Brevet FR2317957A1 — publié le 19770211

L'invention concerne un procédé de séparation de particules en général de petites dimensions solides ou liquides, couramment dénomées inclusions: qui se trouvent en suspension dans des liquides. L'invention trouve un domaine préférentiel d'application dans le domaine des températures relativement éle vées et le procédé s'applique souvent à des liquides dont le point de fusion est également élevé. Ces liquides doivent être conducteurs du courant électrique, cette conductivité pouvant cependant être relativement faible. En particulier, il est connu que très souvent des métaux ou alliages contiennent des inclusions, le plus souvent solides, même à haute température, et qui, lorsque ces métaux ou alliages sont entièrement fondus, sont non miscibles ou très faiblement miscibles avec ces métaux ou alliages liquides et, en outre, présentent en général de faibles écarts de densité avec le liquide. A 17 inverse, il est également connu que des liquides non métalliques, par exemple des laitiers,peuvent contenir des particules minuscules qui peuvent être des particules solides diverses et aussi de fines gouttelettes de métal ou d'alliage en suspension. Les inclusions ont des origines très diverses et sont également de natures très diverses. Dans le cas, notamment, des métaux ou alliages, elles peuvent provenir des matières premires dont ils sont issus, de l'action de l'atmosphère ou des agents affinants, de la désagrégation des matériaux qui constituent l'enceinte, etc. Très souvent plusieurs type d'inclusions ou particules coexistent simultanément dans le liquide et pro- sentent des caractéristiques physico-chimiques différentes. Ces inclusions sont le plus souvent non conductrices : sels métalliques, sulfures, oxydes, particules de réfractaires détachées de l'enceinte, ou faiblement conductrices, telles que borures, nitrures, carbures, particules de carbone, etc.A l'inverse, dans le cas de laitiers contenant des gouttelettes métalliques en suspension, celies-ci peuvent être au contraire plus conductrices que le liquide au sein duel elles se trouvent. La séparation de ces inclusions représente un problème qui n'a ét que très mal résolu jusqu'à ce jour, bien qu'il se pose e façon constante, notamment au métallurgiste, que ce soit pour obvier à l'altération des propr étés mécaniques de nombreux mutcrlauxf notamment de métaux ou alliages, qui leur sont attri buées, ou pour récupérer des fractions métalliques précieuses à partir de laitiers les contenant, etc.Or ce problème acquiert une importance de plus en plus grande au fur et à mesure que les exigences de qualité des produits industriels deviennent plus sévères, et aussi au fur et à mesure qu'il devient nécessaire d'utiliser des matières premières moins pures et aussi de recycler des quantités de déchets de plus en plus grandes. Les procédés habituels de séparation de telles inclusions et particules sont en général sélectifs et ne permettent pas une action simultanée sur un ensemble complexe. C'est ainsi que la décantation est peu efficace lorsque la différence de densité entre les particules et le liquide qui les contient est trop faible ou lorsque lesdites particules sont très fines. Un brassage dans des conditions particulières entraine quelquefois une amélioration de la décantation. Cette amélioration n'est cependant au plus que partielle. La filtration ne permet pas de séparer les particules les plus fines. Enfin les agents chimiques sont sélectifs et ont souvent des effets secondaires défavorables visà-vis du liquide traité ou même de l'environnement. C'est le cas par exemple du traitement au chlore de l'aluminium liquide. L'invention a pour but de remédier à ces divers inconvénients, plus particulièrement de fournir un procédé de séparation des inclusions ou particules solides ou liquides hors des matériaux liquides conducteurs, ces inclusions ou particules étant constituées de matières essentiellement non miscibles avec le matériau liquide dont on veut les séparer. D'une façon plus gé- nérale, l'invention a pour but de fournir un procédé permettant la séparation de deux matériaux essentiellement non miscibles, dont