Brevet FR2588571A1 — publié le 19870417

2588.571 DISPOSITIF ET PROCEDE D'INJECTION CONTINUE SOUS FAIBLE PRESSION D'UN ADDITIF PULVERULENT DANS UN COURANT DE METAL FONDU DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne un dispositif et un procédé d'injection continue, sous faible pression et à l'abri de l'air d'un additif pulvéru- lent dans un courant de métal fondu. Cet additif pulvérulent est dirigé par gaz porteur dans le jet de métal fondu, ce gaz créant éventuellement une atmosphère protectrice. La présente invention s'applique particulià- rement au cas o l'additif doit être ajouté au métal liquide en faible proportion, de façon très homogène et, par exemple, immédiatement avant coulée. ETAT DE LA TECHNIQUE Il est connu d'injecter dans un métal en fusion des additifs pulvérulents soit dans un but de traitement du métal, tel que désoxydation ou désulfu- ration, ou modification de structure, soit pour introduire un élément d'alliage. Ces injections sont généralement effectuées au moyen d'une lance immergée dans une poche contenant le métal en fusion, l'additif pulvérulent étant entraîné par un courant de gaz inerte sous une pression suffisante pour contrebalancer la pression hydrostatique du métal liquide. Mais ce mode d'injection est discontinu. Lorsqu'on veut procéder au traitement continu d'un courant de métal liqui- de, on s'efforce de déverser sur le jet de coulée du métal un jet contr8ôlé d'additif pulvérulent. Cette opération est délicate de mise en oeuvre et peu précise car, en pratique, le jet de métal liquide et le jet d'additif en poudre tendent à se déplacer l'un par rapport à l'autre. En outre, une proportion souvent importante de l'additif ne pénètre pas dans le jet de métal, surtout si l'additif est en poudre très fine. Si, au contraire, l'additif est en gros grains, il ne se dissout pas assez vite. Par exemple dans le cas de l'injection d'inoculant dans le jet de métal liquide à l'entrée du moule pour réaliser l'inoculation des fontes à graphite lamel- laire ou sphéroîdal, les particules-les plus fines- diffusent entraînant une pollution éventuelle du sable de moulage et une flottation sur le go- * det du moule. Les grains d'inoculant trop gros ne sont pas dissous assez rapidement et peuvent entraîner des inclusions dans les pièces. Pour résoudre ce problème, on a imaginé la technique dite du "fil fourré" que l'on déroule progressivement dans le jet de coulée. Mais cette techni- que n'est pas adaptable à tous-les cas, elle est plus onéreuse que l'in- jection directe d'additif en poudre et d'une utilisation moins souple pour l'emploi de nombreux additifs de types différents. OBJET DE L'INVENTION L'objet de la présente invention est un dispositif d'introduction continue et contr8lée, dans un courant de métaI liquide, d'une proportion prédé- terminée d'additif pulvérulent, sous pression, hors du contact direct avec l'atmosphère et, si nécessaire, sous atmosphère protectrice, avec un ren- dement proche de 100 % et, dans tous les cas supérieur à 85 %. Un autre objet de la même invention est un procédé d'introduction d'additif dans un courant de métal liquide mettant en oeuvre le dispositif ci-dessus. Le dispositif se caractérise en ce qu'il comporte successivement, du haut vers le bas: - un compartiment supérieur, pour l'entrée du métal fondu, - une chambre de traitement, reliée au compartiment supérieur par un ori- fice d'entrée calibré et dans laquelle débouche, d'une part un tube re- lié à un dispositif d'injection d'additif pulvérulent sous faible pres- sion de gaz, et, d'autre part, au moins un conduit d'évacuation des gaz, fumées et crasses éventuelles, - au moins un compartiment-tampon, associé, dans sa partie inférieure, à un orifice de sortie calibré, éventuellement séparé dudit compartiment tampon, - un moyen collecteur du métal traité. Le procédé, qui met en oeuvre le dispositif selon l'invention, comporte les étapes successives suivantes. - on introduit le métal fondu dans le