Brevet FR2525491A1 — publié le 19831028

L'invention se rapporte à un groupe de filtration pour liquides agressifs portés à haute température dans un bac, notamment bains de sels pour traitements métallurgiques. Les traitements métallurgiques en bain de sels, tels que des opérations de trempe, de revenu, de préchauffage, ou des traitements superficiels tels que cémentation, nitruration, oxydation, donnent pratiquement toujours naissance à des particules insolubles, oxydes, sulfures, carbone sous forme de suies ou de graphite. Ces particules proviennent, soit d'inclusions dans les pièces, dégagées par une attaque superficielle, soit de produits secondaires de réaction entre le bain et les pièces, soit d'entraînement de particules par les pièces, ces particules réagissant éventuellement avec le bain. Ces particules insolubles ont très fréquemment une action défavorable sur le traitement des pièces, et parfois peuvent induire des décompo- sitions accélérées des sels du bain. L'élimination des particules s'effectue classiquement, soit périodiquement généralement par décantation du contenu du bain, la sédimentation des boues formées par les particules pouvant être induite ou renforcée par une variation de température du bain, réchauffage ou refroidissement, soit en faisant circuler le contenu du bain à travers un corps filtrant, souvent une toile métallique, la circulation étant obtenue par une pompe mécanique. L'élimination périodique des insolubles entraîne des manipulations délicates, les sels devant être déplacés à l'état fondu, et des immobilisations longues de matériel et de tonnages importants de sels. La tendance est donc de ne pratiquer ces opérations que lorsqu'elles deviennent indispensables, c'est-à-dire bien souvent lorsque les déchets de traitement deviennent importants. Par ailleurs les pompes mécaniques que l'on utilise pour réaliser une filtration en continu sont évidemment soumises au contact des sels fondus à la température de travail. Il va sans dire que les pièces des pompes doivent supporter le contact des sels fondus ; pour éviter des ajustements frottants en dessous de la surface du bain de sel, on utilise parfois des pompes où les impulseurs tournants sont entraînés par l'intermédiaire d'arbres longs, tourillonnant dans des paliers pisces endehors du bain. Aux températures de travail, les arbres sont sujets à déformation, ce qui provoque des mises hors service fréquentes. Par ailleurs le réglage de débit de pompes centrifuges est incertain, et généralement trbs supérieur à ce qui est nécessaire pour la filtration.Un est conduit alors, soit à utiliser des surfaces filtrantes de très grande dimension, pour assurer une perte de charge réduite à travers ces surfaces filtrantes, soit à utiliser des corps filtrants de taille réduite qui sont alors soumis à des pertes de charge excessives. Or les surfaces ou corps filtrants susceptibles de supporter les agressions des bains de sels fondus sont soit des frittes #étalliques, soit des fibres réfractaires, et ne peuvent, ni être réalisés commodément en grandes surfaces, ni supporter des efforts correspondant à des pertes de charge élevées, tout au moins à des prix compatibles avec une exploitation industrielle. La demande de brevet d'Allemagne Fédérale P 29 23 028 dd- crit succinctement un groupe de filtrage destiné à éliminer périodiquement des particules dans des bains de sels de nitruration, et composé d'un pot filtrant de structure non précisée, et d'une pompe aspirante avec une canne d'aspiration terminée par un bec de déversement au-dessus du pot filtrant, et une canalisation d'azote qui descend dans le bain parallèlement à la canne pour se redresser à sa partie inférieure et s'engager coaxialement dans la partie inférieure de la canne. L'injection d'azote forme des bulles qui remontent dans la canne en entraînant les sels. Si cette disposition permet d'éviter l'utilisation de pompes mécaniques, elle n'autorise pas pour autant une filtration continue des bains de sels, notamment parce que la filtration cause un refroidissement du bain de sels fondus, qui doit être compensée par un surchauffage du bac, refroidissement et surchauffage provoquant des variations de température inacceptables pour un maintien en opération du bain. Pour pallier ces inconvénients, l'invention propose un groupe de filtration pour liquides agressifs portés à haute température dans un bac, notamment bains de sels pour traite ments métallurgiques, comportant un pot filtrant, une tubulure d'aspiration uniformément ascendante depuis une extrémité imper gée dans le bac en dessous du niveau du liquide jusqu'à un bec de déversement situé dans le four