Comme il est indiqué à l’appendice 5.2 portant sur les données repères énergétiques dans les fonderies, la fusion est le principal facteur de coût et le plus grand utilisateur d’énergie. Il importe de quantifier et de comprendre les coûts de la fusion par rapport aux pratiques d’exploitation, à l’équipement et au coût des matières premières. En raison de son importance, il faudrait effectuer le bilan énergétique de chaque four.

Voici les points, en fusion, qui permettent des économies d’énergie :

• Le réchauffage de la charge;
• Le bon choix et les bons rajustements des brûleurs à gaz (à mazout);
• L’isolation et l’entretien des fours;
• La surveillance et le contrôle;
• Le bon choix de la technologie de fusion électrique.

Réchauffage de la charge
Le réchauffage de la charge du four est effectué pour trois raisons :

• La sécurité : pour sécher et dégraisser la charge avant la fusion.
• La capacité de traitement : l’apport d’énergie dans les fours baisse, donc la fusion est plus rapide et la capacité de fusion augmente.
• Le coût : la chaleur provenant des effluents gazeux des fours peut servir à cette fin, ou l’on peut utiliser le gaz naturel au lieu de l’énergie électrique (s’il est encore plus bas).

Dans l’ensemble, le total des coûts énergétiques des opérations de fusion sont réduits. Si les prix du gaz devaient dépasser ceux de l’électricité, la justification qui consisterait à utiliser le réchauffeur devrait être basée sur l’augmentation nette de la production de fusion. En fusion à induction électrique, on peut réduire les frais de la puissance d’appel énormément par le réchauffage.

Le fonctionnement du réchauffeur doit être synchronisé avec le four. Le réchauffage ne devrait pas déboucher sur des pertes d’oxydation (par des températures excessives ou des périodes d’attente de la charge dans le réchauffeur), et les transferts du réchauffeur au four devraient être rapides pour réduire les pertes de chaleur de transfert.

Le réchauffage est habituellement difficile à justifier dans le cas des fours à arc électrique.

Fusion par combustion de mazout
Des progrès techniques importants ont eu lieu en récupération de chaleur à partir des gaz de combustion pour le réchauffage de l’air de combustion (habituellement pas plus de 600 °C), progrès faisant intervenir des récupérateurs et des brûleurs en céramique à haute température, le récupérateur devenant partie intégrante du brûleur lui-même. Ces améliorations permettent des économies d’énergie d’environ 30 p. 100 par rapport à la combustion sans réchauffage.

Dernièrement, de la récupération on est passé aux brûleurs à récupération, qui fonctionnent habituellement par paires et qui sont alimentés l’un et l’autre pendant quelques minutes seulement. Durant la combustion, les gaz de combustion à haute température sont acheminés dans un lit poreux de matière céramique autour du brûleur, qui n’est pas allumé. Puis le cycle est inversé, le brûleur éteint est allumé et l’air de combustion est extrait de la matière céramique, qui stockait la chaleur dans le cycle précédent. Le réchauffage à quelque 150 °C de la température de la chambre du four est possible, avec des économies qui sont généralement de plus de 50 p. 100 (comparé aux brûleurs à air froid).

De nouveaux brûleurs à récupération qui dégagent peu d’oxydes d’azote en réduisent de beaucoup les niveaux normalement créés par des brûleurs de ce type; l’efficacité énergétique est maintenue.

Le positionnement approprié des brûleurs dans le four peut aussi augmenter l’efficacité énergétique de manière progressive en créant une turbulence élevée des gaz de combustion dans le four, ce qui contribue à transférer la chaleur de même qu’à effectuer une combustion plus complète du combustible.

Après l’accélération jusqu’à la température voulue du métal, on réduit le régime des brûleurs à gaz ou à mazout en limitant le combustible et l’entrée d’air. Cela peut dérégler les brûleurs. Le recours à des microprocesseurs permet d’allumer les brûleurs par impulsion, à un taux fixe élevé, pour en arriver à réduire l’entrée de chaleur de façon mieux contrôlée.

Pour contrer l’effet négatif de l’infiltration d’air dans le four, ou pour augmenter la température du métal fondu plus rapidement, on utilise l’équilibrage de l’oxygène dans les brûleurs.

Comme avec tous les systèmes de combustion, le rendement optimal d’un brûleur dépend du maintien du bon ratio air-combustible, ce qui nécessite une surveillance constante. Si les niveaux d’air excédentaire sont augmentés, la consommation d’énergie spécifique du four monte également. Il existe des analyseurs de gaz de combustion automatiques pour l’oxygène excédentaire.

