Brevet FR2472433A1 — publié le 19810703

L'invention concerne un procédé pour la préparation, en particulier le refroidissement et le mélange de sable de moulage, dans lequel on refroidit le sable usagé provenant de la motte de sable, on l'épure éventuellement, on le mélange et on l'homogénéise avec d'autres corps en ajoutant de l'eau et en agitant énergiquement, la surface des grains de sable étant enrobée au moins partiellement par un liant. L'invention concerne aussi un appareil pour la mise en oeuvre du procédé. La préparation du sable-pour la confection de moules de fonderie a essentiellement pour but de réaliser le rapport correct de mélange des grosseurs de grains et les proportions correctes de sable quartzeux, de liant, de poussier de charbon, ainsi que de sable usagé et neuf, d'homogénéiser le mélange, d'enrober le grain de liant dans une large mesure, d'établir l'humidité correcte, d'éliminer les constituants inutilisables comme les grumeaux de sable, le fer, la poussière, d'établir la température correcte et d'acheminer le sable aux points d'utilisation. La fraction réutilisée du sable usagé provenant de la motte de sable peut aller jusqu'à 80 % et davantage. Etant donné que le sable tiré de la motte est obtenu à des tem- pératures élevées, par exemple de 100 à 140C, il est nécessaire de refroidir le sable usagé avant de l'introduire dans le mé- langeur. On se contente fréquemment de le refroidir à des tem- pératures d'environ 35 à 450C. On effectue le plus souvent le refroidissement du sable à l'aide d'humidité et de grandes quantités d'air injecté à travers le sable de manière à pouvoir tirer parti de la chaleur d'évaporation pour le refroidissement. Les quantités d'air nécessaires à cet effet sont extrêmement grandes. Dans une installation de préparation qui traite envi- ron 80 t de sable par heure, un refroidissement suffisant exige plusieurs centaines de milliers de mètres cubes d'air par heure et une dépense d'énergie atteignant 160 kWh et davantage. Les installations de refroidissement du sable ont un encombrement d'autant plus grand. On introduit dans un mélangeur le sable refroidi ainsi que d'autres corps, en particulier du sable neuf et du liant. Il s'agit en général d'un mélangeur discontinu. On peut effec- tuer le mélange et l'homogénéisation à l'aide de mélangeurs à meules tournantes qui exercent sur le sable non seulement une 2 2472433 action de mélange, mais encore une action de malaxage. Toute- fois, on utilise plus fréquemment des mélangeurs comportant une cuve qui présente, en son fond, une pale agitatrice tour- nante transportant continuellement la matière en direction ra- diale vers l'extérieur et obliquement vers le haut, ainsi que deux ou plusieurs groupes à tourbillon tournants qui arrivent par le haut juste au-dessus du bord supérieur des pales agi- tatrices, saisissent le sable et les constituants et les font tourbillonner fortement. Le rôle de ce tourbillon est d'homo- généiser la charge en un temps très court, par exemple 90 secondes, et d'enrober superficiellement d'un liant chacun des grains de sable. Des recherches plus précises ont montré qu'on n'obtient pas un enrobage complet. Le liant, le plus souvent argileux, prend sous l'effet de l'agitation la forme de.petites languet- tes pâteuses qui ne s'appliquent que partiellement contre la surface des grains de sable et ne les enrobent également que partiellement. Pour faire tourbillonner la charge, on utilise le plus souvent des étoiles agitatrices qui arrivent à proximité immé- diate des pales agitatrices tournant sur le fondjet sont en- trainées à des vitesses de rotation de 1500 tours/mn et davanta- ge. L'invention a pour but de fournir un procédé qui permet- te non seulement d'améliorer le processus de mélange, mais, en outre, d'assurer le refroidissement et le mélange avec une dépense d'énergie et un encombrement notablement inférieurs dans l'ensemble. Selon l'invention, ce problème est résolu grâce au fait que l'on mélange le sable et le liant sous vide, c'est-à-dire dans une zone de mélange o la pression est notablement abaissée relativement à l'atmosphère ambiante. Avantageusement, on