compartiment supérieur en maintenant le niveau entre un niveau optimal et un niveau maximal, 2588.571 - on injecte dans la chambre de mélange, l'additif pulvérulent dans un courant de gaz porteur sous faible pression et on règle la vitesse d'in- jection de façon à introduire un poids d'additif prédéterminé par kg de métal à traiter, - on maintient le niveau de métal fondu dans- le compartiment inférieur en- tre le niveau optimal et le niveau maximal eh agissant sur le débit d'in- troduction et sur le niveau du métal fondu dans le compartiment supé- rieur, 0 - on récupère le métal fondu à traiter à la sortie de l'orifice inférieur. DESCRIPTIONDES FIGURES Les figures I à 5 illustrent l'invention. La figure 1 représente, en coupe verticale, le dispositif proprement dit dans lequel s'effectue l'injection de l'additif sans le métal liquide. La figure 2 représente en coupe l'ensemble d'un appareillage industriel comportant, en plus, un distributeur-doseur d'additif pulvérulent qui ne fait pas partie lui-même de l'invention; mais qui est donné à titre d'exemple de mise en oeuvre. La figure 3 représente, en couDe verticale, une variante du dispositif proprement dit dans lequel le dispositif est placé directement sur un moule de coulée. La figure 4 représente, en coupe verticale, une variante du dispositif proprement dit dans lequel 2 injections successives dans le métal liqui- de d'additifs pulvérulents différents peuvent être réalisées grace à la présence de deux compartiments-tampons. La figure 5 représente, en coupe verticale, une variante du dispositif de la figure I (applicable également aux figures 3 et 4) dans lequel un compartiment siphon a été prévu pour retenir totalement les crasses rési- duelles non évacuées par l'orifice prévu à cet effet. Le dispositif qui présente la forme générale d'un sablier comporte une en- veloppe métallique extérieure (1) et un garnissage intérieur (2) calori- fuge et réfractaire dont la nature est adaptée au métal (ou alliage) à traiter. Dans tout ce qui suit, nous désignerons par "métal" tout produit métallique fondu, non allié ou allié, soumis à l'injection d'additif, et par "additif" tout produit pulvérulent (quels que soient sa nature et ses effets sur le métal) injecté dans le métal. Le terme de "produit pulvéru- lent" est pris ici dans le sens de produit en poudre plus ou moins fine et/ou en petits grains dont la grosseur peut atteindre plusieurs milli- mètres, la limite étant fixée par les possibilités d'entraînement du pro- duit dans un courant de gaz à faible pression. Le dispositif est muni, à sa partie supérieure, d'une entrée (3) pour le métal à traiter, et, à sa partie inférieure, dans le cas figure 1, d'un orifice calibré (4) de sortie de métal traité. Il comporte trois compar- timents distincts, mais communiquant entre eux:un compartiment supérieur (5) dans lequel arrive le métal à traiter provenant soit directement d'un four d'élaboration ou d'un four de maintien, soit d'une poche de stocka- ge intermédiaire, un compartiment-tampon (6) qui débouche par l'orifice calibré (4) sur un récipient de stockage intermédiaire ou sur une poche de coulée et, enfin, une chambre de traitement (7), située dans la partie supérieure du compartiment-tampon (6). La chambre de traitement (7) communique avec le compartiment d'entrée (5) qui la surmonte par un orifice calibré d'entrée (8) dont le rôle sera pré- cisé plus loin. L'additif pulvérulent est injecté dans le métal par le tube (9), dans un courant de gaz sous pression, qui vient se briser sur la nappe de métal liquide s'écoulant dans la zone centrale (10) de la chambre de traitement. Un conduit latéral (11) permet l'évacuation vers l'atmosphère du gaz protecteur et d'éventuels gaz de réaction, de fumées ou crasses, de façon telle que la chambre de réaction reste à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique. On peut aussi prévoir (fig. 3) deux conduits (11), un conduit supérieur (11A) pour l'évacuation des gaz, vapeurs