Xinda a mené des recherches techniques systématiques sur les soufflures de laitier, un défaut métallurgique typique entraînant des pertes de production importantes et une grande facilité d'interprétation lors de la production de fonte. À travers quatre axes – morphologie et distribution des défauts, mécanisme de formation métallurgique, inspection et identification précises, et stratégie globale de prévention et de contrôle – Xinda a mis en place un système technique intégré et complet. Ce système offre un soutien technique applicable et standardisé aux fonderies du monde entier, leur permettant de résoudre le problème majeur du rebut massif des pièces moulées.

I. Répartition et caractéristiques morphologiques des souffles de scories

Les soufflures de laitier présentent une tendance positionnelle marquée. Elles s'accumulent principalement à la surface de remplissage supérieure des pièces moulées, là où le laitier flottant s'accumule, et un grand nombre adhèrent également à la surface inférieure des noyaux de sable. Le fond des noyaux 1 et 2, illustré sur la figure, constitue une zone typique à haut risque pour ce défaut. La plupart des cavités sont sphériques, tandis que quelques-unes sont irrégulières. La paroi interne des cavités est recouverte d'un film de laitier composite gris à gris-bleu, composé de sulfures et d'oxydes. Certaines cavités contiennent des billes de fer libre précipitées lors de la solidification. La taille des cavités est variable, avec un diamètre généralement ≤ 10 mm, et elles sont regroupées en amas denses.

Les défauts sont pleinement mis en évidence après l'ébauche des pièces moulées. Les pièces présentant des soufflures de laitier sont extrêmement difficiles à réparer et sont presque systématiquement mises au rebut, entraînant des pertes importantes en termes de coûts de production. L'aspect de ce défaut est très similaire à celui des soufflures invasives et des inclusions de sable. Les techniciens sur site ont tendance à attribuer à tort les causes profondes à un séchage insuffisant du moule, à l'oxydation du fer en fusion et à la chute du sable de moule, sans mettre en œuvre de solutions ciblées pour un traitement radical. Pour les lignes de production dépourvues de contrôle des impuretés des matières premières et auxiliaires, de basse température de coulée et de gestion de processus rigoureuse, la fréquence d'apparition des soufflures de laitier augmente fortement.

II. Mécanisme de formation métallurgique des soufflettes de scories

Les soufflures de scories sont des défauts composites formés par le couplage d'inclusions de scories et de gaz précipités, provoqué par deux réactions métallurgiques consécutives :

1. Génération de scories liquides de sulfure de manganèse à bas point de fusion

   Le soufre est présent dans le fer en fusion sous forme de FeS dissous à l'état solide. Il subit une réaction de déplacement exothermique avec le manganèse (Mn) du fer en fusion : FeS + Mn = Fe + MnS. Le MnS ainsi formé est parfaitement miscible avec les scories d'oxydation à base d'oxyde de fer, ce qui abaisse considérablement la température de liquidus des scories et forme des scories composites liquides d'excellente fluidité. Cette réaction de déplacement est exothermique. Les lois de la thermodynamique indiquent que plus la température de coulée est basse, plus la réaction directe est rapide et plus le débit de scories liquides augmente de façon exponentielle. Plus les teneurs initiales en soufre et en manganèse du fer en fusion sont élevées, plus le degré d'enrichissement en scories à bas point de fusion est important, ce qui accroît considérablement le risque de défauts.

2. Formation de cavités coexistant avec des scories et du gaz

   Après l'entrée du laitier liquide dans la cavité du moule avec le fer en fusion, celui-ci s'accumule au fond des noyaux et à la surface des pièces moulées. L'oxyde de fer (FeO) présent dans le laitier réagit avec le carbone de la matrice de fer en fusion pour produire du gaz par réduction : FeO + C = Fe + CO↑. Le CO₂ gazeux se condense en continu, enrobé par le laitier liquide visqueux, et ne peut remonter à la surface. Après solidification de la pièce, des soufflures, contenant à la fois du laitier et du gaz, se forment.