introduit du sable et de l'eau dans une zone de mélange étanche vis-à-vis de l'atmosphère extérieure, on les fait tourbillonner, on engendre un vide dans la zone de mélange et on évacue des gaz et des vapeurs de la zone de mélan- ge. Ce procédé offre des avantages notables. Tout d'abord, il est apparu que le sable de moulage ainsi traité, subissant 3 2472433 par ailleurs le même traitement et ayant la même composition, présente lors du moulage une élasticité notablement moindre, donc une plus grande précision de moulage et un démoulage plus facile. L'explication pourrait être que dans les procédés de mélange connus, on mélange et on homogénéise ensemble dans la zone de mélange non seulement du sable, du liant et d'autres additifs correspondants, mais que l'air forme aussi dans ces procédés un constituant du mélange. En particulier en cas de forte turbulence, l'air atteint de grandes vitesses dans la zone de mélange et peut ainsi nuire davantage à l'application directe des languettes de liant contre la surface de grains de sable. En particulier, on risque que de petites quantités d'air ne soient chaque fois emprisonnées hermétiquement entre la surface des grains de sable et les languettes de liant et ne puissent pas être expulsées lors du moulage, même sous les pressions élevées. Par suite, l'adhérence de la couche de liant à la surface des grains de sable est moins bonne, ainsi que l'adhérence des grains de sable entre eux. En outre, les petites quantités d'air emprisonnées augmentent l'élasticité des moules de sable confectionnés. Un autre avantage notable du nouveau procédé réside dans le fait qu'une part notable du processus de refroidisse- ment peut s'effectuer pendant le processus de mélange propre- ment dit. Cela est dû au fait que par suite de l'application du vide à la zone de mélange, l'humidité contenue ou introduite dans la quantité de sable ne se vaporise pas seulement, mais s'évapore par ébullition, de sorte qu'elle est en mesure d'em- prunter notablement plus de chaleur à la quantité de sable utilisée et de la dissiper. Grâce au refroidissement du sable usagé au sein de la zone de mélange, il devient possible de se passer complètement des dispositifs usuels de refroidissement du sable ou de leur donner une dimension notablement plus petite, par exemple simplement sous la forme d'un dispositif de prérefroidissement. Etant donné qu'en outre dans le nouveau procédé, la dissipation de la chaleur s'effectue à l'aide de la vapeur au sein d'un système fermé, c'est-à-dire du système sous vide, il est possible, de façon simple, de récupérer utilement la chaleur ainsi retirée de la quantité de sable. A cet effet, il est avantageux de refroidir et de condenser 4 2472433 sur des surfaces de condensation les vapeurs retirées de la zone de mélange, de préférence en maintenant le vide. Il est important de porter le vide dans la zone de mélange à un niveau qui assure qu'à la pression résiduelle et à la température du sable l'humidité introduite ne se vaporise pas simplement, mais s'évapore par ébullition. Il est apparu qu'une pression inférieure à 17 torrs, de préférence d'environ torrs, était avantageuse. Le refroidissement et la condensation de l'atmosphère de vapeur à peu près exempte de gaz s'effectuent avantageuse- ment à l'aide de la partie d'absorption de chaleur d'une pompe de chaleur, qui transmet la chaleur ainsi récupérée à un circuit de consommation de chaleur. Dans un exemple d'exécution pratique, il est apparu avantageux que le sable usagé soit introduit dans la zone de mélange à une température de 50 à 90C, de préférence de 55 à WC. Dans le cas d'une charge de 2 t, par exemple, en un temps de mélange de 60 à 180 secondes, on peut abaisser la température du sable à un niveau de 30 à 40C. Dans certains cas, il est apparu avantageux, après avoir rempli la cuve, de commencer par faire tourbillonner le mélange et de faire ensuite le vide dans la cuve, après quoi, au bout d'un temps de mélange prédéterminé, par exemple de 30 secondes, on introduit de l'eau, de préférence par injection -25 ou pulvérisation, dans le mélange tourbillonnant. Dans