Brevet FR2668497A1 — publié le 19920430

U L'invention concerne un procédé et un appareil pour faire fondre à nouveau (refondre) et pour raffiner du ma- gnésium et des alliages de magnésium L'invention peut servir à la fois pour la fusion de lingots et pour la refonte ou refusion de métal de récupération ou de rebut. Le métal de récupération peut ainsi comprendre des pièces moulées non réussies et retournées, du métal de déchets et des petits morceaux ou des copeaux de métal. Actuellement, la majeure partie de la refonte et du raffinage des lingots et des déchets de magnésium est réa- lisée de façon discontinue dans un creuset en acier chauffé On ajoute un fondant que l'on fait fondre, puis l'on introduit progressivement le métal A mesure que le métal fond, il va se former une couche de métal fondu au- dessus du fondant ou flux Le magnésium métallique que l'on ajoute ensuite va venir en contact direct avec le métal fondu Si le métal contient de l'humidité, cela peut être la cause d'une explosion Pour éviter cela, la totalité du métal devant être soumis à fusion est chauffée au préalable de manière à garantir que ce métal ne contient pas d'humi- dité En outre, il est habituel d'étaler du fondant sur les déchets et/ou lingots de métal à introduire Un inconvé- nient de cette pratique consiste en ce que la totalité du fondant chargé forme de la boue, ce qui soulève des problèmes de perte de métal et de dépôt de ce métal En outre, le procédé demande une grande fourniture d'énergie, tant pour le préchauffage du métal que pour sa fusion, parce qu'il est nécessaire de chauffer le métal bien au- dessus de la température de fusion De plus, le procédé donne des conditions déplaisantes de travail pour le per- sonnel ouvriers et cadres et pour les personnes exposées à de la chaleur et à des gaz provenant de la masse fondue. Grâce au brevet No 147 606, on connaît un procédé et un four pour le raffinage en continu du magnésium fondu Le magnésium fondu est introduit ou chargé au-dessous de la surface du métal dans une chambre On utilise un four com- portant plusieurs chambres de précipitation du magnésium et des chambres de collecte de la masse fondue de sels Ce four donne un bon raffinage du métal, mais il est surtout conçu pour être chargé en du métal fondu. Un objet de l'invention consiste donc à développer un procédé et un appareil pouvant servir tous deux à la refonte en continu et au raffinage en continu d'un métal, notamment le magnésium et les alliages de magnésium Il est essentiel de pouvoir utiliser aussi bien des déchets de métal que des lingots Un autre objet consiste à obtenir un procédé demandant une faible fourniture d'énergie et don- nant un rendement élevé sans grande formation de boue ni perte de métal. On parvient à ces objets et à d'autres encore, de l'invention, grâce au procédé et à l'appareil, qui sont décrits plus en détail ci-après. L'invention se fonde sur l'utilisation d'une masse fondue de sels pour la refonte et le raffinage du magnésium et des alliages de magnésium On peut traiter toutes sortes de métaux de récupération et de déchets On fait fondre le métal en pompant une masse surchauffée de sels fondus en provenance d'une chambre et en envoyant ces sels dans un four contenant une masse fondue de sels, et en répandant par arrosage en pluie fine cette masse fondue de sels sur le métal qui est placé dans un panier, au- dessus du niveau de la masse fluide, dans une autre chambre du four Le métal fond et s'écoule directement vers le bas, dans la chambre, sans être soumis à un supplément de chauffage. Aucun chauffage du métal n'est réalisé sans que ce métal ne soit recouvert d'une masse fondue, ce qui lui donne une bonne protection contre une oxydation On maintient entre 1,1 0,4 g/cm 3 la différence de masse volumique entre la masse fondue et le métal On utilise de préférence une masse de sels fondus ayant une teneur élevée en du chlorure de cal- cium ( 25 à 80 %) et contenant 1 à 10 % de fluorure de cal- cium, notamment une masse contenant 40 à 60 % de chlorure de calcium