III. Méthodes d'identification hiérarchiques et précises des défauts

Pour distinguer les soufflures de scories des soufflures conventionnelles et des inclusions de scories, Xinda a établi une norme d'identification à triple contrôle couvrant l'examen métallographique, l'analyse chimique et l'inspection du processus sur site :

1. Sélection primaire par identification de la structure métallographique

   Des échantillons métallographiques sont préparés à partir des zones défectueuses. Si des inclusions de sulfure de MnS, continuellement ségrégées et enrichies, sont présentes aux limites des cavités, accompagnées de fines particules de laitier d'oxyde dispersées, le défaut peut être identifié de manière préliminaire comme un trou de soufflage de laitier.

2. Identification précise par analyse de la composition chimique + test d'empreinte au soufre

   Une analyse spectrochimique est effectuée sur les pièces moulées. Lorsque la teneur en soufre (w(S)) dans la fonte liquide se situe entre 0,12 % et 0,14 % et que la teneur en manganèse (w(Mn)) dépasse 0,6 % à 0,8 %, un test d'empreinte de soufre est réalisé sur les sections transversales présentant des défauts. Si des traces de ségrégation de sulfures, structurant l'espacement, sont clairement visibles, la présence de soufflures de laitier est formellement confirmée.

3. Vérification auxiliaire par la température du procédé

   Les données de production industrielle à grande échelle confirment que lorsque la température de coulée stable atteint ≥1300℃, la génération de scories MnS à bas point de fusion dans le système est considérablement inhibée et le taux d'apparition de souffleries de scories diminue sensiblement.

IV. Mesures techniques collaboratives couvrant l'ensemble du processus pour la prévention et le contrôle des défauts

En s'appuyant sur le mécanisme complet de formation métallurgique des soufflures de scories et en combinant cela avec l'expérience pratique de la production à grande échelle sur site, un système intégré de prévention et de contrôle couvrant la fusion, le transport, la coulée et le contrôle des proportions des ingrédients est mis en place :

1. Contrôle précis du champ de température du fer en fusion

   Adopter un procédé de coulée à haute température avec une température finale minimale de 1300 °C. Si la teneur en soufre du fer fondu brut dépasse la norme, la température de coulée peut être augmentée de 30 à 50 °C afin de limiter la formation de sulfure de manganèse d'un point de vue thermodynamique. Réduire la durée du transport du fer fondu et contrôler strictement son temps de maintien dans les poches de coulée. Les poches doivent être entièrement vidées après utilisation. Il est interdit de verser du fer fondu neuf à haute température dans des poches contenant encore du fer fondu à basse température et des scories, afin d'éviter toute réaction de sulfuration due à une chute de température localisée.

2. Amélioration du système d'écrémage et de blocage des scories pour les poches de coulée

   Il convient de privilégier l'utilisation de poches de coulée à scories de type « théière » pour assurer la décantation et la séparation des scories de four grâce à une conception structurelle adaptée. Des agents de formation de scories doivent être ajoutés pour faciliter leur collecte et un écrémage manuel minutieux doit être effectué avant chaque coulée. Des dispositifs de retenue et de déversoir à scories doivent être installés tout au long du processus de coulée afin d'intercepter les scories flottantes. Les poches doivent être entièrement nettoyées après chaque utilisation afin d'éviter tout mélange résiduel de scories à basse température et de fer en fusion.

3. Optimisation structurelle du système de vannes pour l'interception des scories

   Reconstruisez les canaux d'alimentation horizontaux et les entrées de coulée en ajoutant des structures d'interception des scories à plusieurs étages, telles que des pièges à scories, des filtres en céramique et des chicanes à scories. Les scories composites liquides de MnS sont interceptées à la source de remplissage du moule afin d'empêcher leur remontée, leur adhérence au fond du noyau et la production continue de gaz.

4. Contrôle précis des proportions d'ingrédients pour l'équilibre soufre-manganèse

   Respectez la formule d'équilibre soufre-manganèse Mn = 1,7S + 0,3 % pour garantir une quantité suffisante de manganèse afin de neutraliser le sulfure ferreux libre. Lors de la formulation des ingrédients, choisissez la limite inférieure des valeurs standard pour les teneurs en S et Mn afin d'éviter un excès d'éléments susceptible d'aggraver la formation de scories. Si les matières premières présentent une teneur en soufre excessive, n'ajoutez pas uniquement du manganèse pour la neutraliser ; privilégiez plutôt l'augmentation de la température de coulée pour limiter les défauts.