compressive du sable, probablement en raison de bonnes associations se formant avec l’argile(16).
Dans l’ensemble, on peut dire avec confiance que l’utilisation de la poussière de charbon augmente la qualité globale de la coulée en empêchant la combustion sur, brûler et d’autres processus d’interaction. En outre, il ne faut pas oublier que l’anthracite peut se comporter comme un matériau réfractaire à part entière (un matériau très tolérant aux changements physiques ou chimiques lorsqu’il est exposé à des températures élevées) et qu’une partie de l’attrait d’anthracite dans le cadre des moulages de fonderie est liée à cette propriété. Anthracite comme un matériau réfractaire est discuté en profondeur ailleurs sur ce site.
Considérations opérationnelles
Comme pour tous les hydrocarbures susceptibles de brûler, une quantité de polluants sera produite. Si la poussière de charbon utilisée est une teneur en poudre plus élevée de charbon, comme l’anthracite, elle émettra beaucoup moins de polluants dangereux (17) que le charbon bituminous de qualité inférieure(18). Les charbons de qualité inférieure (encore plus bas que le bitume) contiennent moins de carbone pur et plus de soufre et de matières résineuses. Le lignite, par exemple, a une teneur en carbone comprise entre 20 et 35% - rendant son utilisation uniquement pour la production d’électricité car il est une qualité trop pauvre pour pratiquement n’importe quoi d’autre. Il ya une telle chose comme trop de poussière de charbon - trous de gaz, misruns et la formation d’une peau bleue sur le moulage sont tous les résultats possibles. En outre, des niveaux élevés de poussière de charbon dans le sable vert peuvent causer une diminution de la perméabilité et des besoins accrus en humidité. Les quantités typiques de poussière de charbon utilisées dans les moules à coulée de sable dépassent rarement 5 %, car plus que cela réduit la perméabilité du mélange de sable et nécessite plus de teneur en liants(19).
Ajoutant aux avantages susmentionnés de la poussière de charbon pour prévenir les défauts de surface, la poussière de charbon augmente la
réfraction
du moule de sable vert, et en tant que tel le moule peut résister à une température plus élevée, avec la poussière de charbon ayant une température de fusion supérieure à 1.600 °C.
Il a également été démontré que l’anthracite calciné a une utilité dans l’anti-brûlure sur les applications comme source de carbone, où il se comporte de façon beaucoup similaire à l’anthracite conventionnel, mais convient mieux aux fonderies fonctionnant avec des températures de coulée significativement plus élevées(20). Peut-être contre-intuitivement, cependant, l’anthracite calciné contenant des charges et des additifs de sable de moulage n’a pas eu de meilleures propriétés de stabilité comparées à leurs homologues non calcinés, ou à celle des charbons conventionnels de qualité inférieure.
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