Pour ce qui est des pertes d’énergie provenant des fours à mazout, la chaleur évacuée dans les gaz de combustion représente la plus grande perte. La récupération de la chaleur devrait alors être une PGE importante.

On peut évaluer les avantages que procurent les améliorations apportées aux fours à mazout à l’aide d’une formule simple

E = R X S X N X F

où :

E = économies d’énergie en $/an
R = cote des brûleurs (GJ/h)
S = économie d’énergie prévue en pourcentage
N = nombre d’heures opérationnelles/an
F = coûts du combustible ($/GJ)

Isolation et entretien des fours
Les pertes de chaleur causées par le rayonnement et la convection d’un four (ou d’un séchoir) doivent être réduites.

Les pertes peuvent être élevées si l’enveloppe n’est pas bien entretenue. La perte de chaleur peut se produire à cause des anomalies telles que :

• de l’isolant endommagé ou manquant;
• des portes de four mal ajustées ou gauchies, endommagées et des couvercles d’échantillonnage d’autres ouvertures dans l’enveloppe du four qui permettent à l’air d’entrer pour refroidir la température intérieure du four;
• la transmission de chaleur excessive par la structure du four.

Le recours à des matériaux en fibre céramique à faible masse thermique, à faible conductivité thermique et à basse densité comme garniture de face chaude peut réduire la perte de chaleur provenant de la structure du four. La fibre céramique a, bien sûr, le désavantage de faible force mécanique, d’où sa faible durabilité. Pour contrer cela, elle est parfois utilisée en sandwich avec d’autres matériaux réfractaires, comme des briques ou des matières corelables, de la brique isolante ou des panneaux à basse température. Toutefois, la fibre céramique résiste bien aux chocs thermiques, ce qui est beaucoup mieux que bien d’autres types de matériaux réfractaires. Le chemisage peut résister à des cycles très rapides de chauffage et de refroidissement.

Le thermographe est un outil très utile pour découvrir les surfaces qui ont besoin d’un isolant supplémentaire ou pour contrôler les fuites d’air.

Commandes
Le recours à des automates programmables, à des mesures directes de la température du métal fondu (ce qui est plus important que la température de la chambre du four), à des sondes d’oxygène à zircone dans le four, à un garnissage d’oxygène, à des analyseurs de gaz de combustion et à des commandes de registre de gaz de combustion pour maintenir la pression souhaitable dans la chambre du four, et l’informatisation des opérations de fusion, voilà toutes des mesures qui contribuent à réduire la consommation d’énergie.

Fours électriques
En raison de la déréglementation, de l’absence ou du peu de production d’émissions durant la fusion, des aspects métallurgiques et de la possibilité de fournir une densité énergétique élevée, l’électricité est souvent la source d’énergie privilégiée. Le choix du four dépend de l’application et l’acquisition est basée sur les coûts. Par conséquent, une fois installée, la fonderie doit optimiser le rendement électrique du four. Certaines des méthodes sont également décrites à la section 2.2.1 – Gestion de l’électricité (page 39).

L’arc électrique, qui utilise le courant continu, atteint des températures élevées et exécute la fusion en peu de temps. Ici, l’usage complémentaire des brûleurs d’oxygène et de gaz combustible dans les fours à arc électrique contribue à des économies d’énergie supplémentaires et considérables. Le meilleur rendement thermique, pour certaines applications de métal en fusion, repose sur la fusion à résistance électrique. Elle permet de convertir près de la totalité de l’électricité en chaleur. Les fours à induction électrique, qui utilisent le courant alternatif, sont répandus comme fours à haute fréquence ou à canal, avec des rendements qui se situent dans la gamme de 50 à 70 p. 100, et des pertes de chaleur pour l’eau de refroidissement aux environs de 20 à 25 p. 100 de l’intrant total.

Les coûts de l’électricité comprennent le coût de consommation pour la fusion et le temps d’attente pendant la fermeture le soir et la fin de semaine, de même que les coûts de la puissance d’appel. Dès que l’on a analysé et compris ces coûts, il devient facile de savoir comment les contrôler.

Fusion à l’arc électrique
La très efficace pratique de fusion à l’arc électrique est utilisée dans la fusion du fer, de la fonte, du fer ductile et de l’acier, où la consommation d’énergie spécifique d’environ 550 kWh par tonne est considérée comme un bon point de repère. Les fours à arc électrique ont besoin d’une haute tension, ainsi que de compteurs de qualité et de dispositifs de contrôle de l’appel de puissance. Les PGE dans les fours à arc électrique sont liés :

• à la bonne installation et au bon positionnement de bracelets tiges de mise à la terre au fond du four;
• à l’approvisionnement et à la distribution du courant électrique;
• au contrôle de l’appel de puissance électrique;
• aux pratiques d’exploitation :
• la vitesse de la chaleur;
• la régulation des arcs;
• les retards;
• les activités de l’opérateur;
• l’analyse des problèmes.