et 3 à 7 % de fluorure de calcium Le taux de circulation de la masse fondue estde 5 à 30 tonnes de cette masse fondue par tonne de magnésium,et l'on préfère parti- culièrement un taux de circulation de 7 à 20 tonnes de la masse fondue par tonne de magnésium La fusion de 2 à 3 tonnes par heure constitue une valeur typique On utilise pour cela un four comportant plusieurs chambres pour le raffinage et pour le séjour du métal Quand on soumet à fusion des morceaux, déchets ou rebuts d'origine inconnue, on utilise une chambre séparée ménagée dans le four, ce qui permet d'effectuer un supplément de raffinage et des ajus- tements avant de mélanger ce métal avec le reste du métal ou avant de l'enlever du four. L'invention sera décrite plus en détail ci-après, en regard des dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe latérale du four; la figure 2 montre le dispositif d'alimentation pour la masse fondue et pour la matière nta-llique brute; et la figure 3 est une coupe selon la ligne A-A de la figure 2. Sur la figure 1, on voit un four 1 comportant quatre chambres Ml à M 4 de collecte de métal et deux chambres Si et 52 comportant de la masse fondue de sels (ou les sels fondus) Sur la figure, la chambre 51 est représentée comme ayant un volume double de celui de la chambre 52 normale pour masse fondue de sel (ou pour sels fondus) et cela donne ainsi une grande capacité de tampon ou de réserve en magnésium liquide Le four est réalisé avec un revêtement. réfractaire, et les chambres Ml à M 4 de collecte de métal sont séparées par des cloisons 2 réfractaires de partage, comportant des ouvertures 3 La chambre Si des sels fondus est séparée de la phase continue de magnésium fondu dans le four 1 par une cloison 4 imperméable, qui se termine à une certaine distance du fond du four Le four est recouvert d'un couvercle 5 Le nombre des chambres existant dans le four est une question de choix et ce nombre peut être adapté aux besoins Le four doit comporter au moins deux chambres pour une refusion ou refonte normale et il doit en comporter au moins trois si l'on fait fondre des déchets métalliques d'origine inconnue. Le four est chauffé par des électrodes 6, alimentées en courant alternatif, qui sont placées selon la demande locale en énergie Les électrodes 7 de puissance (ou5 électrodes alimentées par du courant fort) sont placées dans la chambre 52 des sels fondus, qui forme la zone de chauffage et donne ainsi au processus de fusion une masse liquide surchauffée de sels fondus Les zones hachurées indiquent du métal fondu, cependant que les zones non10 hachurées montrent la masse fondue des sels. La figure 2 présente le système ou dispositif d'ali- mentation en matière première pour la masse fondue des sels et pour la matière-brute Ce dispositif comporte les constituants principaux suivants: une pompe 8 pour la masse liquide des15 sels fondus, un conduit 9 d'alimentation, un agencement 10 pour répandre, par arrosage en pluie fine, de la masse fondue et un panier 11 perforé formant la zone de fusion du métal destiné à être fondu Le fond du panier 11 est situé au-dessus du niveau de liquide dans le four La pompe à sels fondus est placée dans la chambre 52, mais elle est équipée de conduits de transfert permettant d'envoyer de la masse de sels fondus vers un panier placé dans l'une des chambres Sl ou Ml La figure 2 montre également un agencement 12 d'alimentation pour l'introduction éventuelle de chlo- rure de manganèse en vue de produire, directement par refonte, des alliages de haute pureté. La figure 3 présente une coupe le long de la ligne A-A de la figure 2 On y voit également le système ou dis- positif d'alimentation en métal Une courroie transporteuse 13 fait continuellement passer des lingots ou des déchets de magnésium dans le panier 11 destiné à la fusion du métal L'appareil dans son ensemble peut être équipé d'un système 14 d'évent, qui est particulièrement intéressant si l'on fait fondre les déchets ou rebuts de métal contenant une matière huileuse. L'invention se fonde notamment sur