Brevet FR2667613A1 — publié le 19920410

L'invention se rapporte à un procédé d'extraction du zinc présent dans la fonte liquide. L'invention concerne également les moyens pour la mise en oeuvre du procédé précité et les produits ainsi obtenus. Plus particulièrement, mais non exclusivement, l'invention concerne un procédé applicable en milieu industriel et spécialement dans un atelier de fonderie. Précisément, mais non limitativement, l'invention concerne l'élimination du zinc dans de la fonte issue d'une fusion de matériau ferreux de récupération. La généralisation du processus de galvanisation des aciers en vue de leur protection contre la corrosion a en effet pour conséquence la présence de plus en plus fréquente de zinc dans les ferrailles de récupération. Ce zinc qui se retrouve dans la fonte produite à partir de ferrailles du type précite presente des inconvénients dont celui d'inhiber l'action du magnésium utilise pour assurer dans ladite fonte la formation de graphite spheroldal ("Effets du zinc introduit dans les charges en fonderie de fonte" - S. PARENT-SIMONIN - FONDEUR D'AUJOURD'HUI N" 62 - 1987). On sait que la quantité de zinc susceptible de se retrouver en solution dans la fonte liquide ne peut pas, physiquement, depasser une certaine valeur qui est fonction de la température, de la pression et de la composition de la fonte. On admet que la teneur maximale en zinc d'une fonte classique (fer liquide saturé en carbone) sous une pression d'air égale à la pression atmosphérique normale de i bar est de 2,2 % à 1200"C, 1,6 % à 1300"C, 1,2 % à 1400"C et 0,9 % à 15000C. Dans la pratique, les teneurs rencontrées ne sont pas aussi elevees que les teneurs maximales qui viennent d'être données. Elles sont en général de l'ordre de 0,2 % et n'excèdent que rarement, du moins en 1990, la valeur de 0,4 /. Il s'avère que même présent dans la fonte à une teneur de 0,1 % soit 1000 ppm, le zinc reste gênant. Les techniques actuellement proposées pour éliminer le zinc consistent, avant fusion, soit à traiter les ferrailles à une température supérieure à 910 C afin d'atteindre la température d'ébullition du zinc afin de volatiliser celui-ci, soit à traiter chimiquement les déchets et poussières par un agent réducteur, puis à récupérer le zinc. La technique selon l'invention a pour but d'éliminer le zinc non pas dans la ferraille mais dans la fonte liquide, le traitement correspondant pouvant être effectue soit pendant que la fonte liquide est maintenue en température dans un four à induction, soit dans une poche située entre la sortie du four et le poste de coulée de la fonte. Classiquement la température de la fonte liquide se situe dans l'intervalle 1100-1600"C. Il s'agit bien sûr de valeurs extrêmes, car dans la pratique, on évite de descendre au dessous de 1300"C et egalement de chauffer au dessus de 1500"C. Une température moyenne de 1400"C constitue un bon compromis entre les differentes contraintes. La fraction de zinc dissous dans cette fonte liquide dépassant la teneur maximale s'evapore naturellement progressivement et ce d'autant plus rapidement que sa concentration initiale était élevée. C'est donc la partie non négligeable de zinc qui reste naturellement en solution dans la fonte liquide et de ce fait dit "zinc résiduel" que l'invention a pour but sinon d'éliminer totalement au moins d'en abaisser la concentration dans le bain. A cet effet l'invention a pour objet un procédé notamment caractérisé en ce que, avant le poste de coulée de la fonte - dans un premier temps, la fonte étant contenue dans un récipient, on confine de manière étanche le volume gazeux situé au dessus du bain de fonte, - dans un second temps, on impose dans l'atmosphère confinée un vide partiel variable de façon contrôlée pour l'ajuster constamment à une valeur prédéterminée en fonction de l'évolution dans le temps de la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain, cette valeur prédéterminée étant t an t au moins légèrement supérieure à cette pression de vapeur saturante et, - on piège ledit zinc. L'invention a également pour objet les moyens en vue de la mise en oeuvre du procédé et les produits ainsi obtenus. Cette invention sera bien comprise à la lecture de la description ci-après faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexe qui represente schématiquement - figure 1 : une