Lorsqu'elle est effectuée avec de l'azote sec de haute pureté, un équipement correct et un contrôle rigoureux du processus, la purge à l'azote peut réduire la teneur en hydrogène de l'aluminium fondu à des niveaux acceptables pour de nombreuses pièces moulées industrielles, protéger la durée de vie des filtres et réduire les reprises. Le nitrogène est généralement moins cher que l'argon, mais il élimine l'hydrogène dissous plus lentement et nécessite souvent une géométrie de rotor optimisée, une dispersion plus fine des bulles, une durée de traitement plus longue et un contrôle strict de la siccité du gaz et de la température de la matière fondue pour atteindre les résultats métallurgiques des traitements à base d'argon.
Pourquoi l'hydrogène dans l'aluminium est-il un problème ?
L'hydrogène se dissout dans l'aluminium en fusion, atteignant parfois plusieurs parties par million, puis sort de la solution pendant la solidification, formant une porosité gazeuse. Ces pores réduisent la résistance à la traction, la durée de vie en fatigue et créent des défauts de surface qui augmentent les coûts d'usinage et de finition. Pour les composants de haute précision, même de faibles niveaux de porosité peuvent entraîner le rejet de la pièce. Le contrôle de l'hydrogène dissous est donc un point de contrôle métallurgique central dans toutes les fonderies d'aluminium.
Tableau 1 : Effets typiques de la porosité de l'hydrogène sur les pièces coulées
| Défaut | Cause commune | Conséquences pratiques |
|---|---|---|
| Porosité du gaz | Hydrogène dissous libéré lors de la solidification | Réduction de la résistance structurelle, mauvais état de surface |
| Trous d'épingle et soufflures | Nucléation et échappement des gaz localisés | Défauts esthétiques, déchets de parage |
| Réduction de l'usinabilité | Vides et inclusions internes | Augmentation des rebuts et de l'usure des outils |
| Défauts d'assemblage ou d'étanchéité | Porosité interne près des surfaces d'accouplement | Refus du client, risque de garantie |
Le contrôle de l'hydrogène n'est pas une action unique ; il s'agit d'une combinaison de stockage, de pratiques de fusion, de contrôle de l'atmosphère du four, de dégazage et de filtration.
Pourquoi utiliser l'azote et comment le comparer à l'argon ?
L'azote est largement utilisé parce qu'il est abondant et moins cher que l'argon. Pour de nombreuses applications de moulage industriel, en particulier les pièces structurelles non critiques, l'azote peut être efficace lorsqu'il est appliqué correctement. Cependant, l'argon, plus dense et moins soluble dans l'aluminium à des températures de coulée typiques, produit souvent une élimination plus rapide de l'hydrogène et des bulles plus petites pour les mêmes paramètres d'équipement. La conséquence pratique est qu'un procédé à base d'azote doit être réglé pour compenser, ce qui nécessite généralement une dispersion plus fine, des temps de traitement plus longs ou des volumes de gaz plus importants pour atteindre les mêmes résultats en ppm d'hydrogène que l'argon.
Les principaux compromis à prendre en compte :
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Coût par mètre cube : l'azote est généralement moins cher.
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Taux de dégazage : l'argon est généralement plus rapide et plus efficace par unité de gaz.
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Comportement des bulles : la taille des bulles et le temps de séjour contrôlent la diffusion de l'hydrogène ; le choix du gaz a une incidence sur ce point en raison des différences de densité et de diffusivité.
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Sensibilité des alliages : certains alliages de haute qualité peuvent nécessiter de l'argon pour répondre aux critères d'acceptation.
Cela signifie que l'azote est pragmatique pour de nombreuses maisons de campagne, mais qu'il ne remplace pas l'argon dans toutes les situations.
Physique du dégazage, cinétique des bulles et ce qui élimine réellement l'hydrogène
Le transfert de masse entre le métal liquide et les bulles de gaz est au cœur de toute purge. Les atomes d'hydrogène diffusent vers l'interface gaz-liquide, s'accumulent dans la bulle et quittent la fusion lorsque la bulle s'élève et éclate à la surface. Le taux d'élimination de l'hydrogène dépend
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Surface de bulle par unité de volume de matière fondue (les petites bulles sont meilleures).