au moins l'un est à l'état liquide et est conducteur de l'électricité. Le procédé selon l'invention, qui est appliqué à un matériau susceptible d'être amené à l'état liquide par élévation de la température, et qui contientaumoinsunconstituantdistinct, essentiellement non miscible, à l'état de particules liquides ou solides, ou d'inclusions, est caractérisé en ce que, à une température sous laquelle le susdit matériau est à l'état liquide, on soumet la plus grande partie, sinon l'ensemble, de la masse des constituants sus-indiqués à l'action d'un champ électromagné tique ayant une fréquence telle que des courants induits puissent se développer dans l'ensemble de la masse, pendant un temps suf visant pour permettre aux particules ou inclusions de se concen trer dans une région donnée de la masse. Un procédé semblable a déjà été décrit pour séparer, à partir d'une matrice formée notamment d'un alliage liquide, une phase distincte solide ou liquide formée également d'un alliage ou d'un métal et se trouvant,àB température de la séparation, en équilibre thermodynamique avec la susdite matrice.Un tel procédé a été décrit par exemple dans les brevets français n0 2.050.519 et n0 2.044.921, déposés le 30 mai 1969, et dans le certificat d'addition n 70 47835 au premier de ces brevets, déposé le t n ma 970. Dans tous les cas qui ont été évoqués dans ces brevets et ce certificat d'addition, il s'agissait cependant de séparer, à partir d'une matriceRliquLde, un constituant en équi libre thermodynamique- avec elle, c'est-à-dire dont les caracté ristiques de solubilité dans la matrice ou de sensibilité avec elle varient de façon importante avec la température.En d'autres termes, il s'agissait de constituants essentiellement aptes à se redissoudre dans cette matrice, notamment par élévation de la température régnant au sein de cette dernière, ou aptes à cris talîlser hors de cette matrice, notamment lorsque l'on produit une réduction de la température régnant au sein de cette matrice. La mise en oeuvre du procédé de séparation électromagnétique aboutissait au rassemblement, dans un endroit déterminé de la matrice ou en bordure de celle-ci, de la phase distincte sous une forme massive et compacte (du moins lorsque cette phase dis tincte était solide), formée de fragments solides soudés entre eux. Bien que le mécanisme de la séparation n'ait pas été expressément précisé dans les susdits brevets et certificat d'addition, il avait été reconnu que la séparation pouvait être attribuée au fait que les forces électromagnétiques se développant dans le mélange composite s'établissaient généralement d'une façon différente dans les deux phases distinctes. Au sur plus, on pouvait penser que la capacité de séparation mettait en jeu les phénomènes de dissolution-recristallisation que l'on peut constater dans une masse contenant des phases en équilibre thermodynamique, si bien que les parties de phase solide, en suspension dans la matrice liquide, pouvaient constituer des germes de cristallisation vers lesquels pouvait diffuser la ma tière constitutive de cette phase distincte, au sein de la matrice liquide. Il était au contraire parfaitement inattendu qu'un tel procédé de séparation électromagnétique puisse être appliqué à des liquides contenant en suspension des inclusions ou particules de matières essentiellement non miscibles à la phase liquide, quelle que soit la température à laquelle est portée la phase liquide, du moins dans les intervalles de températures couramment susceptibles d'être utilisés pour réaliser de telles séparations électromagnétiques.En particulier, on constate que dans le nouveau domaine d'application de ce procédé, les inclusions ou particules séparées, quoique se concentrant dans une zone déterminée de la masse liquide, ne se fondent pas dans des morceaux de volumes plus importants et même, surtout-loraque les teneurs en inclusions sontAfaibles,ne ne s'aggrègent souvent pas ks #aix' autres, fait d 'autant plus étornant que le liquide traité est soumis sous l'actiondu champ électromagnét#iclue, a un brass-ag-e m- & nique notable.Enfin, il ne pouvait être prévu qu'en particulier un tel procédé pouvait être