installation pour la mise en oeuvre de l'invention, - figure 2 : une variante de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre de l'invention, - figure 3 : un graphique représentant l'évolution de la concentration du zinc en fonction du temps. En se reportant au dessin, on voit une installation 1 de fusion de fonte 2 et/ou de maintien à température d'un bain de fonte contenu dans un récipient 3 tel un creuset comprenant à sa partie supérieure 4 une ouverture 5 de chargement et/ou de coulée de la charge en fusion. Tel que l'on peut le concevoir, au moins entre le plan de l'ouverture 4 du creuset et le plan qui constitue la surface libre 6 du bain, s'étend un volume 7 dans lequel règne une atmosphère gazeuse qui communique au bain une certaine pression via sa surface libre superieure. Tel que cela est connu, la propension d'une substance à s'évaporer d'un milieu liquide dans lequel elle se trouve en solution à une temperature donnée dépend de la pression de vapeur saturante (tension de vapeur) de cette substance à la température considérée. De même, on sait que la temperature d'ébullition d'un liquide sous une pression donnée est égale à la température pour laquelle sa tension de vapeur est égale à la pression considérée. De ce fait si, à température constante, on abaisse la pression de l'atmosphère qui règne au dessus du bain de fonte chargee de zinc, en premier lieu on tend à induire l'évaporation du zinc. L'invention exploite ce phénomène en remédiant aux inconvénients qui se produiraient si la pression de l'atmosphere située au dessus du bain était incontrolée. En effet l'abaissement excessif de la pression gazeuse exercee à la surface supérieure du bain induirait la brusque vaporisation du zinc, ce qui provoquerait de violentes projections de fonte liquide. Compte-tenu de la temperature de la fonte liquide, il est donc souhaitable de modérer l'évaporation du zinc. A cet effet, selon l'invention, avant l'utilisation du bain pour la coulée de pièces - dans un premier temps, on-confine de manière etanche le volume gazeux 7 situe dans le recipient 3 au dessus du bain de fonte 2, - dans un second temps, on impose dans l'atmosphère confinée un vide partiel variable de façon contrôlée pour l'ajuster constamment à une valeur prédéterminée en fonction de l'évolution dans le temps de la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain cette valeur prédéterminée étant au moins légèrement superieure à cette pression de vapeur saturante et, - on piège ledit zinc. t Afin d'imposer le vide partiel, on extrait de manière contrôlée le fluide gazeux qui constitue l'atmosphère confinée et ce, de manière , en un temps prédéterminé, abaisser progressivement la pression de l'atmosphère confinée jusqu'à une valeur également prédéterminée mais supérieure à la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain puis, - on maintient cette pression pendant un temps prédétermine, Notamment lorsque le piégeage du zinc s'opère loin de la surface supérieure du bain, on s'assure que les vapeurs de zinc ne puissent se condenser au dessus du bain puis retomber dans celui-ci. Conformément à l'invention, afin de s'assurer que les vapeurs de zinc ne puissent se condenser au dessus du bain, on les écarte dudit bain puis, pendant le transport du fluide gazeux, on réchauffe celui-ci afin d'éviter la condensation. Pour le piégeage proprement dit dans une première forme de realisation, au loin du bain on traite le fluide gazeux extrait du récipient de manière à en condenser les vapeurs de zinc. Dans une variante de réalisation, on oxyde le zinc et à cet effet cependant qu'on extrait le fluide gazeux qui constitue l'atmosphère confinée, on injecte dans le recipient, sensiblement au droit de la surface du bain de fonte, un fluide gazeux oxydant et ce de manière à engendrer ladite oxydation du zinc dès la sortie des vapeurs dudit bain. Ensuite pour l'extraction de l'oxyde de zinc, on procède à un décrassage. Les moyens pour la mise en oeuvre de l'invention comprennent principalement (figure 1) - un moyen 8 de confinement du volume gazeux situé dans le récipient, au dessus du bain, - un moyen 9 pour imposer dans l'atmosphère un vide partiel variable de façon contrôlée et pour l'ajuster constamment à une valeur prédéterminée en fonction de l'évolution dans le temps de la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain, cette