Le transfert de chaleur à l’arc est le plus efficace à pleine puissance pour les longs arcs, afin d’accélérer l’amorçage et la fusion. Cela est facilité par l’asservissement du mouvement des électrodes afin d’optimiser la conversion de l’électricité. Le régulateur qui n’est pas optimisé gaspille l’énergie et allonge la chaleur. L’égalité de l’alimentation électrique peut également nuire à l’efficacité du four et à la durée des électrodes si la compagnie d’électricité devait changer les caractéristiques de l’alimentation. À ce sujet, il vaut la peine de la contacter.

Les retards inutiles stoppent l’utilisation des fours et constituent une source importante d’énergie. Le temps d’attente devrait se limiter exclusivement à ce qui est nécessaire (p. ex., pour le nettoyage du four après la coulée). Les pratiques des opérateurs influencent énormément les retards : toutes les tâches préparatoires (p. ex., la préparation de la lance et des électrodes, des produits consommables, le retrait et le vidage de la poche à scories, le nettoyage du trou et de la busette de coulée) doivent être exécutées avant la coulée et le chargement, pendant que la chaleur est à son maximum et que la fusion progresse. De même, la poche de coulée doit être en position, juste à temps, prête pour le piquage. Examinez la possibilité – contrairement à la séquence habituelle – de charger le four en premier, puis de retirer la poche de coulée au moyen du portique pour voir si cela n’améliorerait pas l’utilisation du four et la production. Si cela est possible, effectuez l’entretien du four en soirée ou la nuit.

Le four à arc électrique est une opération très intensive. Il convient de tenir un registre quotidien comprenant les données essentielles au sujet de la charge, des caractéristiques de chauffage, des ruptures d’électrodes, etc., et d’analyser à intervalles réguliers ce registre à la recherche d’indices pour adopter des mesures préventives.

De nos jours, on installe souvent des panneaux refroidis à l’eau dans le plafond de la chambre de combustion et aux endroits où il y a beaucoup d’usure dans les murs latéraux, afin de protéger les matériaux réfractaires. Contrairement aux prévisions, la consommation d’énergie spécifique n’a pas augmenté de façon notable durant le chauffage (peut-être à cause exclusivement de la circulation d’eau). La durée de vie des matériaux réfractaires a augmenté de plus de la moitié, et on observe de légères réductions de la durée totale du cycle (8 p. 100) et de la durée globale de chauffe. L’eau chaude devrait donner d’autres possibilités d’utilisation de la chaleur perdue.

Fours à induction électrique
L.V. Whiting, de CANMET chez RNCan, a baptisé la pratique de gaspillage qui consiste à fusionner rapidement à la puissance maximale du terme de « se hâter-attendre », peu importe la demande de métal, afin de provoquer de longs retards en plus de ceux qui font partie normalement du cycle. Cette pratique entraîne les coûts les plus élevés de l’électricité. En revanche, le mode « sans attente » réduit le courant en proportion du taux de fusion moyen, au fur et à mesure que la période de fusion quotidienne augmente. Cela amène des coûts de fusion minimaux. Une étude comparative dans beaucoup de fonderies a indiqué des résultats intéressants pour tout gestionnaire de fonderie. Si l’on excepte d’autres considérations, comme l’ordonnancement de la production, la consommation d’électricité spécifique – et le coût par tonne – décroît avec :

• l’abaissement de la puissance de fusion, qui amène une période de fusion plus longue;
• la hausse du taux d’utilisation du four dans une journée;
• l’augmentation de la quantité de charge dans le four (souvent 20 p. 100 de moins que la quantité optimale);
• la réduction des retards supplémentaires (inutile);
• la réduction des périodes d’arrêt;
• l’abaissement de la température du métal fondu;
• l’augmentation de la dimension du trou de coulée;
• l’abaissement du courant d’attente;
• le rendement plus élevé du serpentin à induction;
• le contrôle de la puissance d’appel.

L’abaissement de la puissance de fusion a un autre avantage, soit de réduire l’érosion du chemisage du four, en raison d’un brassage inductif moins vigoureux de la charge, ce qui réduit les opérations d’entretien du chemisage.

Le four à induction à haute fréquence perd de l’énergie de trois façons :

• par rayonnement – les pertes liées à l’ouverture de la porte du four;
• par la conduction – à travers la structure du four;
• par l’écrémage des scories et de l’écume.