et fumées, et un conduit inférieur (1]B) pour l'évacuation des crasses. Le courant de métal mélangé à l'additif pulvérulent s'écoule ensuite dans le compartiment tampon (6) o s'achèvent éventuellement la dissolution de l'additif et les réactions entre le métal et l'additif. Pour laisser à cette dissolution et à-ces réactions le temps de s'achever et pour permettre la séparation des crasses qui peuvent se former, on dé- - 5 - termine la section de passage de l'orifice de sortie (4), c'est-àdire en fait, la vitesse de sortie du métal du compartiment-tampon (6) de façon telle que ce compartiment (6) reste constamment rempli de métal liquide jusqu'à un niveau au moins égal à la mi-hauteur environ et, de préférence, au moins égal aux deux-tiers environ de la hauteur (niveau Nl) , sans toutefois dépasser un niveau maximal (N2) situé plus bas que l'orifice inférieur (11B) d'évacuation des crasses éventuelles. C'est là un point clé de l'invention. En effet, en maintenant un volant Ge métal dans le compartiment tampon (6), on assure à la fois de façon complète le mélange et la réaction entre l'additif et le métal (donc un rendement d'utilisation de l'additif proche de 100 %) et oi. laisse aux crasses (12) qui peuvent se former, le temps de se rassembler à la surface du métal, pour être éventuellement dégagées par l'orifice (llB). Pour que ces conditions soient remplies, il faut: a) alimenter le compartiment supérieur (5) en métal à traiter à une vitesse telle qu'il se maintienne à un niveau proche du niveau optimal N3, et relativement constant. b) qu'il y ait, entre la section de passage de l'orifice calibré d'en- trée (8) et celle de l'orifice calibré (4) une relation telle que, compte tenu de la viscosité du métal fondu et de la pression métalloplastique, le niveau du métal dans le compartiment-tampon (6) se maintienne entre les limites fixées. Dans le cas de la figure 1, lorsque la coulée est achevée, le compartiment (6) se vide en totalité, de telle sorte que les crasses se retrouvent en surface de la poche réceptrice (non représentée). L'alimentation contr8ôlée en additif pulvérulent peut s'effectuer par tout moyen connu de l'homme de l'art. La figure 2 schématise un dispo- sitif particulièrement bien adapté qui comporte essentiellement un réservoir d'additif pulvérulent (20), une vis d'alimentation (21) traversant la partie inférieure (22) du réservoir (20), un moteur (23) à vitesse régulée et variable assurant par l'intermédiaire d'un réducteur (24) l'entraînement de la vis (21) dont le débit en additif pulvérulent est proportionnel à la vitesse de rotation, et une alimentation (25) en 6 - air comprimé séchée et déshuilée, ou en gaz neutre (par exemple azote ou argon) qui assure l'entraînement de l'additif vers l'injecteur (26) qui agit également comme dispositif anti-retour, puis vers la canalisa- tion d'introduction (9), alimentée en gaz sous pression par la tubulure (27). Le réservoir (20) comporte deux sondes de mesure du niveau de l'ad- ditif pulvérulent (28). La figure 3 représente, en coupe verticale, une première variante de l'invention, selon laquelle le dispositif est placé directement sur un moule de coulée (30) dont seule l'entrée est représentée. L'orifice calibré de sortie n'est plus disposé à la base du compartiment inférieur: il est inclus dans le moule et il est constitué par la plus petite section transversale du système d'attaque (ensemble des conduits amenant le métal de l'entrée du moule jusqu'aux canaux d'alimentation des em- preintes du moule) et, par exemple, dans le cas figuré, par la descente de charge (31) ou par les attaques (32) des pièces à mouler. Dans ce cas, lorsque la coulée est achevée, le compartiment (6) se vide en totalité, de telle sorte que les crasses éventuelles se retrouvent en surface du godet du moule sans risque pour la santé interne des pièces. La figure 4 représente, en coupe verticale, une seconde variante selon laquelle deux injections successives d'additifs