appliqué à la séparation d'inclusions ou particules formées de matières isolantes, notoirement inertes à l'égard des champs électromagnétiques dans des conditions normales. D'une façon générale, il était surprenant que l'application d'un Famp électromagnétique de moyenne fréquence permette de séparer d'un liquide, à condition que celui-ci présente une certaine conductivité électrique, toutes sortes de particules ou inclusions isolantes ou conductrices, de dimensions même très petites, en suspension dans ce liquide. En ce qui concerne les fréquences mises en oeuvre, il suffit essentiellèments qu'elles soient aptes à entrainer la production de courants induits susceptibles de se développer dans l'ensemble de la masse du liquide. Ces fréquences vont naturellement varier selon les dimensions et le volume de l'échantillon traIté. On sait déterminer les fréquences utilisables, par exemple en ayant recours à la formule - e est la profondeur de pénétration des courants induits dans la masse traitée, en cm, 9 est la résistivité de la masse traitée, en ohms/cm, - f est la fréquence du champ électromagnétique périodique, no tamment alternatif, en herz. Pour les liquides constitués par des matériaux métalliques, la formule générale conduit à des fréquences en général inférieures à 20.000 Hz. La fréquence du champ alternatif nécessaire ne doit pas être trop élevée et dans la pratique il n'y a pas d'intérêt à dépasser 50 Khz. Par contre, lorsque les dimensions du volume liquide à traiter s'accroissent, il faut réduire la fréquence pour obtenir unepénétration suffisante, c'est-à-dire intéres sant pratiquement toute la masse du liquide. Lorsque les volumes à traiter sont trèsimportants, les fréquences doivent être ra menées à des valeurs qui peuvent être de l'ordre de 1000 Hz et même inférieures pour certaines applications. Le liquide à traiter est en général retenu dans un creuset ou analogue et soumis au champ électromagnétique néces sire la séparation par l'intermédiaire d'un enroulement d'in- duction entourant partiellement ou entièrement le creuset. L'ex- périence montre d'ailleurs que, selon la position relative du creuset vis-à-vis de l'enroulement, la zone du liquide dans laquelle viennent se rassembler les inclusions ou particules, sous l'effet du champ électromagnétique, n'occupera pas toujours la meme position vis-à-vis de l'ensemble de la matrice.Quelles que soient les susdites positions relatives, il y a intérêt à ce que la majeure partie, sinon la totalité, de la masse à traiter se trouve dans l'espace délImité par l'enroulement d'induction. D'une façon générale, on a intérêt à utiliser des creusets de forme géométrique relativement simple. Avantageusement, le creuset présente une forme légèrement évasée vers le haut, afin de faciliter la récupération du liquide par simple versement, lorsque les particules ou inclusions solides ont été attirees vers le fond du creuset. Il est aussi avantageux que la bo Sine d'induction présente une légère dissymétrie, par exemple qu'elle soit légèrement tronconique.Par exemple, elle présente un angle au sommet compris entre environ 5 et 30 . On peut cependant en général se satisfaire de la seule dissymétrie induite par la légère Inclinaison des spires sur l'horizontale, due à leur enroulement, comme on l'a représenté dans la figure unique, dans laquelle on a représenté un creuset 2 placé sur un support isolant 4, dans l'espace intérieur à un inducteur 6 comportant cing spires 'Induction 8. Les R7''~' -de chauffage peuvent, soit être constitués essetiellement par l'enroulement d'induction, associé à un rateur d'induction constitué de façon en soi connue, soit comporter d'autres moyens, par exemple un four, coagissant avec 1' enroulement d'induction. Le procédé selon l'invention se caractérise donc par une simplicité et une efficacité extrêmes. De plus, il présente le grand intérêt qu'il peut s'appliquer à la séparation simultanée de plusieurs types de particules ou inclusions coexistant dans un même liquide : particules conductrices et particules isolantes, particules ayant des densités et dimensions respectives variant en de très larges limites, particules solides et particules