Le four à induction à haute fréquence fonctionne habituellement en cycle continu par l’eau : une charge de métal fondu est piquée et la charge de masse équivalente est déposée dans le four. La dimension du piquage et de la charge doit être d’un volume suffisant pour maintenir le niveau de métal liquide au-dessus du bord supérieur du serpentin à induction. Cela permet au serpentin d’utiliser toute la puissance. Durant le chargement, le couvercle du four est rabattu et instantanément, il se produit de grandes pertes de chaleur par rayonnement. Ces pertes doivent être compensées par une puissance supplémentaire dans le transformateur du four. À l’aide de l’exemple dans l’encadré, essayez d’évaluer le coût du rabattement du couvercle d’un four pendant une année.

Il importe de passer en revue vos pratiques de chargement et de piquage, afin de réduire le nombre de fois où le couvercle est enlevé durant la fusion, de même que la durée des périodes non couvertes. Ainsi, lors de l’échantillonnage du métal fondu ou de la mesure de sa température, au lieu d’ouvrir le couvercle pour ce faire, pratiquez un trou dans le couvercle (normalement bouchonné) pour l’échantillonner.

On peut réduire les pertes de conduction en utilisant correctement les matériaux réfractaires dans le creuset du four (il en est question ailleurs dans le guide) et en maintenant un ajustement serré entre le couvercle et le corps du four. Il est bon de disposer d’un couvercle de réserve bien entretenu pour le changer rapidement si nécessaire.

On peut optimiser l’enlèvement des scories ou de l’écume avec un écumoir électrique ou en élargissant la busette du four pour verser les scories dans une poche de transfert pour mieux écrémer. Les mêmes pertes par rayonnement se produisent en outre durant l’écrémage des scories par les busettes et les ouvertures d’écrémage. Encore là, l’accès au four par ces ouvertures doit être maintenu à un strict minimum. Lorsqu’elles sont fermées, les portes et les busettes devraient être bien étanches.

Les fours à induction à canal électrique entraînent d’autres pertes d’énergie : la fusion s’effectue dans le canal du four, et pour que le four fonctionne, il faut laisser un fond de réservoir rempli de métal fondu entre les charges, de même que pendant les périodes autres que celles de production, bien qu’à un réglage de puissance moindre. Cela augmente également les pertes structurelles par convection.

Maintien du métal coulé
La question d’installer ou non un four d’attente doit être soumise à une analyse économique complète de la production et des modèles de consommation de l’électricité et des coûts, pour en établir la faisabilité. La pratique fréquente du stockage de métal en fusion dans des fours d’attente est un moyen d’harmoniser la production, de régler les difficultés d’ordonnancement et de permettre la poursuite des opérations de moulage pendant que le four séquentiel prépare la coulée suivante. Il existe de plus un élément d’évitement des coûts dans de telles décisions – soit la nécessité d’un autre four de fusion, quand on peut reporter l’augmentation de la production.

Le stockage de métal en fusion correspond au stockage d’énergie. Il peut réduire les crêtes de puissance d’appel et le niveau de l’alimentation électrique, et tirer parti des tarifs réduits à certaines heures. Le résultat, du métal liquide disponible pour la production à des coûts énergétiques réduits.

Voici une brève liste d’exemples de mesures éconergétiques adoptées et d’innovations mises en œuvre portant sur les métaux liquides dans diverses fonderies.

Matières réfractaires
Isolant en céramique
L’isolant en céramique peut remplacer les briques réfractaires dans certaines applications, soit les couvercles de four, les fours à sole roulante, etc. Il stocke moins de chaleur, perd moins de chaleur et n’a pas autant de chaleur à réchauffer que la brique réfractaire. Cela est utile quand le four est utilisé par intermittence; on peut le fermer entre les charges. En plus de conserver l’énergie pour le chauffage, il aide à réguler les températures internes de façon plus serrée. Dans les installations étudiées, la durée de vie de l’isolant a été de 15 ans et les économies d’électricité étaient de 6 à 26 p. 100.

Poche de coulée et garnissage du four d’attente
Pour l’entretien et le garnissage des poches de coulée, les matières réfractaires utilisées par le passé exigeaient beaucoup de main-d’œuvre et de longues périodes de séchage. De plus, la capacité plutôt médiocre d’isolation des matières nécessitait un chauffage constant et intensif lorsqu’elles n’étaient pas utilisées. Entre autres, une fonderie au Royaume-Uni a adopté une nouvelle matière de garnissage à faible densité, à faible conductivité thermique et ayant des caractéristiques non mouillantes.