l'utilisation de la masse des sels fondus pour provoquer la refonte ou refu- sion du métal Le métal est fondu par son contact avec une masse surchauffée de sels fondus, de sorte que l'énergie nécessaire pour le chauffage et la fusion est transférée de la masse des sels fondus au métal Quand on fait fondre des alliages, on utilise par exemple une masse fondue qui est chauffée à environ 100 OC au-dessus de la température de fusion de 1 alliage On fait varier le degré de surchauffe selon la nature de la matière fondue et selon la vitesse souhaitée pour la fusion Puisque le chauffage par courant alternatif est créé directement dans la masse fondue, on obtient une très grande efficacité, correspondant à un rendement d'environ 90 % en comparaison d'un rendement d'environ 43 % dans le cas d'un chauffage par induction. Cette méthode de chauffage procure un bien plus grand effet thermique, dans l'unité de volume, qu'un autre genre de transfert de chaleur Une valeur typique est de 1 MW par mètre cube. Il est important de maintenir une différence de 0,1 à 0,4 g/cm 3 entre la masse volumique des sels fondus et la masse volumique du métal, afin d'obtenir une bonne sépara- tion entre métal et masse des sels fondus De préférence, on utilise des masses de sels fondus présentant, par rapport au métal liquide, une différence de masse volumique de 0,2 à 0,3 g/cm Il vaut mieux utiliser une composition de sels fondus riche en chlorure de calcium et contenant également du fluorure de calcium On utilise couramment des masses fondues présentant une teneur de 25 à 80 % en chlorure de calcium et de 1 à 10 % en fluorure de calcium On préfère des masses de sels fondus contenant 40 à 60 * de chlorure de calcium et 3 à 7 % de fluorure de calcium Le reste de la masse des sels fondus peut consister en du chlorure de sodium et en du chlorure de magnésium, mais l'on peut éga- lement prévoir une forte teneur en du chlorure de potas- sium On peut également utiliser des compositions de sels fondus contenant du chlorure de baryum, pour obtenir la différence voulue entre les masses volumiques. Le métal que l'on doit faire fondre peut appartenir à différentes sortes ou qualités Lorsqu'il faut soumettre à la fusion du métal de rebut ou de récupération connu et bien défini, le panier 11 est à placer dans la chambre Ml. La masse des sels fondus est pompée de la chambre 52 en passant par la pompe 8, le conduit 9 d'alimentation et de transfert et l'agencement 10 d'arrosage La masse des sels chauds fondus est envoyée arroser les déchets de métal qui fondent progressivement Pour distribuer de la meilleure façon possible la masse des sels fondus sur le métal, le dispositif d'arrosage a la forme d'un cadre rectangulaire. La masse fondue est ainsi étalée sur l'ensemble des quatre côtés en plusieurs rangées d'ouvertures et cette masse fondue descend sur le métal La grande surface de contact entre le métal et les sels fondus, fournis par arrosage, provoque un transfert efficace de chaleur La masse des sels fondus a une conductivité thermique médiocre Il est essentiel que la masse des sels fondus ne présente qu'une -faible différence seulement de température entre ses parties et que la différence de température entre la masse des sels fondus et le métal soit grande Pour maîtriser la diffé- rence de température dans la masse des sels fondus, la vitesse ou le taux de circulation constitue une variable importante Ce taux de circulation doit être de l'ordre de 5 à 30 t de la masse des sels fondus par tonne de magnésium que l'on fait fondre On préfère utiliser 7 à 20 t de la masse des sels fondus par tonne de magnésium Une valeur typique est de 13 t des sels par tonne de magnésium, et-de- faire fondre 2 à 3 t de magnésium par heure. Ce procédé de fusion donne également une bonne pro- tection contre une oxydation La totalité du métal et des déchets sera ainsi recouverte par du sel L'étalement de l'arrosage par des sels fondus provoque une fusion rapide du métal, ce qui a pour conséquence que le métal ne reste pas longtemps soumis à un processus