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Temps de séjour des bulles et répartition dans la masse fondue.
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Température de fusion et solubilité de l'hydrogène.
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Les turbulences et les schémas d'écoulement qui exposent les poches d'hydrogène piégées aux bulles.
Le dégazage rotatif crée des bulles très fines parce que le rotor cisaille le gaz injecté en une distribution fine. Les bulles fines et uniformément réparties augmentent considérablement la surface de contact et accélèrent la diffusion de l'hydrogène hors de la matière fondue. Si les bulles de gaz sont grosses ou inégalement réparties, l'efficacité du dégazage diminue. C'est pourquoi la géométrie du rotor, la siccité du gaz et la vitesse du rotor figurent parmi les paramètres opérationnels les plus critiques.
Méthodes courantes de dégazage à l'azote utilisées dans les fonderies d'aluminium
Dégazage rotatif sous gaz inerte
Les dispositifs rotatifs utilisent un rotor rotatif en graphite ou en céramique pour disperser l'azote dans la matière fondue, ce qui produit de fines bulles et une circulation active. Il s'agit de l'approche industrielle la plus courante pour les grandes poches et les fours de maintien. Le dégazage rotatif est souvent associé à un contrôle automatisé des recettes et à l'enregistrement des données.
Purge par lance statique ou bouchon poreux
Une lance ou un bouchon poreux introduit le gaz au fond de la poche. Les lances sont plus simples et moins coûteuses, mais elles produisent souvent des bulles plus grosses et une dispersion moins uniforme, ce qui nécessite des temps de traitement plus longs.
Dégazage assisté par flux combiné à une purge d'azote
Les pastilles de sel ou de flux aident à fixer les inclusions non métalliques à la surface des bulles et au laitier supérieur. Bien que le fluxage cible davantage les inclusions que l'hydrogène dissous, leur utilisation conjointe permet d'améliorer la propreté globale de la fonte.
Vide et nappage à l'azote
Le dégazage sous vide élimine directement les gaz dissous en réduisant la pression. Dans certains systèmes, le traitement sous vide est suivi d'un nappage à l'azote ou d'une purge légère pour homogénéiser et protéger la qualité de la matière fondue. Le vide reste plus efficace pour les besoins en hydrogène ultra-faible, mais les coûts d'investissement sont plus élevés.
Tableau 2 : Comparaison rapide des méthodes basées sur l'azote
| Méthode | Installation typique | Élimination relative de l'hydrogène | Débit | Inducteurs de coûts |
|---|---|---|---|---|
| Rotor rotatif | Fonderies de taille moyenne à grande | Élevé avec les réglages adéquats | Haut | Usure du rotor, qualité du gaz |
| Lance / bouchon poreux | Petite à moyenne | Modéré | Modéré | Consommation de gaz, durée de vie de la lance |
| Flux + purge | Réparation/nettoyage secondaire | Modéré pour les inclusions | Faible | Manipulation des flux, déchets |
| Vide + N2 | Spécialité | Très élevé (vide primaire) | Faible à moyen | Coût du capital, entretien |
Lors du choix d'une méthode, il faut tenir compte des objectifs de qualité du produit, du débit et des coûts en aval des rebuts.
Choix de l'équipement : quoi acheter et pourquoi ?
Le choix des composants influe sur la capacité à produire de petites bulles, à assurer une immersion constante et à fonctionner en toute sécurité.
Rotors et matériaux des rotors
Les rotors en graphite sont courants et offrent un bon comportement thermique et une bonne aptitude à la fabrication. Les rotors revêtus ou en céramique tolèrent des alliages plus abrasifs mais coûtent plus cher. La conception du rotor a un impact sur la distribution de la taille des bulles ; la géométrie de la roue, la taille des poches et la vitesse de rotation doivent être adaptées à la taille de votre poche de coulée.