On peut commander le garnissage sous des formes ajustées, et l’installation est relativement simple. Les avantages immédiats en sont les économies de main- d’œuvre et de temps, de même que d’énormes économies d’énergie. Par opposition à l’ancienne exigence qui consistait à maintenir allumés les brûleurs de réchauffage des poches de coulée 24 heures sur 24, afin de conserver la bonne température, le nouveau garnissage permet de réchauffer la poche de coulée pendant seulement deux heures et demie au début de la semaine de travail. Par la suite, les excellentes caractéristiques d’isolation de la matière éliminent le réchauffage. De même, on peut abaisser la température du trou de métal en fusion, car les pertes de température de transit ont été énormément réduites (p. ex., en moyenne de 50 °C à 15 °C). D’habitude, le garnissage peut durer de 12 à 18 mois. Dans l’installation mentionnée plus haut, la période de récupération s’est limitée à neuf semaines.

Également, une fonderie dans l’est de l’Ontario a remplacé les briques réfractaires par des panneaux dans son four à noyaux et sa poche de coulée, obtenant ainsi les mêmes résultats d’efficacité énergétique.

Réchauffage
Si la ferraille contient de l’eau lorsqu’on la charge dans le four, alors l’évaporation instantanée de l’eau au contact du métal en fusion peut exploser avec suffisamment de force pour infliger des dommages ou des blessures. La pratique standard consiste à utiliser des réchauffeurs à gaz pour sécher la ferraille, mais la dimension et le type de l’équipement standard ne correspondent pas toujours aux exigences des petites installations. Une fonderie en Ontario a installé un réchauffeur efficace de débris d’acier. Pour contrôler les émissions atmosphériques provenant du réchauffage de la ferraille mouillée et du fer huileux, un dispositif de postcombustion a également été installé. Avec ce dispositif, la fonderie a été en mesure de respecter ou de dépasser les normes d’émission. Même si, avec le dispositif de postcombustion, l’énergie économisée équivalait à seulement 11 p. 100, la charge réchauffée a réduit le temps de fusion de manière appréciable. Cela a permis d’augmenter la production de 17 p. 100. Ce projet a été subventionné en partie par le programme RDEI (voir la section 4.1 à la page 115). La période de récupération a été inférieure à deux ans.

Brûleurs régénérateurs
Si l’on utilise un brûleur conventionnel à gaz naturel (ou à mazout) dans le four de fusion, beaucoup d’énergie (latente et sous forme sensible) se perd dans le carneau. L’utilisation de l’énergie en partie pour réchauffer l’air de combustion d’arrivée a été testée de plusieurs façons. L’une d’entre elles consiste à utiliser des brûleurs régénérateurs disposés par deux. Ils fonctionnent de manière cyclique : pendant qu’un brûleur s’allume, les gaz d’échappement s’écoulent dans l’autre où leur contenu thermique est stocké dans un matériau convenable à récupération de chaleur. Puis l’allumage est inversé. L’air de combustion froid passe alors à travers ce matériau et est réchauffé, disons, à 850 °C. Une augmentation du rendement de 17 à 20 p. 100 a été observée dans certaines installations. La période de récupération a été inférieure à un an.

Plusieurs variantes de la technologie du brûleur régénérateur ont été développées. Une conception compacte de brûleurs TwinbedMD et du cycle rapide (environ 20 secondes chacun) des brûleurs, disposés par deux, permettent le stockage et la récupération de chaleur à court terme. Avec comme résultat que l’air de combustion était réchauffé de 85 à 95 p. 100 de la température des gaz de combustion, et la consommation de gaz a été limitée à 38 p. 100. Pour une fonderie du nord de l’Ontario, la période de récupération simple (avant la hausse des prix du gaz naturel de 2000) a été de 5,2 ans.

Au Japon, dans le système développé par Tokyo Gas Co., la matière de stockage thermique (boules d’aluminium) a été intégrée à la matière réfractaire. Le fait de conjuguer la technologie de l’injection directe du combustible à un brûleur régénérateur à plein temps a eu plusieurs effets bénéfiques :

• La dimension du brûleur régénérateur à injection directe du combustible à plein temps a été réduite des deux tiers, tout comme la tubulure, ce qui a réduit les coûts d’immobilisations de 20 p. 100;
• Le combustible et l’air de combustion réchauffés sont introduits dans le four en parallèle. Il brûle plutôt lentement, ce qui réduit les niveaux de NO_x énormément, bien en dessous des taux réglementés du Japon. Il ne fait appel à aucune veilleuse;
• Le rendement élevé du transfert de la chaleur des gaz de combustion à l’air de combustion (75 p. 100) réduit la consommation d’énergie de 40 à 50 p. 100;
• La période de récupération a été de deux ans.