de chauffage Ce métal fond et le métal ainsi fondu goutte et/ou s'écoule en con- tinu pour descendre dans la chambre de collecte de métal. Il ne se produit aucun chauffage d'une matière qui ne soit pas couverte par des sels, ce qui évite donc aussi une oxydation Il n'est pas nécessaire de préchauffer le métal destiné à être fondu La présence éventuelle d'humidité n'a plus une grande importance, puisqu'il n'y a jamais mélan- geage entre le métal solide et le métal liquide. Le procédé donne également un effet idéal de raffi- nage lorsque le métal est soumis à fusion sous l'effet de son arrosage par la masse des sels fondus Pendant le pro- cédé de raffinage, il est important de séparer les oxydes et le métal Les oxydes se trouvent à la surface du métal, ils sont efficacement enlevés par le ou les sels et sont conduits vers la masse des sels fondus en étant ainsi séparés du métal Dans le cas d'une fusion traditionnelle, le ou les oxydes ainsi que le métal se mélangent et pénè- trent dans la phase de métal Dans le procédé selon la présente invention, dès que le métal est fondu, ce métal fondu s'échappe par écoulement du panier Le temps de séjour du métal liquide dans le panier est très bref et le métal quitte le panier en étant à sa température de fusion. Le métal est chauffé à une température légèrement supé- rieure seulement à son point de fusion nce qui provoque une précipitation immédiate des particules intermétalliques. Pour produire des alliages très purs, on peut fournir directement du sel de manganèse incorporé par fusion Le panier 11 servant à la fusion du métal est en de l'acier ordinaire mais, au point de fusion du magnésium et/ou des alliages de magnésium, la solubilité du fer est si petite qu'il ne va pas contaminer le magnésium métallique et/ou les alliages de magnésium. Au cours de ces opérations, le métal liquide va s'écouler par les ouvertures 3 ménagées dans les cloisons 2, pour traverser les chambres suivantes de collecte de métal et parvenir à la chambre M 4 à l'extrémité de sortie, d'o l'on peut enlever ce métal par exemple à l'aide d'une pompe centrifuge ou d'un chariot ou wagon à dépression. Pendant le lent transfert calme d'une chambre de collecte à une autre dans le four contenant une masse fondue de sels, les impuretés solides non métalliques, qui ont été mouil- lées par les sels,précipiteront et seront collectées au bas du four, d'o ces impuretés peuvent être enlevées. Lorsqu'il s'agit de faire fondre des déchets ou des métaux de récupération dont la composition est inconnue, on charge le métal dans le panier 11 situé dans la chambre Si. Faire fondre le métal dans la chambre Si donne la possibi- lité d'effectuer des prises d'échantillon, un raffinage supplémentaire, un ajustement des variables caractérisant la masse des sels fondus, la possibilité d'effectuer des alliages avec d'autres métaux, etc Lorsque l'on trouve acceptables les caractéristiques de composition, de pureté, etc, du métal se trouvant dans la chambre Si, on peut en transférer le contenu dans la chambre Ml ou dans une autre unité de la fonderie, en vue d'une utilisation ultérieure Les déchets, rebuts ou métaux de récupération peuvent contenir par exemple des pièces comme des vis, des douilles ou raccords, etc, qui sont par exemple en cuivre ou en nickel et qui, dans les opérations habituelles de refonte, risquent de détruire la bonne qualité de la tota- lité du métal traité Quand on effectue une refonte du métal en utilisant pour cela une masse de sels fondus, de tels objets (hétérogènes) resteront dans le panier Le nickel et le cuivre, par exemple, peuvent totalement résister à la masse fondue des sels et, comme on enlève immédiatement le métal liquide, ce métal ne sera pas pollué. Le procédé donne également la possibilité de soumet- tre à la fusion des déchets de métal contenant de l'huile, comme, par exemple, des copeaux d'usinage L'huile va s'évaporer et risque de prendre feu, et il sera alors nécessaire d'en assurer la combustion dans le circuit des gaz La quantité d'huile que l'on peut