pulvérulents dans le métal liquide peuvent être réalisées grace à la mise en série de deux compartiments tampons, un intermédiaire (6A), un inférieur (6B), chacun possédant sa propre arrivée (9) (9') d'additifs pulvérulents, ses orifices (11A) et (11B) d'évacuation des gaz et des crasses et sa chambre de traitement (7) (7'), et ses orifices calibrés d'entrée (8) et (8'). La figure 5 représente une troisième variante de l'invention, consistant en l'adjonction à la partie inférieure du compartiment-tampon (6) d'un siphon (35) permettant de retenir totalement les crasses non évacuées par l'orifice (11B). Le siphon peut s'adapter aussi bien au cas de la figure 1 et, dans ce cas, c'est l'orifice calibré (4), disposé à la base du compartiment tampon (6) qui régle la vitesse de sortie du métal, qu'au cas de la figure 5 o le compartiment tampon (6) ou (6B) ne comporte pas d'orifice de sortie calibré. Ce rôle est alors joué par la section de 885 7 1 sortie (36) du siphon qui est, pour cela, convenablement calibrée. Le maintien du niveau de métal dans le compartiment inférieur (6) peut, si nécessaire, être mesuré et, le cas échéant régulé, en disposant un certain nombre de sondes de niveau (13) dans la paroi de ce compartiment et en asservissant la vitesse d'introduction du métal dans le comparti- ment supérieur. D'autre part, le débit de l'additif pulvérulent peut être asservi au débit du métal liquide pénétrant dans la chambre de réaction par l'orifice calibré (8) à partir de la mesure du niveau dans le compar- timent supérieur (5) au moyen des sondes (14) par exemple. Le dessin de la chambre de mélange (7) est donné à titre d'exemple de réa- lisation et ne constitue pas une limitation de l'invention. L'homme de l'art peut optimiser ce dessin en fonction de la nature du métal traité (réactivité, viscosité) et de la nature de l'additif (poudre en grains plus ou moins fins, plus ou moins réactifs) de façon à crier, par exemple, des effets tourbillonnaires ou des effets de dispersion du courant de mé- tal, par exemple en adpatant la forme de l'orifice (8) ou en interposant un obstacle tel que (15) sur ce courant à la sortie de l'orifice (8) ou par tout autre moyen équivalent. Pour en faciliter l'entretien et le nettoyage, le dispositif, objet de l'invention, peut être réalisé en deux parties, séparées par un plan pas- sant par l'axe vertical AA et perpendiculaire au tube (9) d'arrivée du produit pulvérulent, et qui sont maintenues, pendant la coulée, en rela- tion jointive et étanche par des colliers de serrage ou des vérins hydrau- liques, de façon connue, selon les dimensions du dispositif. EXEMPLES D'APPLICATION Exemple 1. On a construit un dispositif expérimental de traitement, selon l'inven- tion, conforme au schéma de la figure 1, en vue du traitement de noduli- sation de fonte à graphite sphéroidal par addition d'un ferrosilicomagné- sium en petits grains contenant 5,7 % de magnésium. Le compartiment d'entrée (5) a une forme de pyramide renversée. La section 258:8571 d'entrée est de 250 x 250 mm et la hauteur h1 de l'orifice (8) jusqu'au sommet du compartiment d'entrée (5) est de 250 mm. L'orifice (8) a une section de 1200 mm2 de forme rectangulaire 10 x 120 mm. Le compartiment inférieur est cylindrique avec un diamètre de 150 mm et une hauteur h2 de 270 mm entre le trou calibré de sortie (4) et l'orifice d'évacuation des cras-ses (1IlB). L'orifice de sortie (4) a un diamètre de 40 mm, soit une section de passage 2 2 de 1257 mm à comparer aux 1200 mm2 de l'orifice (8). L'additif ferrosilicomagnésium est injecté par le tube (9) avec un débit pondéral de 90 g/seconde. Le gaz porteur utilisé est de l'azote sous une pression de 0,06 MPa Le débit de fonte liquide est de 10 kg/seconde, ce qui correspond à une addition de 0,9 % en poids de FeSiMg à 5,7 % de magné- sium, soit 0,051 % de Mg ajouté. Le dispositif est alimenté en fonte li- quide par un four à induction, la fonte traitée étant récupérée dans une poche réceptrice de 