Fusion par cubilot
L’enquête britannique de 1989 sur les fonderies à cubilot indique une moyenne de consommation du coke spécifique (CCS) de 158 kg/t liquide de fer. Une fonderie de ce type a abaissé la CCS de ses cubilots à vent froid à 113 kg/t, soit une économie de 28 p. 100. Elle y est parvenue par l’amélioration de la planification de la production pour réduire les écarts dans la composition, la température et la demande de métal en fusion, l’équilibrage précis du coke et de la charge, ainsi que d’autres améliorations aux procédés.

Une autre fonderie britannique a remplacé ses cubilots à vent froid par des cubilots à vent chaud, beaucoup plus éconergétiques. Le projet visait également à réduire les émissions de poussière tout en accroissant la capacité de fusion. Le cubilot est doté de quatre cuillères saillantes de refroidissement par eau à gaine spiralée en cuivre (ouvertures dans le garnissage réfractaire du four à travers lequel l’air est poussé). La combustion des gaz de carneau est facilitée par une combinaison d’ajout d’air et d’un dispositif de postcombustion qui s’allume automatiquement si la température tombe en dessous d’un niveau préétabli. Le gaz de combustion réchauffe le vent soufflé de combustion enrichi d’oxygène entre 490 à 500 °C. Les gaz de combustion sont ensuite refroidis à environ 175 °C et par la suite, ils sont filtrés dans des sacs et évacués dans l’atmosphère avec seulement 5 mg/m³ de particules, ou le quart du contenu maximal permissible.

Dans la recherche d’un rendement énergétique plus élevé et de l’abaissement des émissions, on peut convertir des cubilots au coke à la fusion au gaz. Dans un projet de réfection à une fonderie du Royaume-Uni, le cubilot a été doté d’une grille refroidie par eau recouverte de matières réfractaires, qui comprend un lit de sphères réfractaires agissant comme échangeur de chaleur. Les brûleurs en dessous de la grille produisent l’atmosphère de réduction requise et dégagent moins de pertes d’oxydation. Les gaz réchauffent et font fondre le métal qui, à mesure qu’il passe à travers le lit, est surchauffé et collecté dans un puits avant le piquage. Dans le puits, l’injecteur de cémentation maintient le niveau de carbone requis. La période de récupération a été de 1,8 an.

Dans une autre fonderie à cubilot au coke, la technologie du cubilot a été remplacée par un four à induction à haute fréquence électromagnétique. Le four de fusion à haute fréquence se compose d’un creuset entouré d’un serpentin chauffé à l’électricité et isolé avec de la matière réfractaire. La charge elle-même agit comme une seule spire secondaire.

L’avantage de l’induction à haute fréquence est qu’on peut fondre le fer par lots et, après avoir atteint la température de moulage voulue, on peut vider complètement le métal du four. On n’a pas à maintenir de « talons » résiduels chauds, comme dans la fusion à canal. Autre avantage, par opposition au four au coke ou à gaz, il n’existe pratiquement pas d’émissions car aucun air de combustion n’est requis. De même, la quantité de poussière produite est limitée. L’avantage de démarrer un four vide permet à la fonderie de tirer parti des tarifs d’électricité moins chers pour procéder à la fusion en soirée.

Une grande fonderie à cubilot du Québec a également remplacé son four à cubilot par deux fours à induction électromagnétique, et a connu des résultats semblables. Elle a doublé son rendement énergétique global à 50 p. 100 d’utilisation, et haussé sa productivité par la même occasion. Comparés au cubilot, les fours à induction ont fait économiser environ 2,5 GJ/t de métal liquide.

Remplacement du four à creuset au coke
En remplaçant son four au coke par un four à oxygène/gaz naturel, une fonderie hollandaise a coupé de moitié son temps de chauffage et de fusion concernant le cuivre et la charge des alliages de cuivre, réduit ses émissions de polluants et augmenté le rendement de la fusion de 15 à 22 p. 100. (Note : la fusion par oxygène- gaz combustible ne convient pas au laiton en raison des pertes excessives de zinc.) L’avantage de l’utilisation de l’oxygène a consisté à réduire les pertes de chaleur par l’élimination du chauffage de la partie d’azote dans l’air. Elle a réalisé d’importantes économies d’énergie. Le brûleur pivotant, inséré par le couvercle d’un nouveau four à tambour, était refroidi à l’eau.

