Brevet FR2604099A1 — publié le 19880325

DISPOSITIF ROTATIF A PALES DE MISE EN SOLUTION D'ELEMENTS D'ALLIAGE ET DE DISPERSION DE GAZ DANS UN BAIN D'ALUMINIUM La présente invention est relative à un dispositif rotatif à pales de mise en solution d'éléments d'alliage et de dispersion de gaz dans un bain d'aluminium contenu dans un récipient. L'homme de l'art sait que les produits fabriqués avec de l'aluminium pur ne possèdent généralement pas les caractéristiques mécaniques convenables à de nombreuses utilisations et que, pour les leur conférer il faut le plus souvent allier cet aluminium à d'autres éléments tels que le silicium, le magnésium, le fer, le manganèse, etc... Ces alliages sont généralement obtenus en incorporant ces éléments sous forme massive ou de particules solides dans un bain d'aluminium et en les dispersant le mieux possible à l'aide de dispositifs particuliers de manière qu'ils se dissolvent le plus rapidement possible. Or, actuellement dans toutes les installations industrielles, ces éléments sont introduits dans les fours de fonderie, ce qui a pour inconvénient: de conduire dans certaines parties du four à la formation de zones d'accumulation et d'agglomération des particules dont la dissolution demande un temps relativement long; - de nécessiter des dispositifs de brassage très lourds et très coûteux dans le cas de fours de grande capacité; - de consommer beaucoup d'énergie. En outre, ces dispositifs ont uniquement pour fonction de disperser des solides dans un liquide. Or, l'homme de l'art de la fonderie se trouve non seulement confronté à un problème de fabrication d'alliage, mais, également à celui de se débarrasser de certaines impuretés contenues dans le métal telles que les métaux alcalins et alcalino-terreux qui ont des effets nocifs sur l'alliage produit comme celui d'augmenter la vitesse d'oxydation du métal fondu ou de fragiliser à chaud les pièces qui en sont issues. Pour éliminer ces alcalins, on recourt généralement soit à un traitement par un flux contenant par exemple des fluorures alcalins, soit à un traitement par un gaz chloré. Dans ce dernier cas, pour que le traitement soit valable, il faut que l'on dispose de moyens de dispersion de gaz dans un métal liquide suffisamment efficaces. Certes, ici encore, l'homme de l'art n'est pas resté inactif et a mis au point des disperseurs de gaz qui conviennent. On peut citer en particulier celui décrit dans le brevet français n 2512067. Mais ces derniers sont également spécifiques de la fonction pour laquelle ils ont été conçus et ne peuvent généralement pas être utilisés comme dispositifs de mise en solution- d'éléments d'alliages, de sorte que pour exercer les deux fonctions : dissolution de solides plus ou moins denses et dispersion de gaz dans un métal liquide, l'homme de l'art est obligé de faire appel à deux types de dispositifs et donc à deux stades de traitement, ce qui prolonge d'autant le temps nécessaire à leur application. C'est pourquoi la demanderesse a essayé de trouver un moyen qui permette d'assurer simultanément les deux fonctions suivant des conditions d'exploitation intéressantes. Ce moyen est un dispositif rotatif de mise en solution d'éléments d'alliage et de dispersion de gaz dans un bain d'aluminium provenant notamment d'un prélèvement direct d'une cuve d'électrolyse contenu dans un récipient, tel qu'une poche de transport, comprenant un arbre vertical percé suivant son axe par un canal destiné au passage du gaz, relié à sa partie supérieure à une source de gaz et à un moteur d'entraïnement et comportant à sa partie inférieure immergée dans le bain un disque de même axe que l'arbre, caractérisé en ce que le disque est équipé sur sa paroi latérale de pales qui s'allongent suivant les génératrices d'un prisme droit de section parallélogrammatique d'axe passant par le centre du disque, dont les extrémités résultent de l'intersection dudit prisme avec un cylindre de même axe que celui s'appuyant sur la paroi latérale du disque, les grandes faces du prisme formant un angle alpha d'au plus 45 degrés avec l'horizontale et les petites faces étant situées respectivement dans les plans des faces supérieure et inférieure 26040 9 du disque, lesdites pales étant pourvues d'au moins un orifice relié au canal par un passage tubulaire. Ainsi, l'invention consiste dans un dispositif rotatif classique alimenté en gaz par l'intermédiaire de son arbre d'entraînement creux, à utiliser un rotor constitué par un disque, de préférence en graphite, muni de pales, ayant une forme particulière. Il n'est pas facile de mélanger un liquide