liquides, etc. Le procédé selon l'invention est d'un intérêt tout particulier lorsqu'il est appliqué à des métaux ou alliages utilisés ultérieurement pour la fabrication de pièces diverses, notamment par moulage, dont la santé interne est nettement améliorée du fart de la séparation des inclusions. D'autres caractéristiques du procédé selon l'invention apparaitront encore au cours de la description qui suit d'exemples dans lesquels il a été mis en oeuvre, étant naturellement entendu que ces exemples n'ont aucun caractère limitatif. EXEMPLE I : Séparation de particules d'alumine et de borure de titane dispersées dans un alliage industriel à base d'aluminium contenant des additions de Cu, Si et Mg (du type AU4SG 2014). Deux petits lingots (diamètre de 40 mm et hauteur de 90 mm) de cet alliage, ont été coulés simultanément et dans Les mêmes conditions, en creuset de graphite, et solidifiés par refroidissement naturel. L'un de ces échantillons est pris comme témoin. L'autre a été refondu dans un creuset de graphite cylindrique de 120 mm de haut, 40 mm de diamètre intérieur et 50 mm de diamètre extérieur, placé à l'intérieur d'un enroulement inducteur d'environ 110 mm de haut, de forme légèrement conique, et ayant un diamètre intérieur d'environ 90 mm en haut et 75 mm en bas. Cet enroulement était alimenté en courant alternatif de moyenne fréquence de 10 KHz avec une puissance de 3 KVA. Dans ces conditions, l'alliage a atteint, après fusion, une température d'environ 7200 C, qui a été maintenue pendant 1 heure. On a ensuite coupé le courant et laissé solidifier le lingot. Les deux lingots ont été découpés en sept tranches chacun et la teneur en oxygène de chaque tranche a été déterminée par "activation neutronique". Les résultats sont indiqués dans le tableau ci-après. Teneur en oxy ne tdmoin N0 de- \ Echantillon sémoin Echantilacn traité tranches# Très forteconcentrationan oxydeet préci Haut Analyse impossible à cause de la retassure. Très forte concentration en oxyde et préci pités de TiB2 (Microscopie optique). c 2 2 pas de détermination 30 i 7 3 77 # 1 25 i 6 1 4 75 1 i 0,5 5 76 + Il 1,4 f 0,5 6 1 65 i 10 1,4 + 0,5 + 7 23 * 5 ^ + 0,5 Bas Bas Les observations micrographiques ont confirmé ces analyses et ont montré en particulier que les inclusions de borure de titane se rassemblaient avec l'alumine, et que les zones à très basse teneur en oxygène, c'est-à-dire essentiellement les tranches 4 à 7 du lingot, traité suivant l'inventIon, étaient pratiquement dépourvues d'inclusions de borure de titane. On voit donc la très grande efficacité du procédé appliqué à un alliage d'aluminium. Le procédé stappliquerait de même àtoutes sortes d'alliages d'aluminium et aussi à l'aluminium non allié. Il peut aussi s'appliquer à la séparation de quantités relativement importantes d'alumine dispersées dans un alliage d'aluminium ou dans de l'aluminium, par exemple le mélange obtenu par un traitement visant à refondre l'aluminium contenu dans des déchets d'aluminIum ou d'alliages d'aluminium, comme le montre l'exemple II ci-après. EXEMPLE II : Le rocédé selon l'invention peut être appliqué à la ré opération d'alliages d'aluminium à partir de crasses de ces mêmes alliages, ces "crasses" étant constituées de diverses particules d'oxydes, de sels, etc., mélangées à l'aluminium. Une simple fusion de ces crasses en creuset de graphite conduit à une décantation naturelle qui permet de récupérer 60 à 70 ,0 de l'aluminium, ce dernier contenant encore des inclusions d'oxydes et de sels. Si, suivant l'invention,on fond ces "crasses" dans un creuset de graphite, en les soumettant à un champ d'inductIon électromagnétique de moyenne fréquence (2000 Hz), on observe une séparation accélérée de l'aluminium, un rendement amélioré pouvant atteindre 80-85 ch, et surtout une élimination complète des inclusions, dans l'aluminium récupéré. L'opération a été réalisée dans une installation du type de celle représentée dans la figure 1, à partir de crasses d'aluminium contenant environ 90 % d'aluminium, mélangées à des oxydes, de sels, etc. Le creuset 2 en graphite avait un diamètre extérieur de 180 mm et un diamètre intérieur de l50 mm environ, et