Four de fusion à résistance électrique
Vu que les lots de production élevée ne constituaient pas un facteur, une petite aluminerie en Arizona a remplacé ses fours à réverbère par la fusion à résistance électrique. Les fours fixes pour la fusion et la rétention ont été installés de même que des fours oscillants. La fonderie a ainsi obtenu une plus grande souplesse dans la production (plus de 50 p. 100), plus de facilité dans le fonctionnement, un entretien (moins 20 p. 100) et un temps de panne (moins 10 p. 100) réduits ainsi que des réparations simplifiées, sans compter les 28 p. 100 d’économie par rapport à l’utilisation du gaz. En plus, les épurateurs et les dépoussiéreurs à sacs filtrants n’étaient plus nécessaires. La période de récupération quant aux seules économies d’énergie a été de cinq ans.

Fours à induction
Une fonderie de zinc en Australie a remplacé ses deux fours à creuset au gaz par un four à induction. Les hausses de coût du gaz, des problèmes de qualité dus aux produits d’oxydation et les coûts élevés de l’entretien en ont été les raisons (regarnissage du four à toutes les 150 fusions). Le courant triphasé a été converti au courant à 150 Hz. Elle a réalisé un facteur de puissance amélioré de 0,80 à 0,85. Le passage à la fusion par induction a donné les avantages suivants (assez habituels) :

• une réduction de 20 p. 100 des coûts;
• une production accrue en raison de la réduction de la fréquence de regarnissage du creuset;
• une hausse de la qualité des produits et grâce à un meilleur contrôle de la température, qui réduit énormément l’« écume » (produits d’oxydation) de la fusion;
• la quasi-élimination de la pollution locale et de la poussière ou des émanations;
• moins d’entretien;
• une fusion plus rapide, qui s’est traduite par l’augmentation de la production, ce qui a permis pratiquement de fusionner deux quarts en un;
• aucune nécessité de brasser le métal en fusion de manière mécanique, car le chauffage par induction le fait automatiquement.

La qualité améliorée, la compression des coûts de main-d’œuvre et des coûts de regarnissage, de même qu’un contrôle plus précis de la température se sont traduits par des économies supplémentaires.

Fusion par four à induction pour moulage continu
Une fonderie de cuivre et de laiton aux Pays-Bas cherchait à réduire sa consommation d’énergie et à améliorer son rendement. Sans modifier son procédé de fusion ou de moulage, elle a atteint ses objectifs en insérant un four d’attente bien dimensionné entre les deux. Dans le cas du four d’attente, le métal en fusion était continuellement transféré dans la machine de coulée.

Four à cuve à gaz pour moulage continu
Une fonderie britannique a remplacé ses fours à fusion (semi-rotatifs et oscillants à gaz et à mazout) par un four à arbre à gaz Striko Etamax. Le four est chargé par un arbre vertical dans lequel les gaz de combustion qui s’échappent réchauffent la charge. Le four possède des chambres distinctes de fusion et d’attente, réchauffées par des brûleurs récupérateurs. Les brûleurs, les températures et les ventilateurs commandés par automate programmable dépendent d’un système de chargement automatique intégré, qui pèse la charge. La fonderie a réalisé d’énormes économies d’énergie (la consommation d’énergie spécifique a été de 3,93 GJ/t) et d’autres gains de production (des pertes de fusion réduites, moins de main-d’œuvre), et tout cela en à peine 10 mois.

Autres PGE
Périodique

• Cherchez à restructurer vos tarifs d’électricité auprès de votre service public local.
• Informez-vous des avantages à acheter votre gaz naturel sur le marché immédiat (« spot ») auprès des diverses compagnies de distribution de gaz.
• Mettez en œuvre un programme de vérifications et d’entretien préventif à intervalles réguliers.
• Réglez les brûleurs de façon appropriée et surveillez les niveaux de gaz de combustion et d’oxygène.
• Tenez les surfaces de récupérateur propres.
• Organisez la production de sorte que chaque four fonctionne à son rendement presque maximal.
• Réduisez les délais supplémentaires dans le cycle charge - fusion – scorie – coulée – charge.
• Conservez le métal en fusion en mouvement; faites en sorte que la poche de coulée soit prête avant l’heure de coulée.
• Entretenez l’isolant de l’équipement.
• Dans le cas des fours au gaz naturel, prêtez attention à la composition des effluents gazeux : jusqu’à 30 p. 100 de l’énergie peut se perdre sous forme d’énergie potentielle chimique du fait de la combustion incomplète des hydrocarbures dans l’enveloppe du four. Vérifiez le ratio gaz-air de même que la composition des gaz de combustion à intervalles réguliers.
• Réduisez la température du four (métal en fusion) si possible.
• Songez à consulter le fabricant du four concernant la meilleure façon de mettre à niveau le garnissage du four afin de réduire les pertes conductrices de chaleur.

