électrométallurgie

Ensemble des procédés, par voie sèche, mis en œuvre pour l’élaboration ou le traitement thermique des métaux et alliages et qui font appel à l’énergie électrique.

Ces procédés comprennent deux groupes : l’électrothermie et l’électrolyse ignée.

Électrothermie

Ces procédés utilisent la conversion de l’énergie électrique en énergie calorifique, avec ou sans réaction chimique, et se distinguent suivant le mode de chauffage électrique. Pour la majorité de ces procédés, leur développement s’explique par des intérêts divers par rapport aux autres modes de chauffage aux combustibles solides, liquides ou gazeux :
— montée rapide en température et obtention de hautes températures favorisant les réactions chimiques ;
— homogénéité des traitements par une meilleure répartition calorifique ;
— facilité de conduite, souplesse et meilleure possibilité d’automatisation ;
— protection des opérations contre l’atmosphère du four et contrôle de cette atmosphère protectrice ou du vide, en particulier pour l’élaboration des métaux de haute pureté.

À ces avantages s’opposent certains inconvénients, tels que la valeur élevée des investissements en équipement électrique, la consommation et le prix de l’énergie électrique et, dans certains cas, la nécessité d’une main-d’œuvre technique plus spécialisée.

Procédés de chauffage utilisés

• Le chauffage par résistance électrique est pratiqué soit en utilisant des éléments conducteurs extérieurs à la charge, de haute résistivité (alliages nickel-chrome, molybdène, platine, graphite, carbure de silicium, magnésie), soit en utilisant la charge elle-même, son creuset ou son moufle de maintien. Il est principalement employé pour le traitement thermique des pièces métalliques, le chauffage pour traitement mécanique des semi-produits et les opérations de frittage en métallurgie des poudres.

• Le chauffage par induction électromagnétique permet le chauffage par induction directe de chaleur dans la charge elle-même ou dans le creuset. Les fours et installations se distinguent suivant le niveau de fréquence du courant.
— Dans le chauffage à basse fréquence, jusqu’à 50 Hz, avec noyau magnétique, les installations sont fondées sur le principe du transformateur avec un secondaire à spire unique ou en nombre limité qui constitue le canal de fusion de la charge. Il est utilisé pour la fusion et l’élaboration de métaux non ferreux.
— Dans le chauffage à induction à moyenne (500 à 3 000 Hz) ou haute fréquence (5 000 à 50 000 Hz) sans noyau magnétique, on utilise l’effet d’induction pelliculaire à partir d’un solénoïde (primaire) dans la charge ou le creuset conducteur (secondaire), généralement en réfractaire à base de graphite. Grâce à sa rapidité de montée en température jusqu’à 2 500 °C, à sa souplesse d’emploi avec des formes variées d’inducteurs, à l’absence de contact entre l’élément chauffant et la charge, à l’action de brassage des bains fondus par courants électromagnétiques, ce mode de chauffage s’est particulièrement développé dans des domaines nouveaux de la métallurgie fine : élaboration de métaux à haute pureté et haut point de fusion pour l’énergie nucléaire et l’électronique par le procédé de fusion de zones ou le procédé original de lévitation, la charge en fusion étant maintenue dans l’inducteur par action des courants inductifs, sans contact avec la paroi du creuset ; élaboration de métaux et alliages réactifs soit par fusion, soit par frittage, sous atmosphère de protection ou sous vide ; en cristallogenèse, obtention de monocristaux pour semi-conducteurs ou pour lasers. Longtemps réservées à des productions de qualité, mais limitées quantitativement, les installations à moyenne et haute fréquence sont devenues spécifiques pour l’élaboration sous vide des métaux et alliages, et certaines par exemple ont une capacité de coulée de 10 t d’alliages réfractaires à base de nickel.

Pour le traitement thermique de durcissement superficiel de pièces mécaniques en acier telles que des engrenages, des cylindres de laminoirs, le chauffage par induction permet de localiser en surface les zones à tremper, sans échauffement notable du cœur des pièces, qui conservent une dureté faible.

• Le chauffage à l’arc électrique depuis sir William Siemens (1823-1883) en 1880 et Henri Moissan (1852-1907) en 1892 a pris un essor rapide qui a permis vers 1900 l’utilisation industrielle de ce mode de chauffage pour de nombreuses élaborations métallurgiques. Deux techniques principales ont été utilisées, soit avec un arc libre extérieur à la charge, soit avec un arc jaillissant sur la charge. C’est le four Héroult à sole non conductrice, à arc jaillissant sur la charge par trois électrodes (montage triphasé en étoile) qui est le plus utilisé, surtout en sidérurgie. Il permet d’atteindre des températures supérieures à 3 000 °C avec des charges de 250 t, pour l’élaboration des aciers fins et spéciaux (aciers dits « électriques »), des fontes et des aciers réfractaires et des ferro-alliages. La haute température de l’arc électrique facilite les réactions des laitiers avec les bains métalliques, et ce procédé est le seul qui permette l’élaboration des ferrochromes suraffinés. Le haut fourneau électrique, qui est utilisé plus couramment en Suède en raison du plus bas coût de l’énergie électrique, dérivé du four Héroult, permet l’obtention directe de fontes spéciales à partir des minerais.

La technologie de la fabrication des électrodes est un élément essentiel du bon fonctionnement des différentes installations à arc électrique.

À base de coke d’anthracite, ou mieux de graphite, les électrodes dites « discontinues » pour installations moyennes sont fabriquées séparément suivant le procédé Acheson par chauffage à 2 500 °C durant 2 à 3 jours et refroidissement très lent en plus de 20 jours.

Pour les fours de grande production, le procédé Söderberg permet la fabrication des électrodes en continu sur le four lui-même ; une pâte est introduite à la partie supérieure d’une enveloppe cylindrique, et la confection de l’électrode par graphitisation se poursuit en continu par réchauffement même de l’électrode.