valeur prédéterminée étant au moins légèrement supérieure à cette pression de vapeur saturante et, - des moyens 11, 12 de piégeage du zinc. Le moyen 9 pour imposer un vide partiel contrôlé comprend au moins - un moyen 9a d'extraction du fluide gazeux présent dans le volume confiné, - un moyen 9b de commande du moyen d'extraction selon une loi prédéterminée de variation de pression. Le moyen 8 de confinement comprend essentiellement un couvercle ajusté de maniere étanche sur l'ouverture du recipient. Le moyen 9a d'extraction du fluide consiste, par exemple, en une pompe à vide raccordée à un orifice ménage dans le couvercle. Le moyen 9b de commande du moyen d'extraction selon la loi prédéterminée consiste, par exemple, quant à lui un automate programmable. Le moyen ll en vue de piéger le zinc comprend un moyen 8a en vue d'entraver la condensation des vapeurs de zinc au dessus du bain de fonte tel un canal 8a écartant le fluide gazeux du dessus du bain et ménagé dans le couvercle 8, lequel canal 8a est doté d'un moyen de chauffage 8c en vue d'entraver la condensation de zinc à son niveau. De préférence le couvercle 8 est conformé de manière telle que le canal 8a débouche à quelques centimètres de la surface libre du bain. Avantageusement le couvercle 8 est supporté par un vérin 8b quant à lui porté par un bati 8d, lequel vérin lors de l'ouverture permet de soulever le couvercle puis de l'effacer lateralement au récipient et vice versa lors de la fermeture. Pour le piégeage proprement dit, le moyen Il, 12 de piegeage consite dans une première forme 71 de réalisation en un moyen de condensation des vapeurs de zinc ecartees du dessus du bain. Par exemple ce moyen Il de condensation consiste en des anneaux de RASCHIG refroidis à l'eau. Dans une variante de réalisation (figure 2), le moyen 11, 12 de piegeage consiste en un moyen 12 d'oxydation du zinc tel un moyen d'introduction contrôlée d'un fluide gazeux oxydant au droit de la surface 6 du bain de fonte. L'entree de fluide gazeux oxydant tel de l'air dans le volume confiné est alors elle-même régulée et prise en compte pour determiner le vide partiel. Dans cette variante, le moyen 12 en vue d'engendrer la condensation des vapeurs de zinc au dessus du bain comprend d'une part un plateau 16 rigide dote d'une surface 17 sensiblement plane d'étendue approximativement égale à celle de la surface du bain et, d'autre part, un organe 13 de maintien dudit plateau tant à faible distance au dessus de la surface du bain qu'à une température supérieure à celle de vaporisation du zinc sous la pression contrôlée. Dans une forme préférée de réalisation, d'une part le fluide gazeux est injecté à travers le plateau 16 vers la surface du bain par un moyen 73b à cet effet via un conduit 13a, lequel conduit est de préférence constitué par l'organe 13 de maintien de plateau rigide à la distance requise et, d'autre part, le pl ateau rigide consi ste en un disque de matériau réfractaire. Sur la figure 3, la courbe A traduit la cinetique d'élimination du zinc à 1380"C sous 120 millibars (12 KILOPASCALS) tandis que la courbe B de la même figure traduit la cinétique d'élimination du zinc à 7380"C sous 500 millibars (50 KILOPASCALS). Sur la figure 3 le temps t est representé en abscisse tandis que les concentrations C sont portées en ordonnée. Le temps zéro est l'instant auquel la pression de travail est atteinte dans l'enceinte de confinement. A titre d'exemple, pour une masse de bain de 50 grammes, après le maintien d'une pression de 12 KILOPASCALS pendant 16 secondes, on obtient un rapport de masse de zinc sur masse totale de 0,014 % (et de 0,004 % pour un temps de 30 secondes de maintien). Sous une pression de 50 KILOPASCALS, le rapport de masse en % n'est que de 0,051 après un temps de maintien de 30 secondes. Le procédé de l'invention doit permettre d'abaisser la concentration de zinc en dessous du ppm. En pratique les analyses montrent que l'on descend facilement en dessous du seuil de détection des spectromètres à étincelles couramment utilisés, soit 10 ppm alors que, d'un point de vue métallurgique, une teneur residuelle de 50 ppm semble déjà representer une limite tout à fait acceptable. REVENDICATIONS 1. Procédé d'extraction du zinc en solution dans un bain de fonte liquide (2)contenue dans un récipient (3), tel un creuset en