Le procédé de fusion à l'arc est une méthode de fusion de matériaux chargés, généralement du minerai métallique ou de la ferraille, à l'aide d'un arc électrique. Il implique l'application d'un courant alternatif à une électrode à l'intérieur d'un four de fusion. La chaleur générée par l'arc électrique fait fondre les résidus sur la base métallique.
Dans un four de fusion à l'arc, le composant principal est une soudeuse électrique, qui agit comme un grand transformateur pour convertir une haute tension en une basse tension et un courant élevé. La soudeuse électrique déclenche l'arc en créant un court-circuit instantané entre les pôles positif et négatif. L'arc est un phénomène de décharge auto-entretenu qui maintient une combustion stable relativement longue sans nécessiter de haute tension.
Le four de fusion à arc fonctionne à des températures extrêmement élevées, avec une température maximale de 3000℃. Il utilise l'arc, qui est un plasma thermique commun, pour générer la chaleur nécessaire à la fusion du matériau. Le four assure un processus de fusion cohérent en contrôlant des facteurs tels que la géométrie du bassin et la vitesse de fusion.
Pendant le processus de fusion à l'arc, l'électrode à fondre est chargée dans le four. Pour les aciers spéciaux et les superalliages, l'électrode est préalablement coulée dans l'air ou sous vide. Pour les métaux réactifs primaires comme le titane, l'électrode est fabriquée à partir d'éponges compactées et/ou de déchets, ou à partir d'un processus de fusion au foyer comme le plasma ou le faisceau d'électrons.
L'enceinte à vide dans laquelle se produit la fusion se compose de deux ensembles mécaniques principaux : la tête de four mobile et la station de fusion fixe. La tête mobile du four est la section supérieure de la cuve et contient un ensemble de vérins intégré relié à un servomoteur. Cet ensemble supporte et contrôle le mouvement de l'électrode. Le coulisseau refroidi à l'eau s'étend à travers un joint à vide dans la tête, et l'électrode se fixe à son extrémité inférieure, devenant ainsi la cathode de l'opération de fusion à l'arc.
La station de fusion fixe constitue la moitié inférieure de l'enceinte à vide et se compose d'un creuset en cuivre amovible placé dans une chemise d'eau fixe en acier inoxydable. Une fois l'électrode fixée au coulisseau, celui-ci la soulève tandis que la tête du four est abaissée pour créer un joint sous vide au-dessus du creuset.
Une fois le vide établi, l'alimentation en courant continu est activée et le système de contrôle déclenche un arc électrique à haute intensité entre l'électrode consommable (cathode -) et la base du creuset (anode +). Cet arc forme rapidement un bain de métal en fusion. L'écart entre l'électrode de fusion et le bain de métal est maintenu avec précision et un taux de fusion contrôlé est établi. Les gouttelettes de métal qui tombent à travers l'arc sont exposées à l'environnement sous vide et aux températures extrêmes de la zone d'arc, ce qui entraîne l'élimination des gaz dissous, la vaporisation des éléments parasites et l'amélioration de la propreté de l'oxyde.
Le creuset refroidi à l'eau permet une solidification directionnelle du bain de fusion, empêchant la macroségrégation et réduisant la microségrégation. Les propriétés matérielles du lingot solidifié s'en trouvent améliorées. Vers la fin du processus, la puissance est progressivement réduite pour obtenir un hot top contrôlé, ce qui maximise le rendement du produit utile.
Globalement, le processus de fusion à l'arc dans le four de fusion à l'arc électrique permet la fusion d'un matériau chargé par l'application d'un arc électrique, ce qui constitue une méthode contrôlée et efficace de fusion des métaux.
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