Livraison et conditionnement du gaz
Une alimentation sèche et exempte d'huile est essentielle. L'humidité et la contamination par l'huile créent de l'hydrogène et introduisent des défauts. Utilisez des sécheurs de point de rosée, des pièges à huile et des régulateurs de débit massique pour réguler l'alimentation. La pureté du gaz doit être vérifiée, idéalement ≥ 99,99 %, et les conduites de gaz doivent être conçues pour un service inerte.
Lances, bouchons poreux et épandeurs
Pour les applications non rotatives, choisissez des lances à porosité fine et des matériaux durables. Les bouchons poreux qui créent de nombreux petits sites de libération de bulles sont plus performants que les lances à trou unique.
Instrumentation et automatisation
Le contrôle des recettes par automate programmable, les capteurs de pression et de température différentielles et l'enregistrement RPT simplifient la reproductibilité et soutiennent l'EEAT lorsque vous pouvez présenter des données de fonctionnement traçables à vos clients.
Tableau 3 : Liste de contrôle de l'équipement pour le dégazage à l'azote
| Objet | Pourquoi c'est important |
|---|---|
| Dégazeur rotatif avec options de rotor adaptées | Produit de petites bulles réparties |
| Séchoir à gaz et filtres | Empêche la contamination par l'humidité et l'huile |
| Régulateur de débit massique ou vannes à aiguille | Dosage précis du gaz |
| Contrôleur de pureté du gaz ou certificat du fournisseur | Confirmer la qualité inerte |
| Kit RPT ou analyseur d'hydrogène | Mesurer la performance et l'acceptation |
| Rotor de rechange et kit de joints | Réduire les temps d'arrêt |
Le choix d'un mauvais équipement est souvent la principale raison pour laquelle le dégazage à l'azote n'est pas aussi performant que le dégazage à l'argon.
Paramètres du processus et procédures planifiées
Le dégazage à l'azote nécessite des recettes rigoureuses. Les variables les plus importantes et les fourchettes pratiques sont indiquées ci-dessous. Il ne s'agit que de points de départ ; chaque ligne doit faire l'objet d'essais sur site.
Pureté et sécheresse des gaz
Utiliser un gaz dont la teneur en humidité et en hydrocarbures est la plus faible possible. Même de petites quantités de vapeur d'eau deviennent une source d'hydrogène dans la fonte. Les outils permettant d'atteindre cet objectif sont les sécheurs de gaz en ligne, les pièges à tamis moléculaires et les filtres à brouillard d'huile.
Débit de gaz et stratégie de dosage
Maintenir un débit qui produit de fines bulles sans turbulence excessive à la surface de la matière fondue. Un débit excessif crée un tourbillon de surface qui ramène les oxydes dans la masse fondue. Commencer par des débits faibles et augmenter jusqu'à ce que l'objectif de RPT ou de ppm d'hydrogène soit atteint.
Vitesse du rotor et profondeur d'immersion
Une vitesse de rotation plus élevée du rotor tend à produire des bulles plus fines, mais augmente l'usure du rotor et peut provoquer des tourbillons excessifs si la profondeur d'immersion ou la position de la rampe est incorrecte. La profondeur d'immersion doit assurer un renouvellement complet de la matière fondue sans créer de vortex en surface. La vitesse de rotation du rotor et la profondeur d'immersion varient en fonction du modèle et de la taille de la poche de coulée ; il convient de suivre les courbes du fournisseur et de les affiner dans l'atelier.
Temps de traitement et masse fondue
Le temps de traitement varie en fonction de la masse de la matière fondue et de l'agressivité des cibles. Pour l'azote, le temps est généralement 1,5 à 3 fois plus long que pour l'argon pour la même chute d'hydrogène, mais cela dépend fortement de la taille des bulles et de la turbulence de la matière fondue. Utilisez le RPT ou le titrage de l'hydrogène pour déterminer le temps suffisant.