vue de la coulée de pièces de fonderie, lequel recipient contient en outre, au dessus de la surface libre (6) du bain de fonte qui est à température déterminée, un volume gazeux (7) qui communique audit bain, via la surface libre précitee, une pression egalement déterminée et notamment la pression atmosphérique, le zinc en solution ayant quant à lui à cette température une certaine tension de vapeur, ce procédé étant CARACTERISE en ce que avant l'utilisation du bain pour la coulée de pièces - dans un premier temps, on confine de manière étanche le volume gazeux (7) situé dans le récipient (3) au dessus du bain de fente (2), - dans un second temps, on impose dans l'atmosphère confinée un vide partiel variable de façon controlée pour l'ajuster constamment à une valeur prédéterminée en fonction de l'evolution dans le temps de la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain cette valeur prêdétermi née étant au moins légèrement supérieure à cette pression de vapeur saturante et, - on piège ledit zinc. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'afin d'imposer un vide partiel - on extrait de manière contrôlée le fluide gazeux qui constitue l'atmosphère confinée et ce, de manière à, en un temps prédéterminé, abaisser progressivement la pression de l'atmosphère confinée jusqu'à une valeur également prédéterminée mais supérieure à la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain puis, - on maintient cette pression pendant un temps prédéterminé. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que lorsque le piégeage du zinc s'opère loin de la surface supérieure du bain, on s'assure que les vapeurs de zinc ne puissent se condenser au dessus du bain puis retomber dans ce fluide. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'afin de s'assurer que les vapeurs de zinc ne puissent se condenser au dessus du bain, on l'écarte dudit bain puis, pendant le transport du fluide gazeux, on réchauffe celui-ci. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendication 1 à 4 caractérisé en ce qu'afin de pieger le zinc, au loin du bain on traite le fluide gazeux extrait du recipient de manière à en condenser les vapeurs de zinc. 6. Procéde selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que cependant qu'on extrait le fluide gazeux qui constitue i'atmosphèTe confinée, on injecte dans le recipient, sensiblement au droit de la surface du bain de fonte, un fluide gazeux oxydant de manière à engendrer l'oxydation des vapeurs de zinc issues dudit bain. 7. Moyens en vue de la mise en oeuvre du procedé selon l'une quelconque des revendications I à 6 caractérisés en ce qu'ils comprennent principalement - un moyen (8) de confinement du volume gazeux situe dans le récipient, au dessus du bain, - un moyen (9) pour imposer dans l'atmosphère un vide partiel variable de façon contrôlée et pour l'ajuster constamment à une valeur prédéterminée en fonction de l'evolution dans le temps de la pression de vapeur saturante du zinc en solution dans la fonte à la température du bain, cette valeur prédéterminée étant au moins légèrement supérieure à cette pression de vapeur saturante et, - un moyen (11, 12) de piégeage du zinc. 8. Moyens selon la revendication 7 caractérisés en ce le moyen (9) pour imposer un vide partiel contrôlé comprend au moins - un moyen (9a) d'extraction du fluide gazeux présent dans le volume confiné, - un moyen (9b) de commande du moyen d'extraction selon une loi prédéterminée de variation de pression. 9. Moyens selon la revendication 7 ou 8 caractérisés en ce que le moyen (12) de piégeage consiste en un moyen d'oxydation du zinc au droit de la surface (6) du bain de fonte. 10. Moyens selon la revendication 9 caractérisés en ce que le moyen (12) en vue d'engendrer la condensation des vapeurs de zinc au dessus du bain comprend - un plateau (16) rigide doté d'une surface (17) sensiblement plane d'etendue approximativement égale à celle de la surface du bain, - un organe (13) de maintien dudit plateau tant à faible distance au dessus de la surface du bain qu'à une température supérieure à celle de vaporisation du zinc sous la pression contrôlée, - un conduit (13a) de guidage d'un fluide gazeux oxydant lequel conduit débouche à travers le plateau (16) au droit de la surface (6) du bain, - un moyen (13b) d'injection du fluide gazeux dans le conduit (13a) précité.