À faible coût

• Percez un orifice d’échantillonnage à travers le couvercle du four pour en limiter la fréquence d’ouverture (bouchonnez-le s’il n’est pas utilisé).
• Vérifiez s’il y a des écarts non scellés entre le couvercle du four et celui-ci.
• Réduisez la période pendant laquelle le couvercle du four est enlevé.
• Optimisez le parcours du godet de chargement de même que celui de la poche de coulée, en le rendant le plus rapide possible.
• Échantillonnez le métal en fusion au point de coulée si la métallurgie le permet, plutôt que d’ouvrir le couvercle du four.
• Contrôlez le taux d’échappement des gaz de combustion, non en les étranglant du côté de la sortie du ventilateur, mais au moyen d’une commande de vitesse sur le moteur du ventilateur (consistant en un régulateur de fréquence accompagné d’une modulation vectorielle). Vous réduirez ainsi la consommation d’énergie de quelque 35 p. 100 et le ralenti d’environ 37 p. 100.
• Réchauffez l’air de combustion à l’aide de la chaleur provenant de l’évacuation du four.
• Ne surchauffez pas le grand volume de métal en fusion dans le four de fusion principal si votre coulée s’effectue par lots. Surchauffez plutôt, au besoin, dans un four d’attente plus petit juste avant la coulée.
• Envisagez l’application d’une garniture d’oxygène pour mieux contrôler l’air excédentaire.
• Limitez les pertes de chaleur par rayonnement et convection : ajoutez de l’isolant thermique aux pièces du système qui ne sont pas isolées ou qui ne comportent pas suffisamment d’isolant (p. ex., les compartiments du brûleur, les canalisations, les échangeurs de chaleur).
• Mettez à niveau l’équipement de surveillance et de contrôle ou ajoutez-en.
• Relocalisez l’entrée d’air de combustion pour récupérer la chaleur des autres procédés (ou de l’intérieur du bâtiment).
• Remplacez les portes usées, endommagées ou gauchies des fours de même que les couvercles.
• Disposez d’un couvercle de four de réserve en bon état, prêt à un échange rapide, au besoin.

Par réfection; à coût élevé

• Envisagez d’installer un réchauffeur pour réchauffer la charge.
• Songez à utiliser la fusion assistée par oxy-combustible dans les fours à induction pour augmenter la production du four et réduire la puissance d’appel électrique (convient à la plupart des métaux sauf le laiton et le zinc).
• Si cela convient, envisagez l’installation de brûleurs à récupération de chaleur jumelés dans un four à cornue, qui accomplit la récupération de chaleur par l’utilisation d’un lit de coulée compact de matières de stockage de la chaleur dans chaque brûleur, et le cycle rapide des brûleurs. Il est possible de réchauffer l’air de combustion de 85 à 95 p. 100 de la température des gaz de combustion, et ainsi d’obtenir une réduction de l’utilisation du gaz naturel de 40 p. 100.
• Si vous fondez avec du gaz naturel, envisagez l’utilisation des gaz de combustion pour sécher et réchauffer la ferraille avant de charger le four.
• Installez un échangeur de chaleur air-liquide dans les conduits d’évacuation du four pour chauffer les liquides de traitement comme l’eau d’appoint de la chaudière (les grands systèmes peuvent permettre d’utiliser une chaudière à chaleur perdue).
• Installez un épurateur pour récupérer la chaleur tout en retirant les particules et les gaz indésirables.
• Dans le cas des cubilots, envisagez l’installation d’un système de récupération.
• Intégrez et automatisez le contrôle opérationnel pour obtenir le maximum d’efficacité énergétique.
• Optimisez les opérations du four à arc électrique par une analyse continuelle de l’hydrogène combustible et du monoxyde de carbone d’échappement, en liant cela à la régulation des ratios de brûleur, aux injections d’oxygène et aux ajouts de carbone.
• Dans les fonderies de fer, optimisez l’utilisation du gaz de cokerie, du gaz de haut fourneau et du gaz naturel pour réduire les brûlures en torche et les achats de gaz naturel, en maximisant la possibilité du réseau de distribution, l’automatisation et le contrôle informatique.
• Envisagez d’utiliser le contenu thermique des gaz de combustion pour réchauffer l’air de combustion, et pour tous les autres usages dans la fonderie.
• Pour les grands fours à gaz ou à arc électrique, envisagez d’installer un système de four expert. Il s’agit d’un procédé d’optimisation qui utilise l’analyse chimique des gaz d’échappement de façon continue en guise de contrôle de procédé et d’outil d’interprétation métallurgique. Quelques systèmes de ce genre ont déjà été développés au cours des dernières années.
• Mettez à niveau les commandes électriques des fours à induction pour en réduire les pertes de distorsion harmonique.

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