Contrôle de la température
Des températures de fusion plus basses réduisent la solubilité de l'hydrogène et accélèrent la cinétique de dégazage, mais des températures excessivement basses peuvent augmenter la viscosité et ralentir la montée des bulles. Trouvez la fenêtre de traitement pour chaque alliage. La gestion de la température permet également d'éviter la réabsorption inutile de l'humidité atmosphérique pendant le transfert.
Tableau 4 : Exemples de recettes de départ pour le dégazage rotatif à l'azote
| Famille d'alliages | Masse fondue par lot | Vitesse de rotation du rotor (démarrage) | Débit de N2 L/min | Durée du traitement (min) |
|---|---|---|---|---|
| Pièces moulées générales en Al-Si | 500 kg | 900 | 10-20 | 8-15 |
| Alliages structuraux Al-Mg | 500 kg | 1000 | 12-25 | 10-18 |
| Alliages de haute précision | 500 kg | 1200 | 15-30 | 12-20 |
Il s'agit d'exemples. Optimiser avec le RPT et le titrage d'hydrogène.
Considérations relatives à la température et à l'alliage
La solubilité de l'hydrogène augmente avec la température. Chaque alliage se comporte différemment, de sorte que la pratique du four, le temps de maintien et la géométrie de transfert influencent les niveaux d'hydrogène de départ.
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Pour les alliages aluminium-silicium couramment utilisés dans les moulages automobiles, maintenir les températures de fusion à l'extrémité inférieure de la fenêtre de coulabilité afin de réduire la solubilité de l'hydrogène tout en préservant la fluidité.
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Pour les alliages contenant du magnésium qui peuvent être plus réactifs, il convient de prêter une attention particulière à la compatibilité des matériaux du rotor et à la sécheresse du gaz afin d'éviter la corrosion ou la réaction.
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Si vous effectuez des traitements sensibles à la chaleur, comme la modification au strontium de l'Al-Si, assurez-vous que les étapes de dégazage n'annulent pas les traitements chimiques.
Des études empiriques montrent que l'efficacité du dégazage diminue à mesure que la température augmente et que le temps nécessaire pour atteindre une teneur en hydrogène cible double approximativement pour certaines augmentations de température. Cette relation doit être prise en compte lors de la conception de la recette.
Comment le dégazage à l'azote s'inscrit dans le train de la propreté des matières fondues
Le dégazage est l'un des maillons d'une chaîne qui comprend le stockage de la matière fondue, l'écrémage, le fluxage, le dégazage et la filtration. La séquence et la qualité de chaque étape influent sur la suivante.
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Le stockage approprié des charges et le séchage des déchets et des lingots réduisent l'hydrogène initial.
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La fusion contrôlée et l'écrémage éliminent les oxydes bruts.
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Le dégazage à l'azote diminue l'hydrogène dissous.
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La filtration élimine les inclusions non métalliques et conditionne le flux avant le remplissage du moule.
Si le dégazage est effectué sans écrémage en amont, les filtres se boucheront plus rapidement et l'efficacité du dégazage diminuera car les films d'oxyde de surface réintroduisent la contamination.
Critères de mesure, d'échantillonnage et d'acceptation
Il faut mesurer pour améliorer. Plusieurs techniques sont utilisées dans les fonderies.
Essai à pression réduite (EPR)
Le RPT est un test de dépistage rapide qui permet de comparer le potentiel de porosité avant et après traitement. Il ne s'agit pas d'une mesure absolue de l'hydrogène en ppm, mais d'une comparaison directe de la qualité de la fonte.
Titrage de l'hydrogène et analyse des gaz vecteurs
Les analyseurs d'hydrogène de laboratoire mesurent l'hydrogène dissous en parties par million. Ils permettent de vérifier que le traitement de l'azote est conforme aux spécifications.
Rayons X, essais ultrasoniques et métallographie
Pour les pièces moulées critiques, des essais non destructifs permettent de confirmer que la porosité a été contrôlée. Le comptage métallographique des inclusions fournit une preuve supplémentaire de la propreté générale.
