Petit four de fonderie

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Mouna
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Petit four de fonderie

Messagepar Mouna » 27 nov. 2019, 13:17

Hello,

On est en train de lancer concrètement un projet de petit four de fonderie. On a créé un canal sur le chat, nommé "Petit four de fonderie", tous les intéressés peuvent s'ajouter.

L'idée est de refaire un petit four en attendant le projet de grand four qui arrivera plus tard. Donc c'est un projet moins ambitieux, qui permettra aussi de tester d'autres sources d'approvisionnement pour les éléments (entre autres pour les creusets), à visée pédagogique de petite ampleur pour faire à court terme de petites pièces. Il ressemblera pas mal à l'ancien qui n'est plus en état de marche.


- Pour des températures allant jusqu'à ~1200°C
- Adapté alu, cuivre, laiton
- Volume correspondant à ~1kg de métal fondu

On vous mets les photos ici dès que ça avance !
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Flax
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar Flax » 27 nov. 2019, 14:06

Tant que j'y suis, quelques liens intéressants, je pense.

Le fournisseur qui a été conseillé à Mouna pour les creusets : https://www.angele-shop.com/media/pdf/f ... tiegel.pdf

Commencer par bien lire la page wiki du Lab sur les expériences de fonderie précédentes : https://wiki.electrolab.fr/Projets:Perso:2014:Fonderie

Un pdf de 136 slides sur les techniques de fonderie au sable: http://www.iitg.ac.in/engfac/ganu/public_html/Metal%20casting%20processes_1.pdf
http://fab.cba.mit.edu/classes/863.16/d ... index.html
https://www.delftclay.co.nz/build-your- ... -refining/
https://store.alansfactoryoutlet.com/Gu ... s/1876.htm
Attention : là c'est un site de custom de motos. Donc ... Comment dire ... L'imagerie oscille entre le beauf et le vulgaire. A bon entendeur ... https://www.romacustombike.com/?id=85:3 ... cycle-part
https://www.iforgeiron.com/topic/24977- ... beginners/
https://metalblog.ctif.com/2018/07/16/l ... etallique/

J'ai aussi trouvé des fours indus' tout faits sur directindustrie, pour référence :
https://www.directindustry.com/prod/pyr ... 11281.html
https://www.directindustry.com/prod/chi ... 78269.html
https://www.directindustry.com/prod/arg ... 77601.html
https://www.directindustry.com/prod/sol ... 75309.html
https://www.directindustry.com/prod/efd ... 49610.html
https://www.directindustry.com/prod/sol ... 51089.html

Le dernier ressemble beaucoup à l'actuel :)
Des projets DIY:
https://www.instructables.com/id/Electric-Furnace/
https://www.instructables.com/id/Build- ... minum-tha/
http://www.vegoilguy.co.uk/foundry-electric.php
https://www.instructables.com/id/How-to ... l-Casting/
http://www.dansworkshop.com/2008/03/hom ... furnace-2/

Par ailleurs, j'essaye de trouver des infos sur les résistances ("heating elements" dans la langue de Michael Bay). Pas évident, mais parce que je ne dois pas savoir chercher ...

http://www.alloyavenue.com/vb/showthrea ... ndry-Build
https://www.budgetcastingsupply.com/category-s/1852.htm
http://www.bach-rc.de/ceramic.html?language=en
https://soloheat.co.uk//
http://www.alloyavenue.com/vb/showthrea ... g-aluminum
https://www.40ansgnliege.be/aluminum1/E ... te-55.html
https://www.dykast.com/products/heating-elements/3148
https://www.pyrotek.com/products/foundry/
https://www.amazon.com/Kanthal-Heating- ... B073VBD7D5
https://www.kanthal.com/en/products/fur ... g-s-and-s/
https://www.kanthal.com/en/products/fur ... -elements/

A priori, c'est soit sous forme d'élément chauffant déjà tout fait, soit sous forme de fil à enrouler pour faire une résistance chauffante, pas bien différente des anciens convecteurs. Si on prend du fil:
http://www.vegoilguy.co.uk/coil-making-jig.php
Celui a l'air pas mal pour avoir des ordres de grandeur : https://www.metallab.net/kanthal.php

Il va falloir compulser tout ça ...
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar mil351 » 27 nov. 2019, 15:31