d'autres cas, il peut aussi être avantageux de commencer par faire tourbillonner le sable usagé avec de l'eau et faire le vide dans la zone de mélange et d'ajouter seulement le liant au bout d'un temps de mélange prédéterminé. Pour augmenter la puissance de refroidissement en écono- misant davantage d'énergie et d'espace, il est avantageux de prévoir avant la zone de mélange une ou plusieurs zones de prérefroidissement. Chaque zone de prérefroidissement peut également être alimentée de façon discontinue. Il est avantageux de donner également à chacune des zones de prérefroidissement la forme d'une zone isolée de l'atmosphère extérieure, afin de récupérer la quantité de chaleur qu'il s'agit d'évacuer ici par l'humidité amenée, grâce à une condensation de l'humidité sur des surfaces de refroidissement, d'une pompe de chaleur 2472433 par exemple. Le refroidissement peut s'effectuer par vaporisa- tion. Toutefois, avantageusement, le refroidissement résulte ici encore d'une évaporation de l'humidité par ébullition, un vide étant appliqué aussi à la zone de prérefroidissement avec tourbillonnement de sable et d'eau, les vapeurs formées étant évacuées par l'application du vide et se condensant sur des surfaces de condenseur. Dans un exemple d'exécution pratique, il est apparu avantageux de prévoir deux zones de prérefroidissement, en refroidissant le sable dans la première zone de prérefroidisse- ment d'une température de 120WC à environ 80'C et dans une deuxième zone de prérefroidissement, d'environ 80WC à environ 550C. De préférence, on enferme complètement la cuve de mé- lange ou la cuve de prérefroidissement, avec les agencements adjoints, dans une enveloppe formant une chambre à vide, à l'exception des entrées et sorties servant à l'alimentation et à l'évacuation et isolées hermétiquement de l'extérieur. Avan- tageusement, la cuve présente plusieurs ouvertures à grande surface distribuées en direction circonférentielle, menant à la chambre annulaire à vide et qui, commandées par l'intermé- diaire de dispositifs de valve, peuvent être dégagées et fer- mées. Chaque cuve présente, en outre, intérieurement au moins une tête d'injection ou de pulvérisation pour l'amenée d'eau. Les dispositifs de valve correspondants, les dispositifs et entraînements servant à l'agitation, peuvent être tous placés à l'intérieur de l'enveloppe extérieure, donc dans le vide. L'enveloppe extérieure a un volume suffisamment grand pour engendrer à l'intérieur de la cuve, dans le délai désiré, lorsque les ouvertures de liaison sont dégagées de façon com- mandées, le vide désiré, suffisant pour évaporer le liquide. Avantageusement, les surfaces de condensation refroidies ser- vant au dépôt de l'humidité sont aussi disposées à l'intérieur de l'enveloppe. Le dispositif de refroidissement adjoint, en particulier la pompe de chaleur, peut être disposé hors de l'enveloppe. L'établissement du vide nécessaire à l'intérieur de la chambre à vide peut s'effectuer par un appareil à vide raccordé, pendant les temps d'évacuation et d'alimentation de la cuve. En pareil cas, il est sans importance que lorsqu'on 6 2472433 dégage les ouvertures de liaison entre chambre à vide et zone de mélange, des particules de sable soient entraînées par le courant qui en résulte. Les particules de sable entraînées dans la chambre à vide, se déposent sur le fond-de celle-ci et peuvent être facilement évacuées par un sas. Il est possi- ble aussi d'empêcher, au moyen de filtres ou de chicanes, l'entraînement de sable de la zone de mélange à la chambre à vide. Par la pulvérisation ou l'injection de l'eau dans la couche de sable tourbillonnante, dans la zone de mélange ou la zone de prérefroidissement, on peut commander l'amenée d'humi- dité avec une précision notablement plus grande qu'antérieure- ment. Il faut ajouter que par pulvérisation directe dans la couche de sable tourbillonnante, l'humidité entre en contact beaucoup plus rapidement avec la grande surface totale des grains de sable, peut absorber de la chaleur et immédiatement s'évaporer à nouveau. Il importe seulement de veiller à ce que l'eau soit introduite sous forme de