Brevet FR2680326A1 — publié le 19930219

PROCEDE, UNITE ET INSTALLATION DE REGENERATION PAR CALCINATION DE SABLES DE FONDERIE La présente invention est relative au domaine de la fonderie et elle vise, plus particulièrement, les fonderies développant des procédés de moulage en sables contenant des résines. Les procédés de moulage en sables auto-durcissants font intervenir, en tant que matériaux constitutifs des moules, du sable préalablement traité, de manière que les grains soient enrobés de produits chimiques appropriés destinés à réagir, naturellement ou par apport de chaleur, pour établir des liens de cohésion entre les grains et conférer aux moules obtenus une cohésion leur permettant de supporter les contraintes mécaniques et thermiques des différentes phases de moulage. Les différents procédés connus permettent d'obtenir des pièces de très bonne qualité mais représentent une source de pollution excessivement élevée, en raison du nombre important de tonnes de sables utilisées par chaque fonderie et qui doivent être normalement rebutés après utilisation, en raison de la présence des differents produits chimiques enrobant les grains de sables. Il a donc été recherché, depuis déjà quelques temps, des procédés visant à permettre la récupération des vieux sables de fonderie. Plusieurs procédés ont été proposés en faisant intervenir une technique de régénération mécanique consistant à frotter les grains de sables les uns contre Les autres pour provoquer leur désenrobage. Une technique complémentaire consiste à les projeter violemment contre des écrans ou blindages pour faire éclater la gangue les entourant. Une autre technique consiste à procéder au lavage du sable à haute pression, dans la mesure où les produits chimiques utilisés sont solubles dans l'eau. Un troisième procédé consiste à introduire le sable à régénérer dans un four au sein duquel une calcination de la gangue intervient. L'invention concerne, plus particulièrement, ce troisième procédé de traitement qui fait, généralement, intervenir la constitution d'un lit de sable fluidisé dans un four vertical alimenté par une trémie de stockage et à partir duquel le sable régénéré est extrait pour être passé dans un refoidisseur à fin de réutilisation ultérieure. Dans les installations connues, le four est alimenté, en partie haute, sensiblement au niveau supérieur du lit de sable fluidisé, et L'extraction du sable régénéré s'effectue sensiblement au même niveau. La fluidisation et ta calcination sont assurées par Les gaz de combustion d'un brûleur dont l'échappement s'effectue sous le lit de fluidisation. Les gaz de combustion traversent le sable, en assurent la fluidisation et, simultanément, la montée en température, pour provoquer la calcination des produits d'enrobage. Les fumées sont évacuées par une cheminée possédant des systèmes d'échange de chaleur, de dépoussiérage et de dépollution. Des installations du type ci-dessus ne donnent pas satisfaction pour différentes raisons. Pour qu'un four du type ci-dessus puisse fonctionner dans des conditions satisfaisantes, il est nécessaire de le constituer avec un revêtement et une sole ajourés réfractaires, étant donné la température élevée qui doit être imposée au sable. La présence de garnissage réfractaire pose un problème connu de tenue dans Le temps, car le sable chaud possède une propension notable à détériorer le liant interface des briques réfractaires. Par ailleurs, il est connu qu'un revêtement réfractaire de ce type doit faire intervenir un procédé de conduite relativement précis pour éviter les chocs thermiques qui sont susceptibles de nuire à son intégrité. Une telle obligation supprime pratiquement une flexibilité de charge de travail puisque les conditions thermiques et, par conséquent, d'alimentation du sable à régénérer, doivent être les plus constantes possibles. On conçoit qu'avec une installation de ce type il est difficile de mettre le four de calcination en état de veille lorsqu'il convient d'adapter le fonctionnement de l'installation à des fluctuations de production de sables à régénérer. Un autre inconvénient d'une telle installation réside dans le fait que le Lit de sable fluidisé possède, en