au-dessus du pot filtrant, une tubulure de retour descendant depuis le fond du pot filtrant jusqu'à un déversoir au-dessus du liquide dans le bac, et une canalisation reliée à une source de yaz sous pression et s'immergeant dans le bac jusqu'à une extrémité redressée vers le haut et engagée coaxialement dans ltextrérrité immergée de la tubulure d'aspiration, groupe caractérisé en ce qu'il comprend un four équipé de moyens de chauffage autonomes, le pot filtrant, garni d'une cartouche poreuse et le bec de déver- sement de la tubulure d'aspiration étant disposés dans le four. Le groupe ne comporte aucune pièce en mouvement, susceptible en se déformant de mettre hors service ce groupe. Dans la tubulure d'aspiration la colonne de liquide chaud est fractionnée en segments séparés par des bulles du gaz injecté sous pression à la base de cette tubulure. Il en résulte que la pression hydrostatique à la base de cette tubulure d'aspiration est déterminée essentiellement par la hauteur de colonne résultant de l'addition de la hauteur des segments, tandis que la pression hydrostatique dans le bac au niveau de la base de la tubulure correspond à la profondeur d'immersion de cette base. Aussi, la pression motrice, qui provoque l'ascension du liquide dans la tubulure d'aspiration, est-elle la différence entre les deux pressions hydrostatiques envisagées plus haut. Le réglage de débit de gaz permet d'ajuster le débit de liquide, tout particulièrement pour de très faibles débits. On a compris que le liquide filtre par gravité à travers la cartouche poreuse pour retourner également par gravité dans le bac, le chauffage du four évitant qu'un refroidissement du liquide, en augmentant la viscosité, ne compromette la filtration. Le débit de circulation peut être ajusté au minimum nécessaire, de sorte que la cartouche poreuse peut être de dimension réduite, tout en assurant un filtrage efficace, et est réalisable à un coût raisonnable. Enfin le fonctionnement du groupe ne modifie pas sensiblement la température du liquide dans le bac. De préférence la tubulure d'aspiration est verticale au moins dans sa partie immergée dans le bac, pour éviter des retours de liquide sur un c#té des bulle de gaz. De préférence le pot filtrant est équipé d'une canalisation de trop plein, pour évacuer le liquide qui déborderait de la cartouche poreuse si celle-ci s'engorgeait. Dans une première disposition la cartouche poreuse est en métal fritté. En variante la cartouche est réalisée en fibres agglomérées. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une coupe d'un groupe filtrant selon l'invention la figure 2 est un schéma de tubulure d'aspiration ; la figure 3 représente une disposition particulière pour l'injection de gaz. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, le groupe de filtrage est associé à un bain de sels 1, contenu dans un creuset, et monté en console sur la paroi 2 de ce creuset. Le groupe comporte un four 3 dans son ensemble, avec une paroi tubulaire 4 en réfractaire, et un couvercle supérieur 5. Il est équipé d'un élément chauffant 7 sensiblement tubulaire. Le four 3 repose sur un socle réfractaire 6, dans lequel est ménagé un canal 6a incliné depuis la base de l'intérieur du four 3 jusqu surplomber le creuset 2. Sur le socle du canal 6a est posé un élément chauffant plat 8. A l'intérieur du four 3, concentriquement à sa paroi 4, est disposé un pot filtrant 9 en métal chaudronné, avec un fond incliné d'où part une tubulure de retour 13, qui se termine par un bec 13a au-dessus du bain de sel, en suivant le canal 6a.A l'intérieur du pot filtrant 9 est disposée une cartouche poreuse 10, qui constitue l'élément filtrant proprement dit, et repose sur des pattes fixées au pot 9. La cartouche 10 est d'un diamètre extérieur sensiblement inférieur à celui du pot filtrant 9, afin que la paroi latérale de la cartouche 10 puisse participer à la filtration. En outre une canalisation de trop plein 12 est piquée à mi-hauteur du pot 9, de façon que si la cartouche 10 venait à s'engorger, les sels fondus débordent dans le pot 9 et puissent retourner au creuset par cette canalisation 12. Dans la représentation qui est donnée la canalisation 12 est masquée, dans le canal 6a par la tubulure de retour 13. Une tubulure d'aspiration 11 plonge verticalement dans le bain de sel 1 jusqu'à une extrémité lla. Au-dessus du bain de sel 1 la tubulure 11 passe à l'intérieur du canal 6a puis se redresse pour longer le pot filtrant 9 jusqu'à le surplomber par un bec llb, situé au-dessus de la cavité intérieure de la cartouche poreuse 10. Une canalisation 14, reliée à une source de pression, avec une vanne de réglage de