Hello, j'ai aussi trouvé un site qui conseillait du fil de soudure pour réaliser la résistance. Je mettrai le lien quand je l'aurai retrouvé.
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar Flax » 28 nov. 2019, 14:08

Je suis en train de lire le PDF / PPT de 140 pages.
Slide 70 ils donnent la formule pour calculer l'énergie nécessaire pour faire fondre du métal.
equation_fonderie_01.PNG
equation_fonderie_01.PNG (65.48 Kio) Vu 130 fois

L'énergie à fournir est - sans surprise - proportionnelle au poids de métal qu'on veut fondre, et dépend des écarts de températures que l'on doit faire traverser au matériau.

Petite application numérique. Pour 1kg d'alu, en prenant les mêmes hypothèses (température de coulée à 800°C, température spécifique identique en solide et en liquide), j'arrive à:
H = 1000 x [0.88 x (660 - 25) + 389.3 + 0.88 x (800 - 660)] = 1071000 J

Si on prend comme hypothèse un transfert d'énergie parfait entre les résistances et le métal (ce qui est totalement faux, cela va de soi), et en appliquant directement E = P x t (ce qui donen ici H = P x t) , pour une puissance électrique de 5kW cela donne 214s, soit ~4 min, ce qui me parait étonnamment court.
Il faudrait avoir un ordre de grandeur du transfert d'énergie, qui dépend de l'isolant (brique / ciment / laine réfractaire), des ouvertures que l'on laisse sur la four, et de l'efficacité du circuit chauffant (qui doit être très élevée, vu qu'on commande en direct une résistance chauffante). Au doigt mouillé je pense qu'on doit être dans les 60%-70%. Donc multiplier le temps par autant, on est dans les 5 min.

Une autre application numérique intéressante serait de calculer le temps de refroidissement. Je pense que c'est la même équation, avec le transfert thermique du moule au sable qui donne la puissance dissipée dans l'air. Et là je n'ai aucune idée de l'ordre de grandeur, mais il y a peut-être des infos dans la suite du doc (ou ailleurs).

(A noter que le dernier four que j'ai mis en exemple est donné pour 1100°C max et une conso élec de 1400W, ce qui n'est pas beaucoup. Il doit être très très lent à chauffer ...)

Si on prend 1kg de cuivre, point de fusion 1085°C, on l'emmène à, disons, 1200°C, densité 8.96 g/cm3, température spécifique 0.385 J/gC, chaleur latente de fusion 13.36 kJ/mol, (masse atomique 63.5 g/mol => Hf = 13360 / 63.5 = 210 J/g), ça donne:
H = 1000 x [0.385 x (1085 - 25) + 210 + 0.385 x (1200 - 1085)] = 1000 x [408 + 210 + 115] = 733000 J

Avec les mêmes hypothèses que précédemment, à transfert parfait en 5kW ça fait 146s, soit moins de 3 min. Ça reste court, il faudrait vérifier que je ne me suis pas meulé dans mes calculs ...
Modifié en dernier par Flax le 28 nov. 2019, 14:29, modifié 1 fois.
Raison : Ai corigé des fautes de calculs avec un facteur 10 ...
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar mil351 » 28 nov. 2019, 14:23

J'ai regardé vite fait, je n'ai pas vu la densité du métal dans ton application numérique ?

Édit: Ah j'ai dit n'importe quoi effectivement
Modifié en dernier par mil351 le 28 nov. 2019, 16:30, modifié 2 fois.
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar Flax » 28 nov. 2019, 14:29

Dans ma formule, non, parce que c'est la masse qui compte, et je prend directement la masse de métal sans passer par densité x volume. D'ailleurs, j'ai corrigé quelques erreurs de calcul.