500 kg placée sous le dispositif de traitement. Le rendement d'incorporation de magnésium défini par la relation: R = 0, 76 (S base - S fonte traitée)+ Mg résiduel Mg introduit est de 87 %. Exemple 2. On a construit un second dispositif expérimental de traitement, selon l'invention,conforme au schéma de la figure 3, en vue d'effectuer en une seule opération le traitement de nodulisation et d'inoculation de fonte à graphite sphéroîdal. Ce dispositif est directement placé sur un moule en sable furanique. Le poids total de la grappe coulée est de 55 kg. La pièce coulée présente une épaisseur minimale de 5 mm. Le compartiment d'entrée (5) a une forme de pyramide renversée. La section d'entrée est de 250 x 250 mm et la hauteur de l'orifice jusqu'au sommet du compartiment d'entrée (5) est de 250 mm. L'orifice (8) a une section de 600 mm2 de forme rectangulaire 6 x 100 mm. Le compartiment inférieur est cylindrique avec un diamètre de 150 mm et une hauteur de 220 mm entre le plan de pose (34) sur le moule (30), et l'orifice d'évacuation des crasses (IIB). Le dhébit pondérai d'écoulement dans le moule est de l'ordre de 5 kg/sec. Ce débit est réglé en donnant au canal de descente de charge une section calibrée. Le produit de traitement est un produit mélange comprenant 95 % de FeSiMg à 5,7 % de magnésium et 5 % d'un ferrosilicium inoculant contenant, entre autres, 1 % de Bismuth et 0,5 % de Terres Rares, selon notre brevet fran- çais FR 2 511 044 (= US 4 432 793). Le produit mélange de granulométrie 0,2 à 1 mm est injecté par le tube (9) avec un débit pondérai de 45 g/seconde, ce qui correspond à 0,049 % de Mg ajouté. La fonte ainsi traitée a pour analyse finale: C = 3,74 Si = 2, 46 Mn = 0,12 P = 0,043 S = 0,004 Mg = 0,037 La pièce coulée présente une structure parfaitement nodulaire dans une matrice totalement ferritique et exempte de carbures. Le rendement d'incorporation du Mg dans ce cas est de 85 %. AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION Par rapport aux systèmes actuellement utilisés ou connus, l'invention pré- sente les avantages suivants: - rendement d'incorporation de l'additif proche de 100 %, - taux d'ajout de l'additif constant pendant toute la durée de la coulée, ce qui évite les opérations manuelles de pesage du métal liquide et de l'additif, - possibilité d'emploi de particules très fines d'additifs avec un excel- lent rendement et sans risques de pertes et de pollution de l'atmosphère de l'atelier et des sables de moulage. L'invention peut également être appliquée aux traitements simultanés de nodulisation et inonulation, ainsi qu'il est décrit dans l'exemple 2, pour les fontes à graphite sphéroldal; les taux d'additifs nécessaires pour obtenir les caractéristiques correctes pour ces fontes sont souvent inférieurs de 50 % aux procédés classiques de nodulisation et d'inocula- tion en poche. Le procédé et le dispositif peuvent d'autre part et de façon non limita- tive, s'appliquer: - au traitement de vermiculisation des fontes, - au traitement de recarburation des fontes, - au traitement de désulfuration en continu des fontes, - au traitement de désulfuration et dénitruration des aciers, - aux microadditions dans-les aciers (telles que le bore) ou dans les fon- tes (telles que le vanadium, le titane...) - aux divers traitements de dégazage et d'affinage d'alliages légers. La disposition de l'appareil permet l'introduction immédiate du métal trai- té dans le ou les moules (fig. 3) ce qui limite le risque d'évanouissement de l'effet de certains additifs volatils, oxydables ou à l'action fugace (germination). Enfin l'appareil, tel qu'il vient d'être décrit, sous ses différentes va- riantes, permet également l'injection d'un gaz ou d'un liquide réactifs, avec ou sans transport associé d'additif pulvérulent, par exemple pour réaliser le dégazage de l'aluminium par injection d'un mélange chlore- azote. 