tolérer va dépendre de la capacité de refroidissement et d'épuration des gaz. Les exemples non limitatifs suivants sont destinés à expliciter encore mieux l'invention. Exemple 1 On a fait fondre ensemble 325 kg de morceaux et copeaux d'un alliage de magnésium AZ 91 On a utilisé une masse des sels fondus consistant en 57 % de Ca Cl 2 r 31,1 % de Na Cl, 4,5 % de K Cl, 3,5 % de Mg C 12 et 3,5 % de Ca F 2 On a étalé les morceaux et copeaux sur six cylindres Lors de la refonte, on a mesuré la vitesse de fusion dans le cas de quatre des six cylindres comportant des copeaux Les résul- tats des mesures se sont situés entre 3 360 kg/h et 6 000 kg/h, avec des temps de fusion de 40 à 45 S par panier, voir tableau 1. Tableau 1 Mesure de la vitesse de refonte de copeaux de l'alliage de magnésium AZ 91 Type Cylin Poids Temps, Vitesse Tempéra Taille* dre N O (kg) S de fusion ture de (mm) kg/h fusion,0 C AZ 91 2 65 45 5200 763-743 1 = 0,5-4,5 L= 4-17 AZ 91 3 42 40 3360 765-760 mélange, mor- ceaux courts 4 morceaux longs AZ 91 5 49 40 3920 770-759 1 = 0,5-2,5 L= 2,5-6 AZ 91 6 75 45 6000 770-752 1 = 0,5-3 L= 2-4 * 1 = largeur; L = longueur des morceaux ou copeaux Dans les cylindres n's 5 et 6, les morceaux de copeaux ont été finement divisés Les expériences se sont déroulées de manière satisfaisante sans formation de métal dispersé dans la masse fondue des sels Après la fusion, le bain des sels fondus contenait 0,053 % de Mg et 0,049 % de Mg O. Exemple 2 On a effectué des expériences de refonte de déchets d'alliage, pour mesurer la formation de boues En tout, on a introduit de manière discontinue dans le panier 8 500 kg de rebuts de pièces coulées en AZ 91 jusqu'à 1 m au-dessus du dispositif d'arrosage A mesure que le métal a fondu et5 s'est écoulé hors du panier perforé, les pièces coulées se sont abaissées vers le bas du panier Pendant que la fusion se produisait, la température de fusion a présenté une chute en passant de 770-780 OC à environ 700 OC La teneur en chlorure de calcium dans la masse fondue en circulation était de 45,7-44,2 % et la teneur en fluorure de calcium a varié de 2,75 à 2,4 % La teneur en Mg O a varié entre 0,04 et 0,65 %, et la teneur en Mg a varié entre 0,027 et 3,43 % La formation de boue a correspondu à 70,6 kg de boue par tonne de magnésium métallique La boue contenait 11,5 kg de Mg par tonne de Mg fondu La teneur en Mg O de la boue a été de 14,9 kg par tonne de magnésium fondu. La perte de métal mécaniquement lié dans la boue, quand on a utilisé une matière de départ pure, représente 0,1 à 0,2 % du poids du produit Quand on fait fondre des copeaux d'un alliage très corrodé et humide, on obtient 3 à % de magnésium mécaniquement lié dans la boue Avec une qualité moins onéreuse de copeaux relativement secs, on obtient une perte en métal de 0,6 % De plus, la perte en métal comprend du magnésium métallique qui forme des com- posés au cours de sa fusion Quand on fait fondre des produits lourds en magnésium pur, la teneur en oxyde dans les sels est d'environ 0,2 % et, dans le cas des copeaux, cette teneur est d'environ 0,6 %. Lorsqu'on fait fondre et que l'on raffine des déchets d'alliage, le pourcentage moyen de récupération sera de 98 à 99,5 %, selon la qualité des déchets du métal de récupération On peut calculer une perte supplémentaire si l'on ajoute du chlorure de magnésium afin de fabriquer un produit extra pur Il y a consommation de magnésium métallique lorsque celui-ci réduit le chlorure de manganèse en du manganèse métallique comme constituant destiné à précipiter le fer La quantité de chlorure de manganèse il nécessaire est proportionnelle à la teneur en fer de l'alliage à traiter et à purifier. A titre comparatif, on peut-mentionner que dans le cas de la fusion traditionnelle dans un creuset en acier chauffé de l'extérieur, on obtient un rendement en métal de l'ordre de 88 à 94 % Pour un four à induction comportant un creuset en matériau céramique et une utilisation effi- cace de fondant, le rendement peut atteindre 95 à 96 % En effectuant la fusion totalement dans les