gouttelettes pour empêcher le plus possible une évaporation de l'eau avant le contact avec la surface du sable. Si le prérefroidissement du sable usagé ne se fait pas sous vide, on maintient en circulation en circuit fermé l'air qui absorbe l'humidité, le circuit d'air recyclé comportant les surfaces de refroidissement et de condensation d'un appareil de refroidissement, en particulier d'une pompe de chaleur. De cette façon, non seulement l'enrobage des grains de sable par le liant est notablement favorisé et amélioré, mais avec une construction très peu encombrante, on économise une grande quantité d'énergie. On peut aussi prévoir la zone de prérefroidissement et la zone de mélange dans la même enveloppe à vide, de sorte que les surfaces de refroidissement et de condensation qui y sont prévues servent dans la même mesure à condenser l'humidité provenant des deux zones. Il est possible également d'adjoindre des sas aux ou- vertures de remplissage et d'évacuation de la cuve de prére- froidissement et de la cuve de mélange, de sorte que l'intérieur du récipient peut rester constamment sous vide. En pareil cas, la chambre à vide peut communiquer librement en permanence avec 7 2472433 l'intérieur des cuves. On entend ici par "vide" une pression d'air nettement abaissée relativement à l'environnement, et non pas une atmos- phère exempte également de vapeurs. On explique plus précisément l'invention ci-après à propos d'un exemple d'exécution simple. La figure unique montre en coupe verticale un appareil selon l'invention. Le nouvel appareil 1 comprend une chambre de mélange 2 présentant en sa région supérieure une ouverture de remplissage 3, plus précisément située à l'extrémité inférieure d'uo gou- lotte de remplissage 4 à laquelle est adjoint un tiroir 5 muni d'une ouverture de passage 5a et pouvant être actionné par un vérin 6. Sur la figure, le tiroir est représenté en position fermée. Au-dessus du tiroir, le conduit de remplissage-s'élargit en forme de trémie 7. La chambre de mélange 2 est fermée au fond, mais présente une ouverture de fond par laquelle on peut vider le contenu. A l'ouverture de fond est adjoint un obturateur 8 qui est monté de façon pivotante en 9 et peut être amené à la position fermée ou à la position ouverte par le dispositif d'actionnement 10. Au milieu de la chambre de mélange 2 est monté un arbre mélangeur 15 présentant un tourillon 11 dépassant à l'extérieur à travers un moyeu de fond et qui porte une poulie 12 avec courroie 13. L'arbre mélangeur est équipé d'outils mélangeurs. Ceux-ci ont surtout pour rôle de maintenir la matière contenue dans la chambre 2 en mouvement turbulent continuel, afin de dégager continuellement une surface de particules aussi grande que possible et en même temps, d'agir énergiquement sur la matière. Dans l'exemple représenté, sur l'arbre 15 sont dispo- sées à cet effet des pales 16a, 16b subdivisées en deux groupes dans lesquels l'oblicité des pales est opposée. La disposition est telle que le jeu inférieur de pales 16a ramasse la matière dans la région du fond et la projette vers le haut, tandis que le jeu supérieur de pales 16b intercepte la matière projetée et l'accélère, à la fois en direction circonférentielle et en sens opposé vers le bas. Il en résulte un tourbillonnement in- tense de la matière à l'intérieur de la chambre de mélange 2. Au-dessus de l'arbre mélangeur 15 est prévu un dispositif 8 2472433 entourant concentriquement l'ouverture de remplissage 3 et servant à amener de l'humidité sous forme de vapeur ou d'eau ou à amener d'autres additifs liquides. A cet effet est prévu un tube annulaire 20 muni de multiples orifices de sortie fins et pouvant être raccordé par des tuyauteries 21 à une source d'humidité correspondante, éventuellement par l'intermé- diaire de valves commandées. La chambre de mélange proprement dite 2 est fermée vers le haut par une plaque filtrante, par exemple une plaque de métal fritté 22 qui retient les particules solides dans la chambre 2, mais laisse passer pratiquement sans entrave les vapeurs et l'air. A la plaque frittée peut être adjoint au besoin un dispositif de nettoyage