débit, un détendeur et un manomètre, non représentés et de disposition classique, longe la base du socle 6 pour venir s'attacher à la partie verticale de la tubulure d'aspiration 11, et accompagner cette dernière dans le bain de sel. En extrémité la canalisation 14 forme une boucle 14a, pour pénétrer coaxialement vers le haut dans l'extrémité lla de la tubulure d'aspiration 11. On notera que la tubulure 11 présente un diamètre intérieur de 22 millimètres, tandis que la canalisation 14 est du tube de 6 x 8. De plus, le pot 9, les tubulures 11 et 13 et les canalisations 12 et 14 sont réalisées en acier à 16-18 0 de chrome, sans nickel. Le fonctionnement du groupe de filtration est le suivant les éléments chauffants 7 et 8 portent la température intérieure du four 3 et du canal 6a au voisinage de la température du bain de sels 1, et de préférence à une température un peu supérieure à celle du bain, pour diminuer la viscosité des sels fondus pour la filtration. On admet du gaz comprimé dans la canalisation 14 en augmentant progressivement le débit de façon que le gaz s'échappe de l'extrémité 14a par bulles séparées. Bien entendu la nature du gaz est compatible avec la nature des sels fondus, et la réaction désirée avec les pièces. Le gaz peut être un gaz rigoureusement neutre, comme l'argon, un gaz sensiblement neutre comme l'azote, ou un gaz oxydant, air enrichi ou non en oxygène, ou encore un gaz réducteur (azote hydrogéné, gaz de craquage d'ammoniac, hydrogène, oxyde de carbone). L'homme du métier saura choisir le gaz le mieux adapté au bain de sels. Le volume des bulles est ddterminé par l'égalité de la force ascensionnelle de la bulle dans le bain de sel, et la force de tension superficielle sur a périphérie de l'embouchure 14a. En fait ceci n'est exact que Si la bulle est au sein d'un liquide en équilibre hdrstatiqe ; mais le métal nisme de formation des bulles séparées est modifié dès que 1 bulle prend contact avec la paroi de la tubulure 11, la colonne de sels fondus s'élevant dans la tubulure 11 sans modifier pour autant la pression qu'elle exerce sur la bulle. A ce moment, une certaine quantité de sels fondus s'écoule vers le bas le long de la paroi de la tubulure 11, en compensation de la croissance de la bulle.Les bulles successives divisent la colonne de sels fondus en segments, comme on le voit mieux à la figure 2, avec les segments 21, 23, 25, 27... séparés par les bulles 20, 22, 24, 26, 28... On remarque que les bulles 20-28... sont de volume croissant vers le haut, la pression sur chaque bulle correspondant à la hauteur de colonne constituée par l'addition des segments 21 + 23 t 25. pour la bulle 20, 23 + 25 +... pour la bulle 22 et ainsi de suite. Lorsque la hauteur cumulée des segments entre l'extrémité lla et le bec llb est inférieure à la hauteur qui sépare l'extrémité lla de la surface du bain de sel 1, la différence de pression résultante sera la force motrice d'ascension des sels fondus. En revenant à la figure 1, les sels fondus se déversent dans la cavité intérieure de la cartouche poreuse 10, et la phase liquide traverse la paroi de cette cartouche 10 pour se rassembler au fond du pot 9 et retourner au bain de sel 1 par la tubulure de retour 13. Comme on l'a déjà vu, si la cartouche 10 se colmate et déborde, le retour des sels au bain 1 peut se faire par la canalisation de trop plein 12. La figure 3 représente une variante de disposition d'injection de gaz dans la partie inférieure lla de la tubulure d'aspiration 11, où l'extrémité 14a de la canalisation d'arrivée de gaz est tronconique, pour favoriser la formation de bulles distinctes. On a déjà évoqué la constitution de la cartouche poreuse 10, ou corps filtrant. Il est clair que le matériau filtrant doit être adapté à la température de fonctionnement, et à l'agressivité chimique du liquide à filtrer. Dans le domaine des bains de sels où la présente invention a pris naissance, on peut classer les bains de sels en deux catégories, selon l'alcalinité du bain, ou plus exactement selon le pH d'une solution decinormale de sels du bain dans de l'eau, appelé ciaprès pH de référence. Par solution decinormale on entend une solution où la somme des normalités de chaque constituant du bain est égale à 1/10. On a ainsi des bains hautement basiques, dont le pH de référence est égal ou supérieur à 12, et des bains dont le pH de référence est compris entre 3 et 12. Les bains de la première catégorie sont utilisés en général à des températures inférieures à 500du. Les corps filtrants sont alors métalliques, notamment en fer fritté, le fer résistant bien aux alcalis à ces températures ; on peut utiliser des toiles fines métalliques