Des docs sur la sécurité en fonderie. Ils ont l'air pas mal complet. Après, c'est très orienté indus':
http://foundrygate.com/upload/artigos/7 ... ighkM6.pdf
https://www.investmentcasting.org/uploa ... tation.pdf

Tiens, sur EEVblog, quelqu'un qui a fait des calculs d'estimation pour un four électrique pour fondre de l'aluminium. Il faudrait comparer avec mes calculs.
https://www.eevblog.com/forum/projects/ ... aluminium/

Un autre exemple de four de fonderie DIY:
http://lejpt.academicdirect.org/A32/041_054.pdf

De la théorie sur les systèmes de chauffe (ça va servir pour estimer le transfert de chaleur en chauffe et en refroidissement):
http://www.darshan.ac.in/Upload/DIET/Do ... 5444AM.pdf

Un doc sur les différentes techniques pour la fonderie alu (ça pourrait servir pour le projet patrimoine indus' d'ailleurs):
http://web.deu.edu.tr/metalurjimalzeme/ ... -week2.pdf

https://wiki.opensourceecology.org/wiki ... e_Overview

Un jour, il faudra rapatrier tout ça sur le wiki et sur le forum section zone fonderie.
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar Flax » 30 nov. 2019, 13:52

J'ai créé un repo pour ce projet sur le gitlab du Lab : https://code.electrolab.fr/Flax/fonderie_petit_four
Et j'ai donc dessiné le schéma électrique en triphasé. A corriger, je pense qu'il y a plein de conneries dedans, surtout que je n'ai pas pris le temps de regarder comment sont faits les circuits indus' habituels, et je n'ai jamais vraiment fait d'electrotech, et ... bon :
- Comment gère-t-on le neutre ?
- Quelles protections ?
- Quelles prises ? 4 ou 5 pôles ? A priori les calibres de prises en tri ça passe direct de 16A à 32A, ou bien ça existe en 20A ?
- J'ai mis un voyant pour check que le courant est présent en amont, mais il faudrait peut-être check les trois phases ?
- J'ai mis un voyant qui indique que le contacteur principal est fermé. Même remarque que le précédent.
2_four_de_fonderie_5kw_triphasé.png
2_four_de_fonderie_5kw_triphasé.png (33.29 Kio) Vu 80 fois
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar Flax » 04 déc. 2019, 18:14

Donc, si je reprends le calcul du monsieur sur EEVblog, il trouve 17 min pour fondre 0.6L d'alu à 2kW, ça fait du 28.3min/L.
Moi j'ai 5 min pour 1kg (rau=2.7g.cm-3 -> 370 cm3 -> 0.37L) d'alu à 5kW, ça fait du 13.5min/L. Il y a un facteur 2.1 entre les temps, alors qu'il y a un facteur 2.5 entre les puissances, donc aux erreurs d'approximation près on est dans les mêmes ordres de grandeur.

Ensuite, il part sur le calcul des pertes avec la conductivité thermique des briques réfractaires. Si on suit le site que Zenos nous a donné (https://fr.solargil.com/453-briques-legeres-isolantes), et qu'on prend de la brique légère 1450°C, on nous dit que la conductivité est 0.32 (je suppose W/m/K) @ 1000°C.
Alors, si je ne me trompe pas, la conductivité thermique va donner la puissance nécessaire pour avoir un gradient entre les deux bords de l'isolant. Donc, ici, on va dire 800°C d'un côté (intérieur du four) et 20°C de l'autre (extérieur). En fait, vu que la température "ambiante" est de 20°C, si on met de la puissance pour monter la température d'un côté, alors que de l'autre on reste à 20°C, alors il va y avoir un transfert de puissance à travers le séparateur (la paroi du four), et cette énergie est donc perdue à l'extérieur du four, et ne se transmet pas au métal qu'on veut faire fondre. Donc, pour faire atteindre au métal la température qu'on veut lui faire atteindre, il faut fournir la puissance nécessaire à le faire monter en température (que j'ai calculé dans un post précédent) et ajouter la puissance perdue à travers les parois du four. C'est ce deuxième terme qu'on va calculer ici.

Donc, on dit 0.32 W/m/K, avec un gradient de 800°C-20°C, et une épaisseur de 60mm (épaisseur des briques). On cherche les Watts, donc on a:
0.32 = Puissance / épaisseur / gradient => Puissance = 0.32 x 780 * 0.06 = 15W ... Hum hum, erreur de calcul quelque part, lui il trouve 1kW, on est pas du tout dans les mêmes ordres de grandeur ...
Ah ! Attention, cela vaut pour une surface de 1m². Or, ici, je n'ai pas fait intervenir la surface. Reprenons.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Conductivit%C3%A9_thermique
https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conductivity

