Les aciers au silicium sont des alliages ferritiques de fer et de silicium qui possèdent des propriétés magnétiques qui les rendent utiles dans les moteurs et les transformateurs. Les ajouts de silicium améliorent la douceur magnétique et augmentent la résistivité électrique. Ils ont également pour effets indésirables d'abaisser la température de Curie, de réduire la magnétisation à saturation et de troubler l'alliage lorsque les ajouts de silicium dépassent 2 % en poids. Les effets de fragilité du silicium rendent difficile la production d'aciers au silicium contenant plus de 3 % en poids de silicium. Les aciers au silicium sont produits sous deux formes : des alliages à grains orientés hautement texturés et des alliages dans lesquels les grains ne sont pas orientés. L'orientation des grains est réalisée pour aligner l'axe magnétique facile.
Gestion et contrôle de la corrosion
Les anodes en fer-silicium sont généralement fournies dans des tailles standards, par exemple pour des pièces moulées pleines de 50 ou 75 mm de diamètre et 1,2 ou 1,5 m de longueur, et sont complétées par une queue de câble. Ces anodes sont fabriquées en fonte à haute teneur en silicium, 14 à 15 %, ainsi qu'en faibles pourcentages d'éléments d'alliage comme le chrome.
Les anodes sont disponibles avec des têtes élargies dans lesquelles les queues de fil sont terminées et encapsulées avec de la résine et des capuchons de protection thermorétractables. Ils sont disponibles en version « simple » ou « double » avec respectivement un raccordement par câble à une extrémité ou un à chaque extrémité. Les anodes à double extrémité peuvent être fournies en plusieurs chaînes d'anodes avec un seul fil par chaîne.
Les anodes tubulaires pour centrifugeuse coulées à froid sont également disponibles dans des diamètres de 55 à 170 mm et dans des longueurs de 1,5 et 2,1 m avec connexion de câble centrale. Il existe des données indiquant que les anodes coulées à froid ont des performances plus constantes, probablement en raison de leur structure de grain plus fine et plus cohérente, et que la connexion centrale des câbles entraîne un facteur d'utilisation de la masse de l'anode plus élevé, puisque les effets finaux n'entraînent pas une consommation prématurée de la ou des extrémités de la connexion du câble.
Le fer-silicium avec 4,5 % de chrome est devenu l'alliage de fer-silicium le plus largement utilisé pour les anodes à courant imposé, mais il ne doit être utilisé que lorsque la teneur en chlorure de l'électrolyte est importante. Dans les sols à faible teneur en chlorure, le film d'oxyde tenace qui se forme sur l'alliage de chrome et qui assure son faible taux de consommation dans l'eau de mer et d'autres environnements chlorés, peut devenir très résistif et provoquer une défaillance apparente de l'anode/du sol.
Les principaux inconvénients des anodes en fer-silicium sont leur poids et leur extrême fragilité, qui se traduisent par des coûts de transport élevés et des risques de casse depuis la fonderie jusqu'au site de protection cathodique, surtout si celui-ci est situé à l'étranger. Cette anode est encore largement utilisée car ses performances sont très bien établies et elle résiste à diverses conditions de fonctionnement.
PROTECTION CATHODIQUE
PRINCIPALES ANODES DE COURANT IMPRIMÉES
Les principales anodes à courant imposé sont les suivantes :
FONTE À HAUTE TENEUR EN SILICIUM
Les anodes fer-silicium sont composées de fer comme métal de base avec environ 15 % de silicium et 1 % de carbone, alliés en outre avec du chrome (5 %), du manganèse (1 %) et du molybdène (2 %). Le débit de courant maximum est de 50 A/m2 et le taux de consommation est compris entre 90 et 250 g/A/an. Les anodes contenant du Mo sont utilisées dans les milieux à haute température.
Une analyse typique de l'anode en fonte à haute teneur en silicium est présentée dans le tableau 5.8. Généralement utilisé pour les applications de protection cathodique au sol.
Analyse d'une anode typique en fonte de silicium
| Élément | Pourcentage |
|---|---|
| Silicium | 14h35 |
| Carbone | 0,85 maximum |
| Manganèse | 0,65 maximum |
| Fer | Repos |
DÉCHETS DE MÉTAL
Il a l’avantage d’être bon marché et disponible en abondance. Le taux de consommation de tuyaux en acier doux, de ferraille et de ferraille de fonte varie. Pour la ferraille d'acier doux, le taux de consommation est de 6,6 à 9,0 kg/an et pour la fonte, de 0,9 à 9,0 kg/an. L'acier est utilisé sous forme d'anciennes lignes ferroviaires, de canalisations et de profilés de structure. Le taux de consommation de ferraille d’acier est généralement uniforme. Le matériau est principalement disponible sous forme de sections longues et minces et, selon que ces sections sont installées horizontalement ou verticalement, elles peuvent rencontrer des strates de sol de résistivités différentes, provoquant une corrosion non uniforme. La fonte a l'avantage d'être de section épaisse et d'une forme telle que toute pièce se trouvera dans un sol de résistivité plus ou moins uniforme. De plus, la surface du graphite est exposée à mesure que le fer extérieur est consommé. Le fer restant sous forme de graphite fait donc office d’anode en graphite.
