Brevet FR2604107A1 — publié le 19880325

DISPOSITIF STATIF DE MISSE EN SOIBTICI D'ELEMENTS D'ALLIAGE ET DE DISPERSION DE GAZ DANS UM BAIN D'ALUMINIUM La présente invention est relative à un dispositif rotatif 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 d'aluminium 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-terreus 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 n02512067. Mais ces derniers sont également spécifiques de la fonction pour laquelle ils ont e été conçus et ne peuvent géneralement pas être utilisés comme dispositifs de mise en solution d'éléments d'alliage, 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'entrainement et comportant à sa partie inférieure immergée dans le bain un disque de même axe que l'arbre, percé de passages tubulaires radiaux mettant en communication l'intérieur de l'arbre avec le bain caractérisé en ce que le disque présente à sa périphérie au moins quatre paires identiques et équidistantes d'échancrures superposées de forme sensiblement tetraédrique, les échancrures de chaque paire ayant un sommet commun situé sur la paroi latérale du disque, deux autres sommets situés respectivement sur l'arête supérieure et l'arête inférieure du disque, un quatrième sommet placé respectivement sur la face supérieure et la face inférieure du disque et à la même distance de l'axe. Ainsi, l'invention consiste, dans un dispositif rotatif classique alimenté en gaz par l'intermédiaire de son arbre d'entrainement creux, à utiliser un rotor constitué par un disque, de préférence en graphite, ayant une structure particulière. Cette structure résulte de la présence d'échancrures ou entailles dans la masse du disque. Ces échancrures sont reparties régulièrement sur le pourtour du disque par paires identiques qui sont au nombre de 4 ou de 8, de préférence, et chaque paire comprend une échancrure placée sur la face supérieure du disque et une échancrure placée sur la face inférieure, toutes deux de forme sensiblement tétraédrique mais, ayant des dimensions différentes.Ces tétraèdres sont disposés de manière que trois de leurs sommets sont situés sur l'une et l'autre des faces horizontales du disque dont deux sur l'arête du disque et le troisième à une distance de l'axe identique pour les deux échancrures tandis que le quatrième sommet est commun aux deux échancrures et placé sur la paroi latérale du disque. 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 de 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 empeche 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 pourcents 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 d et le 1/4 du diamètre du récipient et placé à une distance du fond du récipient comprise entre le h 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 certaines caractéristiques complémentaires sont utilisées dans la conception du disque. Ce sont: - une distance à l'axe des sommets du tétraèdre placés sur l'une et l'autre des faces horizontales du disque comprise entre le 1/3 et les 2/3 du diamètre du disque, - une distance du sommet commun situé sur la paroi latérale du disque à la face supérieure du disque comprise entre le 1/3 et le h de la hauteur du disque, - une aire de la face du tétraèdre contenu dans la face supérieure du disque plus petite que celle de l'autre tétraèdre, - une position du sommet commun en amont des sommets situés sur les arêtes du disque en se plaçant dans le sens de rotation du disque. - une distance qui sépare les plans axiaux passant le sommet commun et le sommet le plus proche placé sur l'arête supérieure inférieure à la distance qui sépare les plans axiaux passant par les sommets placés sur l'arête supérieure, - une configuration de l'une ou l'autre des faces du tétraèdre situé dans l'un des plans horizontaux du disque telle que la droite contenant l'arête amont du tétraèdre est située à une distance de l'axe du disque supérieure à celle correspondant à la droite contenant l'arête avale. Le rapport de ces distances étant compris de préférence, entre 1/4 et 1/3 - un angle au sommet entre les arêtes horizontales de chaque tétraèdre compris entre 25 et 30 degrés pour ltéchancrure supérieure et entre 30 et 35 degrés pour lléchancrure inférieure, - un rapport diamètre/hauteur du disque compris entre 12 et 5, - la disposition des passages tubulaires d'amenée de gaz qui débouchent par un orifice situé sur la face avant du tétraèdre inférieur dans le sens de la rotation. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures jointes qui représentent: figure 1, une coupe verticale axiale de l'arbre et du disque du dispositif. figure 2 une vue de dessus du rotor. figure 3, une vue suivant une coupe B.B de la figure 2. figure 4, une vue suivant une coupe A.A de la figure 2. Sur la figure 1, on distingue l'arbre (1) creusé suivant son axe par un canal (2) pour le passage du gaz. Cet arbre est relié à sa partie supérieure à une source de gaz et à un moteur d'entralnement non représentés et comporte à sa partie inférieure un disque (3) sur lequel apparat, sur une paire de tétraèdres, le sommet (7) placé sur la face supérieure du disque et le sommet (7') placé sur la face inférieure. Sur la figure 2, on voit les échancrures (4) de forme sensiblement tétraèdrique disposées à la partie supérieure du disque symétriquement par rapport à son axe. Ces tétraèdres ayant deux sommets (5 et 6) situés sur l'arête supérieure du disque et un autre sommet (7) placé sur la face supérieure du disque. Tous les sommets (7) sont d'ailleurs placés sur un même cercle (9). En (10) se trouve la trace du sommet commun aux échancrures