Grmpf ... Ça fait longtemps que j'ai pas fait de thermodynamique, je suis plus trop à l'aise avec ça. Donc, on a une paroi, deux températures différentes, donc transfert de chaleur.

https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_flux

Je prend la formule "Energy balance". Ça se calcule avec une intégrale. Bon, si on approxime à la hache, on obtient un truc du genre : P = k x (dT / dx) x S
P c'est la puissance qui circule
k c'est la conductivité thermique
dT / dx c'est le gradient de température, donc la différence de température divisée par l'épaisseur de la paroi
S est la surface de la paroi

Cette formule se tient : plus on a de surface, plus il faut de puissance pour maintenir l'écart de température, plus on a épais (dx), moins on a besoin de puissance. Application numérique, en prenant comme approximation une surface de 0.5m² (ça me parait grand, mais j'ai du mal à me représenter les longueurs, surfaces ...):
P = 0.32 x 780 / 0.06 * 0.5 = 2080W Ha ! On retrouve un ordre de grandeur cohérent.
Ok, j'ai compris l'erreur, j'avais multiplié par l'épaisseur de la paroi au lieu de diviser.

Cela veut donc dire qu'on va perdre 2kW à travers la paroi du four, ce qui fait un beau radiateur :) Et donc, si on a 5kW de puissance électrique, en fait on en aura que 3kW qui passeront effectivement dans le métal. Donc, petite règle de trois pour trouver le temps pour faire chauffer notre bout d'alu:
5min x 5kW / 3kW = 8.3min
Ça reste raisonnable.
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar mil351 » 04 déc. 2019, 20:16

En gros, un cube de 30 cm de côté ça fait 0,54 m² : 0.3*0.3*6 donc ça n'a pas l'air ma comme estimation. pour 40 cm de côté : 0.96 m²

pour un cylindre de H = r = 30 cm c'est 0.3*0.15*2*3.14 = 0.28 m² ou H = r = 40 cm 0.4*0.2*2*3.14 = 0.5 m²

Cependant, 6 cm ne me paraissent pas beaucoup comme épaisseur d'isolant, on aurait peut être intérêt à doubler ?

Faudrait calculer le coût.
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Re: Petit four de fonderie

Messagepar Flax » 04 déc. 2019, 22:58

Oui il faudrait faire un petit plan et voir combien il nous faudrait de briques, en simple épaisseur et en double épaisseur. Après on peut peut-être envisager un mix briques + ciment réfractaire ? Ptet c'est une connerie ce que je dis.

Sinon ça me fait réfléchir à propos de l'industrialisation et du rendement.
Si on prend le calcul de l'énergie nécessaire à faire fondre le métal, cela dépend de la température à atteindre (qui est donc fixe en fonction du métal et du process) et de la masse / volume à faire fondre. Tout le reste ce sont des constantes liées à la nature du métal à faire fondre.
Si on prend le calcul de l'énergie perdue à travers la paroi du four, ça dépend de la surface de contact et de la différence de température (là aussi fixe en fonction du métal et du process), tout le reste c'est des constantes.
Donc, si on augment le volume du four, l'énergie perdue va augmenter du fait de l'augmentation de la surface de contact, donc au carré, alors que le volume, lui, augmente au cube, donc augmenter le volume de métal à faire fondre demande plus d'énergie, mais améliore le rendement global. Autre approche : on ne rajoute pas d'énergie une fois que le métal (le contenu du four) a atteint la température voulue. Si on maintient à une température de consigne, en fait on régule, donc on compense juste les pertes, soit à travers les parois, soit parce qu'on rajoute du matériau "froid". Donc, si on prélève le métal ainsi fondu pour remettre du métal "froid" dans le four, on repart sur de l'utilisation utile de l'énergie. Mais alors, le fait de mettre plus de puissance ne va pas augmenter les pertes à travers les parois (vu que ce terme ne dépend pas de la puissance ou du temps), par contre on va faire chauffer le métal plus vite, donc on peut produire plus de métal en quantité globale si on fait chauffer par batchs et qu'on a du débit.

Conclusion : pour augmenter le rendement, il faut faire des gros fours, et / ou chauffer vite et fort :)
Bien entendu, ceci est une approximation grossière, je ne prend pas en compte les pertes dans le circuit, ou dans les ouvertures du four. Mais je trouve ce constat intéressant.

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