fours comportant des creusets, on obtient de plus grandes quantités de boue en raison de la plus grande perte par fusion de Mg, de la plus grande consommation de fondant, de la refonte discon- tinue par charges ou lots et du bref temps de contact entre la boue/masse fondue et le métal liquide Une quantité typique de boue que l'on obtient en cas de refonte tradi- tionnelle est de 170 kg par tonne de métal fondu. La présente invention permet ainsi de fondre à nou- veau (opération de refonte ou de refusion) une large gamme de métal de récupération ou de rebut formé par des alliages de magnésium, en obtenant un pourcentage élevé de récupéra- tion du métal Une refonte rapide et un enlèvement rapide du métal liquide empêchent une oxydation de ce métal Il ne se produit pas de chauffage de métal qui ne soit recouvert de la masse fondue de sel et il n'y a pas de contact entre du métal solide et du métal liquide Cela permet donc aussi d'utiliser du métal ayant une certaine teneur en humidité, sans devoir le chauffer au préalable Le procédé permet une bonne utilisation de l'énergie avec formation et dégagement de chaleur directement dans la masse fondue des sels et circulation de cette masse fondue On peut également sou- mettre à refusion, dans le même four, des déchets d'une origine inconnue car les impuretés fondues peuvent être séparées du reste du métal dans le four. REVENDICATIONS 1 Procédé pour faire fondre à nouveau et raffiner du magnésium métallique ou des alliages de magnésium, caractérisé en ce qu'on fait fondre à nouveau le métal en le mettant en contact avec une masse de sels surchauffés et fondus, de façon que l'énergie nécessaire pour le chauffage et la fusion passe par transfert de la masse fondue des sels au métal. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on maintient entre 0,1 et 0,4 g/cm, de préférence entre 0,2 et 0,3 g/cm, la différence de masse volumique entre le métal et la masse fondue des sels. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on utilise une masse fondue de sels contenant 25 à 80 % de chlorure de calcium et 1 à 10 % de fluorure de calcium, et contenant notamment 40 à 60 % de chlorure de calcium et 3 à 7 % de fluorure de calcium. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait circuler la masse des sels fondus depuis les parties inférieures d'un four ( 1) en passant par une zone ( 52) de chauffage et l'on transfère cette masse vers une zone ( 11) de fusion du métal, située à une certaine dis- tance du niveau du fluide dans le four et dans laquelle la masse de sels fondus est distribuée sur le métal, de sorte que le métal fond et est retiré de la zone de fusion. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le taux de circulation est maintenu à 5 à 30 t, notamment 7 à 20 t, de sels fondus par tonne de métal. 6 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un chauffage par courant alternatif pour engendrer de la chaleur directement dans la masse fondue des sels. 7 Four ( 1) pour effectuer la fusion à nouveau (refonte ou refusion) et le raffinage de magnésium et d'alliages de magnésium, le four consistant en un châssis avec un revêtement réfractaire, en étant divisé en au moins deux chambres par deux cloisons ( 2) verticales, four caractérisé en ce qu'il comporte une chambre ( 52) pour chauffer une masse de sels fondus et dans laquelle se trouve un dispositif ( 8, 9) pour transférer des sels fondusafin de faire fondre du métal solide placé à une certaine distance du niveau du bain de matière fondue dans le four. 8 Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que des électrodes ( 7),alimentées en courant alternatif, sont disposées dans la chambre ( 52) contenant les sels fondus. 9 Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que ce four ( 1) comporte au moins trois chambres, dont une (Si) est séparée du reste des chambres du four par une cloison ( 4) imperméable, disposée à une certaine distance du fond du four, et dans laquelle un panier ( 11) perforé est placé en vue de l'opération de fusion du métal impur.