ANODES EN GRAPHITE
Ils présentent les avantages d’une protection anticorrosion longue durée, de faibles coûts de maintenance et d’un rendement élevé. La densité de courant anodique typique se situe entre 10,8 et 40,0 A/m2 (1,4 A/ft2). Le taux de consommation se situe entre 0,225 et 0,45 kg (0,5 et 1,0 lb) par an. Ils ont généralement une forme cylindrique, bien qu'il existe d'autres formes.
PLATINE TITANE
Ces anodes sont utilisées pour l'eau salée ou l'eau douce où la conductivité est très faible. Le titane développe une couche d'oxyde adhérente à haute résistance électrique. La couche d'oxyde empêche la corrosion en agissant comme une barrière. Le titane agit comme un support inerte pour le platine. Le platine peut résister à une densité de courant très élevée et n'est généralement appliqué que sur une petite zone. La couche de platine a généralement une épaisseur de 2,5 microns et sa durée de vie utile est estimée à 10 ans. Les feuilles de titane, de 1 à 2 mm d'épaisseur avec une couche de platine de 2,5 à 5,0 µm, peuvent être chargées à 10 A/dm2 ou sur une période de plusieurs années. Les anodes en tige de 10 à 25 mm de diamètre sont fréquemment utilisées pour la protection des cuves, des tuyaux, des condenseurs, des terminaux à huile thermique, etc. Des densités de courant allant jusqu'à 50 A/pi2 (540 A/m2) peuvent être obtenues. Cependant, l'anode doit être utilisée en basse tension.
ANODES EN PLOMB
Les anodes en plomb sont constituées de divers alliages de plomb, tels que Pb-1Ag-6Sb et Pb-1Ag-5Sb-1Sn. La densité d'une anode en plomb est comprise entre 11,0 et 11,2 g/cm3.
Pb-1Ag-6Sb a une capacité de 160-220 A/m2 et un taux de consommation de 90 g/an ou 0,009 kg/an à une densité de courant de 10 A/ft2 (108 A/m2). L'autre anode, contenant 10 % de Sn et 5 % d'antimoine, a une capacité de 500 A/dm2 et une consommation de 0,3 à 0,8 kg/an. Cet alliage possède de bonnes propriétés mécaniques et peut être étendu à n’importe quelle forme. Des anodes en plomb-argent ou plomb-platine d'un diamètre de 7,5 cm, d'une longueur de 75 cm et d'un poids de 36 kg ou d'un diamètre de 5 cm, d'une longueur de 180 cm et d'un poids d'environ 45 kg sont utilisées sous forme d'anodes rondes pour protéger les structures marines de la corrosion. Ils sont également utilisés pour protéger les navires.
Transformateurs électriques
Matériaux de base
L’utilisation du silicium-fer comme matériau de noyau magnétique a été introduite au début du 20e siècle. Le fer siliceux a une perméabilité relativement élevée, et l'augmentation de la résistivité due au silicium a contribué à réduire les pertes parasites. Jusqu’à la fin des années 1930, de fines feuilles de fer au silicium laminées à chaud, souvent appelées acier au silicium, étaient utilisées presque exclusivement dans les noyaux des transformateurs. Étant donné que le fer de silicium laminé à chaud a approximativement les mêmes propriétés magnétiques dans toutes les directions dans le plan des tôles, un simple joint de coin à recouvrement à 90 degrés pourrait être utilisé pour les noyaux empilés.
À la fin des années 1930, un nouveau matériau, le silicium-fer à grains orientés, a été développé pour les transformateurs. Ce matériau présentait des caractéristiques magnétiques améliorées dans la direction de roulement, mais pires perpendiculairement à cette direction. Le fer de silicium laminé à chaud est composé de cristaux ou de grains orientés de manière aléatoire. Cette fonctionnalité rend les propriétés égales dans toutes les directions. Dans la fonte de silicium à grains orientés, les processus supplémentaires de laminage à froid et de traitement thermique utilisés aboutissent à des stratifications, avec un pourcentage élevé de cristaux orientés dans la direction de stratification. Aux coins des noyaux empilés avec un matériau orienté, un joint bout à bout en onglet à 45° est souvent utilisé pour réduire les pertes de joint. Actuellement, la plupart des transformateurs utilisent des matériaux à grains orientés avec des épaisseurs de stratification de l'ordre de 0,2 à 0,3 mm.
Il est intéressant de noter que, bien que les matériaux magnétiques actuellement utilisés dans les noyaux aient une structure cristalline, il existe une nouvelle classe d’alliages magnétiques non cristallins en cours de recherche et de développement. Ce sont des métaux amorphes, dont l'état amorphe est produit par le refroidissement très rapide de la fusion de l'alliage.
Les alliages métalliques amorphes présentent des niveaux de perte bien inférieurs à ceux des matériaux à noyau à grains orientés. Cependant, comme ces matériaux sont actuellement produits sous forme de ruban très fin, ils sont plus facilement appliqués sur des noyaux enroulés. Actuellement, un nombre considérable de transformateurs de distribution ont été fabriqués avec ce matériau et leurs performances sont surveillées sur le terrain.