Tableau 5 : Seuils d'acceptation typiques
| Classe de moulage | Cible hydrogène ppm (H) | Acceptation typique du RPT |
|---|---|---|
| Industrie générale | < 0,15 ppm | Amélioration modeste de l'indice RPT |
| Structure automobile | < 0,10 ppm | Faible porosité RPT |
| Aérospatiale ou critique | < 0,05 ppm | Le vide ou l'argon peuvent être nécessaires |
Définir l'acceptation avec les clients et enregistrer les données au niveau du lot pour montrer la traçabilité.
Sécurité, manipulation des gaz et contrôles environnementaux
L'azote est un asphyxiant. Mettre en place des contrôles :
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Le stockage et la tuyauterie du gaz doivent être conformes aux réglementations locales.
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Utiliser des moniteurs d'oxygène dans les zones fermées où du N2 est utilisé ou stocké.
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Évacuer le gaz à l'écart du personnel et utiliser les alarmes appropriées.
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S'assurer que les compresseurs à gaz ou les générateurs ne contiennent pas d'huile et qu'ils sont régulièrement entretenus afin d'éviter toute contamination.
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Former les opérateurs aux procédures d'arrêt et de déconnexion d'urgence en toute sécurité.
Gérer également les fondants et les crasses écrémées comme des déchets de procédé ; les traiter conformément aux règles environnementales locales.
Planification de la maintenance, de l'usure et des pièces de rechange
Le dégazage à l'azote nécessite souvent des volumes de gaz plus importants ou un temps de fonctionnement plus long du rotor par rapport à l'argon, ce qui peut se répercuter sur l'usure et les pièces de rechange.
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Les rotors en graphite s'usent par abrasion et doivent être stockés comme pièces de rechange.
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Les conduites de gaz nécessitent des changements réguliers de filtres et des remplacements de sécheurs.
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L'étalonnage de routine des régulateurs de débit massique et des contrôleurs de pureté des gaz réduit la dérive du processus.
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Tenir des registres des heures de fonctionnement du rotor, de la consommation de gaz et des résultats du RPT afin de planifier la maintenance prédictive.
Dépannage des problèmes courants et actions correctives
Tableau 6 : Symptômes et mesures correctives
| Symptôme | Cause probable | Action corrective |
|---|---|---|
| La RPT montre peu d'amélioration après le traitement | Mauvaise dispersion du gaz ; grosses bulles ; humidité du gaz | Vérifier la géométrie du rotor, réduire le débit pour éviter les tourbillons de surface, vérifier la sécheresse du gaz. |
| Usure rapide du rotor | Inclusions abrasives ou profondeur d'immersion incorrecte | Inspecter les contaminants de la fonte, ajuster la profondeur d'immersion, inspecter le matériau du rotor |
| Augmentation de l'écume de surface après dégazage | Agitation excessive ou résidus de flux | Réduire la vitesse du rotor, vérifier la synchronisation de l'application du flux |
| Consommation de gaz anormalement élevée | Fuites ou écoulement incontrôlé | Vérifier l'étanchéité de la tuyauterie, vérifier l'étalonnage du régulateur de débit massique |
| Variabilité entre les équipes | Recettes ou pratiques des opérateurs incohérentes | Verrouiller les recettes dans l'automate, former le personnel, utiliser des listes de contrôle et des SPC |
Utiliser l'analyse des causes profondes et effectuer des essais contrôlés après toute action corrective.
Considérations économiques et retour sur investissement du dégazage à l'azote
Bien que l'azote coûte moins cher au mètre cube, les besoins en gaz plus élevés et les durées de traitement plus longues peuvent réduire une partie de l'avantage en termes de coût brut par rapport à l'argon pour le même résultat métallurgique. Toutefois, pour de nombreuses pièces présentant des objectifs modérés en matière d'hydrogène, l'azote offre le meilleur rapport coût/performance.
Tenez compte des éléments suivants lors de la modélisation du retour sur investissement :
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Coût du gaz et taux de consommation.
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Coût des rotors et des pièces de rechange et durée de vie prévue.
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Réduction des rebuts et des temps d'usinage grâce à une meilleure propreté de la matière fondue.
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Travail et pouvoir opérationnels.