à la fois à des produits de faible masse volumique comme les gaz qui ont tendance à s'élever rapidement et à s'échapper à l'atmosphère et à des métaux qui au contraire tombent rapidement au fond du bain et s'agglomèrent en un monticule dont la dissolution complète peut s'avérer impossible en raison d'échanges liquide-solide pratiquement nuls. Pourtant, c'est bien un tel problème qui a été résolu par la demanderesse en mettant au point un rotor à pales de profil et d'orientation particuliers monté sur un disque qui par définition a une hauteur relativement petite par rapport à son diamètre. Ce profil est celui d'un prisme droit avec une section ayant la forme d'un parallélogramme. Cette orientation consiste à placer ces pales de manière qu'elles affleurent les faces supérieure et inférieure du disque et à leur donner un angle par rapport à l'horizontale relativement petit contrairement à certaines conceptions dans lesquelles les pales ont un angle beaucoup plus grand et présentent donc une surface d'attaque du bain beaucoup plus grande et par suite exigent pour leur mise en mouvement une quantité d'énergie plus élevée. Un tel moyen permet de réaliser des conditions particulières de marche favorable au but recherché, à savoir: - mise en mouvement du bain généralisée à toute la poche, ce qui permet d'augmenter la vitesse de dissolution des éléments d'alliage et d'assurer une meilleure diffusion du gaz pour éliminer les alcalins; - de brusques variations de vitesse des veines fluides qui provoquent un déplacement relatif des grains de métaux en suspension par rapport au liquide; - l'absence de tourbillons en surface qui sont la source d'une oxydation du bain; - une fine dissémination des bulles gazeuses qui empêche leur remontée trop rapide à la surface du bain; - une vitesse de rotation relativement faible et en tout cas convenable pour éviter l'usure du rotor. Avec un tel dispositif équipé de passages tubulaires radiaux de diamètre compris entre 2 et 5 mm alimentés en gaz inerte contenant quelques pour- cents en volume de chlore sous une pression comprise entre 0,1 et 0,3 MPa, tournant à une vitesse comprise entre 100 et 350 tours/minute, un disque ayant un diamètre correspondant entre le et le 1/3 du diamètre du récipient et placé à une distance du fond du récipient comprise entre le 1/3 et le 1/4 de la hauteur du bain, on a obtenu une grande vitesse de dissolution des éléments d'alliages utilisés habituellement dans la métallurgie de l'aluminium ainsi qu'une bonne élimination des éléments alcalins tels que le sodium et le lithium. On parvient cependant à un optimum des résultats quand, de préférence, certaines caractéristiques complémentaires sont utilisées dans la conception du disque. Ce sont: - le nombre de pales compris entre 4 et 8, - la longueur de l'axe de chaque pale voisine du rayon du disque, l'épaisseur e de chaque pale comprise entre le 1/4 et les 3/4 de la hauteur du disque, - la largeur de chaque pale comprise entre le 1/5 et les 4/5 du diamètre du disque, - un angle i compris entre 10 et 20 degrés, - un sens de rotation du disque tel que dans ce sens les grandes faces inférieures des pales se trouvent en amont des faces supérieures, - les orifices d'amenée de gaz au bain disposés aux extrémités des axes des pales, - un rapport diamètre sur hauteur du disque compris entre 12 et 5. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures jointes qui représentent: Figure 1: une vue de dessus du rotor. Figure 2: une vue de côté du rotor. Sur la figure 1, on distingue un disque (3) tournant dans le sens (9) muni de pales (4) qui présentent une grande face (5) et une petite face (6). A l'extrémité de leurs axes se trouvent des orifices (7) en liaison avec le canal (2) par l'intermédiaire des passages tubulaires (8). Sur la figure 2 sont représentés l'arbre (1) percé par un canal (2) comportant à sa partie inférieure un disque (3) de hauteur h muni de pales (4) d'épaisseur e formant un angle " avec l'horizontale et de section parallélogrammatique constituée par les grandes faces (5) et les petites faces (6) qui affleurent les plans supérieur et inférieur du disque. A l'extrémité de l'axe d'une des pales figure l'orifice (7) d'admission de gaz. En fonctionnement, le disque qui plonge dans le bain d'aluminium est entraîné par un moteur, non représenté, dans le sens de la flèche et du gaz est admis par une source non représentée dans le canal (2) tandis que les éléments d'alliages s'échappent d'une trémie placée au-dessus du bain à proximité de l'arbre. Sous l'action conjuguée du brassage imposé par le profil