une hauteur de 220 mm. Le diamètre de l'espace intérieur de l'enroulement 6, constitué de cinq spires, était de l'ordre de 250 mm. 2200 g des susdites "crasses" ont été portées à 7000 C et soumises à un champ d'induction électromagnétique de moyenne fréquence (2000 Hz) pendant 30 min.On a obtenu une séparation accélérée de d'aluminium avec un rendement atteignant 80-85 eo, Au surplus, on a constaté une élimination complète des inclusions dans l'aluminium de récupération. Dans les dispositions relatives du creuset et de l'enroulement d'induction qui sont représentés dans la figure 1, on a constaté que les impuretés venaient former une coquille 10 recouvrant le fond et les parois internes du creuset 2, l'aluminium occupant la partie centrale 12, comme représenté dans le dessin. En utilisant le creuset légèrement évasé représenté dans le dessin, on obtenait une forme de séparation telle qu'elle a permis de récupérer l'aluminium par basculement du creuset. La masse des impuretés n'était pas entrainée dans cette opération. Le procédé suivant l'invention ne se limite nullement à l'élimination desinclusiônsde l'aluminium et ses alliages. Comme cela a déjà été dit plus haut, il est d'une application très générale et peut donc être utilisé pour le traitement de toutes sortes de métaux et alliages et aussi pour le traitement de#i#uidasautres que des métaux à condition que ces liquides présentent une cer- taine conductibilité électrique.# En particulier, le procédé selon l'invention est applicable-, dans des conditions sensiblement analogues, à la séparation de métaux à l'état de particules solides cu liquides, en suspension dans un laitier. REVENDICATIONS 1 - Procédé applicable à un matériau susceptible d'être amené à l'état liquide par élévation de la température, et qui contient au moins un constituant distinct, essentiellement non miscible, à l'état de particules liquides ou solides, ou d'inclusions, caractérisé en ce que, à une température sous laquelle le susdit matériau est à l'état liquide, on soumet la plus grande partie, sinon l'ensemble, de la masse des constituants susindiqués à l'action d'un champ électromagnétique ayant une fré- quence telle que des courants induits puissent se développer dans l'ensemble de la masse, pendant un temps suffisant pour permettre aux particules ou inclusions de se concentrer dans une région donnée de la masse. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdites particules ou inclusions sont formées d'une matière électriquement isolante. 3 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la fréquence du champ électromagnétique est comprise entre environ 50 et environ 20.000 KHz. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour créer le champ élèctromagnétiqua, on a recours à un enroulement d'induction entourant le creuset contenant le matériau à traiter, la majeure partie, sinon la to talité de ce matériau, se trouvant dans l'espace intérieur à l'enroulement d'induction. 5 - Procédé selon lune quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enroulement présente une légère dissymétrie 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que cet enroulement présente une forme légèrement tronconique dont l'angle au sommet est de préférence compris entre environ 5 et environ 300. 7 - Application du procédé selon l'une quelconque des revendications a à 5 à la séparation des impuretés particulaires, telles que particules d'alumine ou de borure de titane, à partir d'un alliage industriel à base d'aluminium. - - Application du procédé selon l'une crielccr & ue des revendications I à 6 à l'extraction de l'alumin um a partir-d'un mélange hétérogène fcrm d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium, d'une part, et d'alumine, d'autre part, dans lequel l'alumine se trouve à l'état particulare, en vue de réaliser la séparation de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium, d'une part, e de 'alunine, d'autre part. - Location du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à6 à la séparation de particules métalliques solides ou liquides, en suspension dans un laitier, ayant luimême des propriétés conductrices de l'électricité.