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Les coûts des déchets réglementaires liés à la manipulation des flux ou de l'écume.
Tableau 7 : Exemple d'aperçu simplifié du retour sur investissement
| Métrique | Exemple de valeur |
|---|---|
| Débit annuel | 3,000 t |
| Réduction des déchets grâce au dégazage | 0,8% absolu |
| Métal économisé chaque année | 24 t |
| Prix du métal | $1,800/t |
| Valeur annuelle du métal économisée | $43,200 |
| Coût annuel du gaz et des consommables | $8,500 |
| Prestation annuelle nette | $34,700 |
| Période de récupération typique | 6 à 18 mois selon le niveau de référence |
Effectuer des calculs spécifiques à l'usine pour déterminer si l'azote ou l'argon offre le meilleur coût total de possession.
FAQ
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L'azote peut-il remplacer l'argon pour tous les besoins de dégazage de l'aluminium ?
Pas toujours. L'azote est un choix rentable pour de nombreuses pièces moulées industrielles, mais pour les limites d'hydrogène les plus strictes, l'argon ou les procédés sous vide peuvent permettre d'atteindre les objectifs plus rapidement. Le choix du gaz se fait en fonction de l'alliage et des critères d'acceptation. -
À quel point l'azote doit-il être sec ?
Extrêmement sec. Il faut viser des points de rosée qui maintiennent la vapeur d'eau dans le gaz à des niveaux de ppm à l'état de traces. Toute humidité peut augmenter la teneur en hydrogène de la matière fondue et réduire les performances du dégazage. Utilisez des sécheurs et effectuez des contrôles réguliers. -
Combien de temps dois-je faire fonctionner le dégazage à l'azote pour une fusion de 500 kg ?
La durée du traitement dépend des performances du rotor et de la réduction d'hydrogène souhaitée. Pour commencer, une durée de 8 à 15 minutes avec une vitesse de rotation du rotor et un débit appropriés est courante ; valider avec le RPT et l'analyse de l'hydrogène. Voir le tableau 4 pour des exemples de recettes. -
L'azote risque-t-il d'endommager mon rotor ou de contaminer la matière fondue ?
Non, l'azote est inerte avec l'aluminium fondu, mais la conception du rotor et les conditions d'immersion peuvent accélérer l'usure. Utiliser un gaz sans huile et une alimentation sèche pour éviter toute contamination. Surveiller l'état du rotor. -
Quel est le moyen le plus simple de vérifier que le dégazage a fonctionné ?
Effectuer un test de pression réduite avant et après le traitement pour une comparaison rapide. Confirmer par une analyse ppm de l'hydrogène pour les pièces critiques. -
L'azote affecte-t-il la chimie des alliages ?
L'azote n'est pas réactif avec la plupart des alliages d'aluminium aux températures de coulée, mais il faut s'assurer de la compatibilité avec les alliages spéciaux et tout ajout d'alliage réactif. -
L'azote peut-il être utilisé en même temps que le flux ?
Oui. Le flux favorise l'élimination des inclusions, tandis que l'azote diminue l'hydrogène dissous. Une bonne synchronisation et un bon écrémage sont essentiels pour minimiser le dépôt de flux sur les filtres. -
Comment éviter le vortexage de la surface lors de la purge d'azote ?
Contrôler la profondeur d'immersion du rotor et le débit de gaz, utiliser des répartiteurs de débit et éviter de placer le rotor trop près de la surface de la matière fondue. Réduire la vitesse de rotation en cas de formation de tourbillons. -
Quelle pureté de gaz dois-je exiger d'un fournisseur ?
Demander une documentation certifiée sur la pureté et le point de rosée. Pour obtenir les meilleures performances, demandez un gaz certifié d'une pureté de 99,99 % et d'un point de rosée bas. -
La production d'azote sur site est-elle acceptable pour le dégazage ?
De nombreuses usines utilisent des générateurs PSA ou à membrane. S'assurer que la production du générateur répond aux exigences de pureté et de sécheresse et que sa capacité est suffisante. Contrôler régulièrement la production.