et l'orientation particuliers des pales et de l'action du gaz distribué par l'extrémité des pales, il en résulte une mise en solution rapide des éléments d'alliage et une élimination des impuretés alcalines. L'invention peut être illustrée à l'aide des exemples d'application suivants: On a procédé à plusieurs essais de dissolution d'éléments d'alliages et d'élimination simultanéesd'alcalins dans des bains d'aluminium issus de cuves d'électrolyse et contenus dans des poches. Les conditions générales étaient les suivantes: 2604099- - poche sensiblement cylindrique de dimensions: hauteur 1,60m, diamètre 1, 70 m - hauteur du bain dans la poche comprise entre 1,05 m et 1,30 m dispositif suivant l'invention placé dans l'axe de la poche avec un disque de diamètre 0,70 m de hauteur 0,06 m muni de 6 pales inclinées à 16 degrés - alimentation en éléments d'alliage par une trémie placée au- dessus du bain à 0,40 m de l'arbre. Les conditions particulières de l'essai et les résultats figurent dans le tableau ci-après: \ DISSOLUTION ESSAI BAIN D'Al DISPOSITIF MASSE D'ELEMENTS D'ALLIAGES DUREE DE LA DIS- AJOUTES EN KG SOLUTION EN MIN. Température hauteur du en trC Masse Vitesse disque au- en rotation dessus du Fe/Si AC 90 Mg Mn Cu Début Fin Kg en T/min. fond de la * poche en m 1 825 759 5860 195 500 40 160 10 6 2 830 770 5560 215 "le 180 33 9 3 842 806 4780 230 550 17 52 56 5 7 4 824 758 5840 220 450 224 72 6 * AC 90 alliage mère de chrome contenant 90 % en poids de chrome. A noter que tous les éléments étaient ajoutés sous forme de poudre de granulométrie comprise entre 0,25 et 3 mm sauf le magnésium mis sous forme de lingots de 7 kg et le cuivre en copeaux. os ox o o -,- Co -0D "O ELIMINATION DES ALCALINS DEBITS GAZ TENEUR INITIALE TENEUR FINALE DUREE EN ESSAI UTILISES EN I en ppm en ppm min. N 1/h 11 I L Ar C12 I Na I Li Na] Li à-------- ------- -----------------à-------*--- 1 10.000 900 I 38 I 22 2 { 3 10 2 110.000 200 1 25 1 22 1,5 1 2 10 I 18 DO,3 110.000 1600 18 8 0,5 0,5 10 0 1 4 '8.000 900 30 7 1,5 1 o10 I j I, On constate qu'en moins de 10 minutes, on obtient une dissolution quasi totale de la plupart des éléments d'addition classiques de l'aluminium et que simultanément la teneur en Na et en Li peut être abaissée en moins de 10 minutes au voisinage de 3 ppm. L'invention trouve son application notamment dans l'élaboration rapide d'alliages d'aluminium à basse teneur en alcalins. REVE-DIC&TIOIS 1. Dispositif rotatif à pales de mise en solution d'éléments d'alliage et de dispersion de gaz dans un bain d'aluminium provenant notamment d'un prélèvement d'une cuve d'électrolyse contenu dans un récipient, tel qu'une poche de transport, comprenant un arbre vertical (1) percé suivant son axe par un canal (2) destiné au passage du gaz, relié à sa partie supérieure à. une source de gaz et à un moteur d'entraînement et comportant à sa partie inférieure immergée dans le bain un disque (3) de même axe que l'arbre caractérisé en ce que le disque est muni sur sa paroi latérale de pales (4) qui s'allongent suivant les génératrices d'un prisme droit de section parallélogrammatique d'axe passant par le centre du disque dont les extrémités résultent de l'intersection dudit prisme avec un cylindre de même axe que celui s'appuyant sur la paroi latérale du disque, les grandes faces (5) du prisme formant un angle i d'au plus 45 degrés avec l'horizontale et les petites faces (6) étant situées respectivement dans les plans des faces supérieure et inférieure du disque, lesdites pales étant pourvues d'au moins un orifice (7) relié au canal (2) par un passage tubulaire (8). 2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le nombre de pales est compris entre 4 et 8. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pale a un axe de longueur voisine du rayon du disque. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque pale a une épaisseur e comprise entre le 1/4 et les 3/4 de la hauteur du disque. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque pale a une largeur comprise entre le 1/5 et les 4/5 du diamètre du disque. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que C est compris entre 10 et 20 degrés. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que si l'on suit le sens (9) de la rotation du disque, les grandes faces inférieures des pales se trouvent en amont des faces supérieures. 8. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les orifices (7) sont placés aux extrémités des axes des pales. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport diamètre sur hauteur du disque est compris entre 12 et 5.