pneumatique ou mécanique. Le nettoyage de la plaque frittée peut s'effectuer par intermitten- ce, par exemple au moyen d'une impulsion d'air comprimé dirigée vers la chambre 2. La chambre de mélange 2 est entourée d'une chambre annu- laire concentriquement 24 fermée extérieurement par une envelop- pe 23. La chambre annulaire 24 communique avec la chambre de mélange 2 par des ouvertures 26 et avec la cavité située au- dessus de la plaque frittée 22. En 25 est indiquée une tubulure de raccordement permettant de raccorder la chambre annulaire 24 à une source de dépression ou de vide. A l'intérieur de la chambre annulaire 24 sont disposés des serpentins refroidisseurs 27 constituant, par exemple, le côté d'absorption de chaleur d'une pompe de chaleur. Les serpen- tins sont raccordés, par des tubulures 28, 29 dépassant à l'ex- térieur, au circuit de frigorigène d'un appareil de refroidisse- ment, en particulier de la pompe de chaleur. Un dispositif d'évacuation non représenté, situé au fond de la chambre annu- laire 24, permet d'évacuer le liquide qui se rassemble dans la chambre annulaire 24. Lors de la mise en service, on remplit la chambre de mélange 2 du mélange chaud, par la trémie 7, le tiroir 5 étant ouvert. Ensuite, on ferme le tiroir 5 de façon largement hermé- tique. On peut alors mélanger entre eux les constituants intro- duits, tout d'abord à l'état pratiquement sec.- De préférence, après avoir fermé hermétiquement la chambre de mélange 2, on lui applique un vide par l'intermédiaire de la chambre annu- 9 2472433 laire 24, de sorte que l'air est évacué plus ou moins brusque- ment, dans une large mesure, de la chambre de mélange 2 et de la quantité de matière introduite. Le mélange à sec s'effec- tue sous vide de sorte que les liants éventuels peuvent s'appli- quer uniformément en couche ou en pellicule, sans perturbation, à la surface dégagée des grains de sable. Lorsque l'état de mélange désiré est atteint, ou dès le début du mélange, on amène à la quantité de sable l'humidité désirée, par le distributeur annulaire 20. L'humidification s'effectue extrêmement vite et uniformément, car l'humidité est injectée dans la masse de sable tourbillonnante. Les vapeurs formées, lorsqu'elle atteint les grains de sable sont évacuées continuellement et rapidement de la chambre de mélange 2 et balaient les serpentins 27. A l'intérieur du vide qui règne aussi dans la chambre annulaire 24, le liquide se condense et se rassemble au fond de la chambre annulaire 24. De cette façon, la quantité de matière introduite est refroidie rapide- ment et sûrement à la température désirée. 2472433 -R E V E N D I C A T I 0 N S- 1. Procédé pour la préparation, en particulier le refroidissement et le mélange de sable de moulage, dans lequel on refroidit le sable usagé provenant de la motte de sable, on l'épure éventuellement, on le mélange et on l'homogénéise avec d'autres corps en ajoutant de l'eau et en agitant éner- giquement, la surface des grains de sable étant enrobée au moins partiellement par un liant, procédé caractérisé en ce que l'enrobage de la surface des grains de sable par le liant s'effectue sous vide. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit le sable et les autres ingrédients dans une zone mélange isolée de l'atmosphère extérieure, en ce qu'on les fait tourbillonner, en ce que l'on engendre un vide dans la zone de mélange, et en ce que l'on évacue de celle-ci des gaz et des vapeurs. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on introduit dans la zone de mélange le sable usagé à une température élevée due à la coulée précédente, en ce que l'on abaisse la pression dans la zone de mélange au moins jusqui'à une pression d'évaporation qui dépend de la température du sable, et en ce qu'ensuite, on introduit dans la zone de mélange de l'eau en quantité telle qu'une quantité de chaleur prédéterminée est soustraite au sable avec la vapeur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on mélange tout d'abord sous vide le sable usagé et le liant, et que seulement au bout d'un temps de mélange prédéterminé, on introduit de l'eau, en parti- culier par pulvérisation, dans le mélange maintenu à l'état tourbillonnant. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on refroidit la vapeur évacuée de la zone de mélange à la température de condensation ou en dessous. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la condensation de la vapeur s'effectue sous vide. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications et 6, caractérisé en ce que l'on amène les vapeurs retirées il 2472433 de la zone de mélange contre des surfaces de condenseur du côté d'absorption de chaleur d'une pompe de chaleur. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce-que l'on fait tourbillonner avec de l'eau dans une zone de prérefroidissement le sable usagé ayant une teneur en chaleur qui résulte de la coulée, en ce qu'en aspirant les gaz et les vapeurs, on refroidit le sable entre 50 et 900C, et ensuite, dans la zone de mélange, on le refroidit encore à une température d'environ 20 à 40 C. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on isole la zone de prérefroidissement de l'atmosphère ambiante, et que l'on fait arriver en un courant fermé à une zone de froid et de condensation l'atmosphère de gaz et/ou de vapeur venant de la zone de prérefroidissement. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'on applique un vide à la zone de prérefroidissement et à la zone de condensation pendant que l'on fait tourbillonner le sable et l'eau. 11. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant au moins un poste de refroidissement et au moins un poste de mélange, la zone de mélange étant équipée d'une cuve destinée à contenir les ingrédients à mélanger, de dispositifs d'amenée de ceux-ci, d'un dispositif d'agitation, d'un dispositif d'amenée d'eau et d'un dispositif de retrait du mélange fini, appareil caractérisé en ce que la cuve peut être rendue hermétique ou est disposée dans une enveloppe pouvant être rendue hermétique, et en ce que l'appareil comporte une chambre à vide munie d'un disposi- tif servant à engendrer un vide et au moins une liaison d'écou- lement entre la cuve et la chambre à vide, pouvant être fermée par un dispositif de soupape, qui peut être commandé. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que le récipient et les dispositifs adjoints, à l'exception d'ouvertures de remplissage et d'évacuation pouvant être fermées hermétiquement, sont pratiquement disposés complètement à l'intérieur de la chambre à vide. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que dans la chambre à vide est prévu un dispositif de condensation, en particulier un conden- 12 2472433 seur adjoint au côté de refroidissement d'une pompe de chaleur. 14. Appareil selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée d'eau comporte au moins une tête de pulvérisation disposée dans la cuve. , Appareil selon l'une quelconque des revendications -11 à 14, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée de sable usagé peut être alimenté par du sable chaud résultant de la dernière coulée. 16. Appareil selon la revendication.15, caractérisé en ce que le dispositif d'amenée de sable usagé peut être alimenté par un dispositif de prérefroidissement. 17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif de prérefroidissement comporte un récipient de prérefroidissement pouvant être isolé de l'atmosphère exté- rieure, destiné au sable usagé chaud résultant de la coulée, un dispositif d'agitation, un dispositif d'amenée d'eau, en particulier par pulvérisation et un dispositif fermé pour l'as- piration des gaz et vapeurs chauds et humides. 18. Appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif d'aspiration comporte un ventilateur aspi- rant raccordé au récipient de prérefroidissement dans un circuit fermé de gaz comportant un dispositif de refroidissement et de condensation. 19. Appareil selon la revendication 17, caractérisé en ce que le dispositif d'aspiration comporte une chambre vide -munie d'un dispositif à vide et comportant un dispositif de refroidissement et de condensation ainsi qu'un orifice d'aspira- tion menant au récipient de prérefroidissement et pouvant être fermé par des valves ou organes similaires.