258857 1 - il - REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection continue sous faible pression d'un additif pulvérulent dans un courant de métal fondu, caractérisé en ce qu'il com- porte successivement, du haut vers le bas: - un compartiment supérieur (5) , pour l'entrée du métal fondu, - une chambre de traitement (7), reliée au compartiment supérieur par un orifice d'entrée calibré (8), et dans laquelle débouche, d'une part un tube (9) relié à un dispositif d'injection d'additif pulvérulent sous pression de gaz et, d'autre part, au moins un conduit (11) d'évacuation des gaz, fumées et crasses éventuelles, - au moins un compartiment tampon (6) coopérant avec un moyen de réglage du débit de sortie du métal traité, - un moyen collecteur du métal traité. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux compartiments tampons superposés en série, un compartiment intermé- diaire (6A) et un compartiment inférieur (6B), comportant chacun une chambre de traitement (7), (7'), un orifice calibré d'entrée (8) (8') et au moins un conduit d'évacuation des gaz, fumées et crasses. 3. Dispositif, selon revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre de traitement comporte deux conduits d'évacuation, un conduit supérieur (11A) pour les gaz et fumées, et un conduit inférieur (11B) pour l'évacuation des crasses. 4. Dispositif, selon revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte à la base du compartiment tampon (6) ou du compartiment tampon inférieur (6A) un siphon (35) de rétention des crasses. 5. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caracté- risé en ce que le moyen de réglage du débit de sortie du métal traité est constitué par un orifice calibré disposé sur le trajet du métal traité. 6. Dispositif, selon revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice calibré (4) est disposé à la base du compartiment tampon (6) ou du comparti- ment inférieur (6A). 7. Dispositif selon revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice ca- libré est intégré au moyen collecteur du métal traité. 8. Dispositïf selon revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice ca- libré est intégré au siphon (35). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 8, caracté- risé en ce qu'il comporte des moyens tels que (13)(14) de mesure du ni- veau de métal fondu dans le compartiment inférieur (6) et/ou dans le compartiment supérieur (5). 10. Dispositif selon revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte ]5 des moyens d'asservissement de l'arrivée de métal fondu dans le compar- timent supérieur (5) au niveau du métal fondu dans le compartiment infé- rieur (6). 11. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, carac- térisé en ce qu'il est constitué en deux parties séparées par un plan passant par l'axe vertical et perpendiculaire à/aux orifices d'arrivée du/des additifs pulvérulents (9). 12. Procédé d'injection continue d'un additif pulvérulent dans un courant de métal fondu, mettant en oeuvre le dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à Il caractérisé en ce que: - on introduit le métal fondu dans le compartiment supérieur (5) en ré- glant le débit de façon à maintenir le niveau entre un niveau optimal N3 et un niveau maximal N4 _- on injecte dans la ou les chambres de mélange (7)(7'), par le ou les tubes (9)(9'), dans un courant de--gaz porteur sous pression, le ou les additifs dont le débit d'injection est réglé de façon à introduire un poids d'additif prédéterminé par kg de métal à traiter, - - on maintien le ou les niveaux dans le ou les compartiments tampons (6) (6') entre le niveau optimal NI et le niveau maximal N2 en agissant sur le débit d'introduction du métal dans le compartiment supérieur (5), - on collecte le métal traité à la sortie du compartiment tampon (6) ou du compartiment tampon inférieur (6B). 13. Application du dispositif, selon l'une des revendications 1 à 11, au traitement de métaux fondus, ferreux ou non ferreux, caractérisé en ce que l'on injecte, par le tube (9) un gaz, une vapeur ou un liquide réac- tifs.