également. Les bains de la seconde catégorie peuvent travailler, soit dans la gamme 2500-350DC, soit dans la gamme 5000-9500C. Les corps filtrants seront alors constitués de fibres, notamment fibres céramiques, stables à températures élevées et résistant à la plupart des réactifs chimiques, à l'exception des alcalis concentrés (dont le pH de référence est situé au-dessus de 13). Exemple 1. Un bain de nitrosulfuration, à teneur pondérale 38 m d'ions cyanates, 17 Ó d'ions carbonates, les cations étant sodium, potassium et lithium, avec 5 p.p.m. d'ions sulfures, est utilisé pour traiter des pièces en fonte à 57O0C. On utilise une cartouche 10 en fibre de céramique de 20 me d'épaisseur. Le gaz insufflé par la canalisation 14 est de l'air, et le débit est réglé en sorte que la circulation du volume du bain s'exécute en moins de 4 heures. Alors que les pièces traitées dans le bain non filtré présentaient dans leur couche superficielle des inclusions de graphite nombreuses, la filtration a permis de supprimer ces inclusions. Exemple 2. Un bain oxydant ayant une composition pondérale hydroxyde de potassium 60 ~ nitrate de sodium 30 Ó et carbonate de sodium 10 Ó, auquel on a ajouté 5 5 d'un mélange en parties égales de permanganate et bichromate de potassium est utilisé à 4000C pour un traitement de complément à une nitruration en présence de sulfure, pour améliorer la résistance à la corrosion. Ce bain oxydant n'étant stable que Si les particules de sulfures, oxydes et oxysulfurs qui se forment au cours du traitement des pièces nitrurées sont éliminees rapidement, on le filtre, avec un débit correspondant au volume du bain en moins de 6 heures, sur une cartouche en fer fritté.Le gaz in soufflé est de l'air, la stabilité du bain imposant que le bain reste pratiquement saturé en oxygène dissous. Exemple 3. On filtre un bain de nitruration analogue à celui de l'exemple 1, et travaillant à 5700C. La densité du bain avoisine 1,7, et le p de référence compris entre 10,5 et 11,5. La pression d'air comprimé en tête de la canalisation 14 est de 2 bars. L'épaisseur de paroi de la cartouche filtrante en fibres de céramique est de 25 mm. On a relevé les débits de sels en fonction du débit en conditions normales d'air comprimé, le diamètre de la tubulure 11 étant de 22 mm, et celle de la tubulure 14 de 8 mm. Débit d'air (1/mon) 1,5 2 3 4 Débit de sel (1/mon) 1,05 3,18 4 8 Il est bien clair que le groupe de filtration décrit, bien qu'il ait été mis au point pour la filtration en continu de bains de sels fondus, est utilisable pour la filtration de toutes sortes de liquides agressifs à température élevée ; un homme du métier saura choisir-la nature des constituants du groupe, tubulures, canalisations et pot filtrant, de la cartouche filtrante et du gaz de propulsion. REVENDICATIONS 1. Groupe de filtration pour liquides agressifs (1) portés à haute température dans un bac (2), notamment bains de sels pour traitements métallurgiques, comportant un pot filtrant (9), une tubulure d'aspiration (11) uniformément ascendante depuis une extrémité (lla) immergée dans le bac en dessous du niveau du liquide jusqu'à un bec de déversement (llb) situé dans le four au-dessus du pot filtrant, une tubulure de retour (13) descendant depuis le fond du pot filtrant jusqu'à un déversoir (13a) au-dessus du liquide dans le bac, et une canalisation (14) reliée à une source de gaz sous pression et s'immergeant dans le bac jusqu'à une extrémité (14a) redressée vers le haut et engagée coaxialement dans l'extrémité immergée (lia) de la tubulure d'aspiration (11), groupe caractérisé en ce qu'il comprend un four (3) équipé de moyens de chauffage (7, 8) autonomes, le pot filtrant (9), garni d'une cartouche poreuse (10) et le bec de déversement (llb) de la tubulure d'aspiration (11) étant disposés dans le four (3). 2. Groupe de filtration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tubulure d'aspiration (11) est, au moins dans sa partie immergée dans le bac (2) sensiblement verticale. 3. Groupe de filtration selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le pot filtrant (9) est équipé d'une canalisation (12) de trop plein retournant vers le bac (2). 4. Groupe de filtration selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'extrémité (14a) de la canalisation (14) engagée dans l'extrémité (lla) immergée de la tubulure d'aspiration (11) est façonnée en ajutage convergent. 5. Groupe de filtration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cartouche poreuse (10) est en métal fritté. G. Groupe de filtration selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cartouche poreuse (10) est en fibres agglométrées.