supérieure et inférieure et en (11) et (12), les traces des arêtes des échancrures inférieures situées sur la face inférieure du disque et aboutissant aux sommets (5' et 6'). Pour des raisons de clarté du dessin, la trace de l'arête (11) a été représentée pour une seule échancrure. La figure 2 donne également la trace des passages tubulaires (13) qui débouchent par un orifice (14) sur l'une des faces des tétraèdres inférieurs et mettent en communication le canal (2) avec le bain métallique; la flèche (15) indique le sens de rotation du rotor. Sur la figure 3 on distingue l'arbre (1), le canal (2) et le passage tubulaire (13). La figure 4 montre une échancrure supérieure avec ses sommets (5) et (6), une échancrure inférieure avec ses sommets (5' et 6'), le sommet commun (10) aux deux échancrures et l'orifice (14) où débouche le passage tubulaire. En fonctionnement, le disque est entraîné par un moteur dans le sens de la flèche 15 et du gaz est admis à la partie supérieure du canal de l'arbre creux et s'échappe par les orifices (14). Sous l'action conjuguée de la rotation et du type de brassage particulier imposé par la forme des échancrures, la disposition des orifices de distribution du gaz, la nature du gaz, il résulte une mise en solution rapide des éléments d'alliages 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 simultane'esd'alcalins dans des bains d'aluminium issus de cuves d'électrolyse et contenus dans des poches. Les conditions générales étaient les suivantes - poche sensiblement cylindrique de dimensions : hauteur 1,60 m, diamètre 1,70 m - hauteur du bain dans la poche : entre 1,10 et 1,35 m - dispositif suivant l'invention avec un disque de diamètre 0,60 m de hauteur 0,10 m placé dans l'axe de la poche - 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 ESSAT BAIN D'Al DISPOSITIF MASSE D'ELEMENTS D'ALLIAGES DUREE DE LA AJOUTES EN KG DISSOLUTION EN MIN. Température Hauteur du en C Vitesse disque au Masse rotation dessus du Fe/Si AC 90 Mg Mn Si Cu Fe en kg Début Fin en t/min fond de la * poche en m 1 823 770 5080 240 0,55 12 50 160 21 8 9 2 825 803 6020 215 " 115 6 9 6 3 800 770 6060 225 " 22 67 72 4 12 6 4 876 830 5700 185 " 20 85 58 15 10 7 5 864 799 5360 210 " 224 58 3 6 798 740 6580 215 " 13 150 4 * 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. ELIMINATION DES ALCALINS ESSAI DEBITS GAZ TENEUR INITIALE TENEUR FINALE DUREE EN UTILISES EN EN ppm EN ppm NIN. Nllh Ar Cl2 | Na | Li | Na | Li 1 6.000 600 i 27 21 2,5 2,5 10 2 8.000 900 30 19 1,5 2 10 3 10.000 900 18 9 1 1 10 4 10.000 500 12 7 0,5 1,5 | 10 5 10.000 900 16 8 0,5 1 @ 10 6 10.000 900 18 8 0,5 0,5 10 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 2 ppm ou moins suivant la teneur d'origine. L'invention trouve son application notamment dans l'élaboration rapide d'alliages d'aluminium à basse teneur en alcalins. RRVFNDICAIIOhS 1. 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 (1) vertical 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'entrainement et comportant à sa partie inférieure immergée dans le bain un disque (3) de même axe que l'arbre, percé de passages tubulaires (13) radiaux mettant en communication l'intérieur de l'arbre avec le bain caractérisé en ce que le disque présente à sa périphérie au moins quatre paires identiques et équidistantes d'échancrures (4) superposées de forme sensiblement tétraèdrique, les échancrures de chaque paire ayant un sommet commun (10) situé sur la paroi latérale du disque, deux autres sommets (5,6) et (5',6') situés respectivement sur l'arête supérieure et l'arête inférieure du disque, un quatrième sommet (7) et (7') placé respectivement sur la face supérieure et la face inférieure du disque et à la même distance de l'axe. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les sommets (7) et (7') sont situés sur un cercle de diamètre compris entre le 1/3 et les 2/3 du diamètre du disque. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le sommet commun (10) est situé à une distance de la face supérieure du disque comprise entre 1/3 et b de la hauteur de ce disque. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la face du tétraèdre contenu dans la face supérieure du disque a une aire plus petite que celle de la face du tétraèdre contenu dans la face inférieure du disque. 5. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les sommets (5 et 6) se succèdant dans cet ordre quand on suit le sens de rotation du disque, le sommet (10) se trouve en amont de (5). 6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la distance qui sépare des plans axiaux passant respectivement par (5) et (10) est inférieure à celle qui sépare les plans axiaux passant respectivement par (5) et (6). 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la droite qui contient l'arête (5)-(7) ou (5')-(7') est à une distance de l'axe du disque supérieure à celle de la droite qui contient l'arête (6)-(7) ou (6')-(7'). 8. Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que le rapport de ces distances est compris entre 1/4 et 1/3. 9. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle au sommet (7) de la face (5-6-7) du tétraèdre est compris entre 25 et 30 degres. 10. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'angle au sommet (7') de la face (5'-6'-7') est ompris entre 30 et 35 degrés. 11. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport diamètre sur hauteur du disque est compris entre 12 et 5. 12. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les passages tubulaires (13) débouchent dans le bain par un orifice (14) situé sur une face (5'-6'-10).