raison même des conditions d'alimentation et d'extraction, une faible hauteur de charge. Il devient donc particulièrement délicat, et surtout aléatoire, de contrôler le temps de séjour de chaque grain à l'intérieur de la masse fluidisée et d'apprécier, en conséquence, si le traitement de calcination aboutit correctement à la destruction de L'enrobage des grains. Par ailleurs, une telle installation ne permet pas, en raison même de la faible hauteur du lit fluidisée et surtout de L'apport en surface, de traiter les gaz produits qui sont ainsi évacués, à moins de traverser une installation spécifique de traitement. Il convient de citer, par ailleurs, l'obligation de faire fonctionner le brûleur sous des conditions bien particulières, de manière que les gaz de combustion véhiculent un certain pourcentage d'oxygène nécessaire à la combustion des produits chimiques d'enrobage. Un tel fonctionnement, avec un excès d'air relativement important, ne permet pas d'obtenir une combustion dans les meilleures conditions et à un prix de revient acceptable. Il est connu que la combustion interne des produits d'enrobage génère un apport de calories qui doit, normalement, être pris en considération pour réguler convenablement le procédé de calcination. Dans une installation du type ci-dessus, un tel apport de calories n'est que difficilement appréciable et, surtout, ne permet pas du tout un pilotage en modulation de fonctionnement du brûleur qui, en règle générale, ne peut connaître que de faibles changements d'allure de marche. En raison d'un temps de séjour court et en tout cas aléatoire à l'intérieur du four, un tel procédé ne permet pas de contrôler exactement le déplacement ascendant et la combustion des fines éventuelles qui peuvent ainsi, après un temps de séjour particulièrement bref, être évacuées par les gaz de combustion. Une fonction de filtration importante est donc toujours à considérer pour les fumées émises par le four. Il importe, également, de noter que les gaz de combustion du brûleur peuvent, dans de nombreux cas, recéler une proportion de soufre non négligeable ayant pour effet de polluer le sable en cours de régénération et de le rendre impropre à une réutilisation ultérieure. Un autre inconvénient, non négligeable, réside dans l'encombrement vertical de telles installations qui, par ailleurs, ne peuvent pas être pratiquement réalisées sous une forme modulable, en vue de leur conférer une flexibilité de mise en service en fonction des besoins. La présente invention vise à remédier aux différents inconvénients ci-dessus en proposant un nouveau procédé, une nouvelle unité, ainsi qu'une installation de régénération par calcination, permettant une grande souplesse de fonctionnement, un contrôle précis de l'énergie de chauffage dépensée en fonction de L'apport de calories produit par la phase de calcination, une connaissance et un contrôle précis du temps de séjour des grains à l'intérieur du lit fluidisé. Pour atteindre ces objectifs, L'objet de L'invention est caractérisé en ce que le procédé de régénération consiste à - constituer une masse de sable dans une enceinte de confinement de manière à lui conférer une hauteur de charge constante, - apporter le sable pollué à la partie basse de L'enceinte, - fluidiser ladite masse par injection à la base d'un fluide sous pression, - chauffer ladite masse par un procédé statique, - extraire le sable régénéré par calcination à partir du niveau supérieur de La masse. L'invention a encore pour objet une unité de régénération caractérisée en ce que - les moyens d'apport assurent l'alimentation du sable à régénérer à la partie basse du four, - les moyens d'extraction assurent la reprise du sable régénéré à partir du niveau supérieur du lit fluidisé, - les moyens de chauffage assurent un chauffage statique de la masse de sable confiné dans le four, - les moyens de fluidisation consistent en des buses d'injection d'un fluide depuis la partie basse du four. L'invention a encore pour objet une installation de régénération faisant intervenir Le procédé et au moins une unité du type ci-dessus. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de L'invention. La fig- 1 est une coupe-élévation d'une unité de régénération conforme à L'invention. La fig- 2 est une vue schématique d'une installation de régénération mettant en oeuvre Les moyens de L'invention. La figez 1 montre une unité de régénération de sables pollués comprenant un four de calcination 1 délimitant une enceinte 2 de confinement d'une masse 3 de sables pollués à régénérer. Selon L'invention, le four 1 comprend un bâti 4 dont la base est entourée par une jupe isolante 5. Le bâti 4 comporte une plate-forme 6 à partir de laquelle s'élève une jaquette isolante 7 à même d'être fermée, en partie supérieure, par un chapeau 8, également isolant. Le caractère isolant de la jupe 5, de La jaquette 7 et du chapeau 8 doit être considéré au plan de L'échange thermique par rapport au mi lieu ambiant et, plus particulièrement, pour constituer une barrière limitant la propagation des calories depuis l'intérieur du four vers le mi lieu environnant. A cette fin, différents types de matériaux peuvent convenir pour constituer la jupe 5, la jaquette 7 et le chapeau 8 et ceux généralement retenus le sont pour leur bonne qualité de résistance mécanique. La plate-forme 6 supporte une cuve 9, de préférence de type cylindrique et d'axe vertical, dont le fond 10 est muni de pieds ou analogues 11 prenant appui sur la plate-forme 6 qui possède, dans sa partie centrale, une ouverture 12 dont la fonction apparaît dans ce qui suit. La cuve 9 possède un double fond 13 sur lequel sont fixées des buses de fluidisation 14 s'ouvrant à l'intérieur de la cuve et qui sont en relation avec un circuit 15 de fourniture d'un fluide gazeux sous pression.Un tel fluide gazeux est choisi pour son caractère comburant pour les produits d'enrobage du sable et, par exemple, un tel fluide peut être simplement de L'air comprimé délivré sous une pression comprise entre 10 000 et 50 000 Pa effectifs mesurée au point 17 ou, encore, à un débit permettant une vitesse ascencionnelle de L'air au dessus du lit fluidisé 3 comprise entre 5 et 50 cm/S. Selon la disposition retenue, les buses 14 débouchent entre le fond 10 et le double fond 13 qui définissent entre eux un collecteur 16 d'admission et de répartition de pression. Les buses 14 sont, de préférence, dirigées parallèlement à L'axe vertical de la cuve, bien que des orientations faiblement inclinées relativement peuvent aussi être envisagées. En outre, les ouvertures de buses sont réalisées en forme de tuyère à chapeau. Le raccordement entre le fond 10 et le circuit 15 est assuré par une tubulure 17 qui traverse l'ouverture 12, sensiblement parallèlement à une tubulure 18 raccordée au double fond 13 et à même de permettre, lorsque cela est souhaité, une vidange éventuelle de la masse 3. La cuve 9 est associée à des moyens 19 d'approvisionnement ou d'alimentation en sables à régénérer. De tels moyens 19 peuvent consister, au sens de L'invention, en une gaine 20 contenant une vis sans fin 21 débouchant à la partie basse de la cuve 9, sensiblement au niveau du double fond 13. La vis 21 est entraînée en rotation, continue ou alternative, par un moteur, par exemple électrique, dont l'alimentation est asservie à tout moyen de contrôle de la hauteur de la masse 3 dans la cuve 9. Les moyens 19 pourraient aussi être constituées par une injection pneumatique du type pulsé à vanne d'isolation. Selon L'invention, la hauteur de la masse 3 est prévue constante, par l'intermédiaire de moyens 22 d'extraction de sables régénérés comprenant, par exemple, une gaine 23 et une vis d'extraction sans fin 24, elle aussi entraînée en rotation de façon identique ou similaire à ce qui est prévu pour les moyens d'alimentation 19. Les gaines 20 et 22 sont mécaniquement adaptées de façon étanche sur la cuve 9 et traversent la jaquette 7 par des manchons isolants 25 et 26. Les moyens d'extraction pourraient aussi faire intervenir, en remplacement, un simple écoulement gravitaire à partir d'un déversoir de niveau ou encore une extraction fluidisée par les gaz de fluidisation et de combustion en prévoyant de pouvoir fermer la tubulure 28 et de prévoir un échappement à partir d'une capacité de transfert recevant le sable extrait régénéré. La cuve 9 est fermée par un couvercle 27 à partir duquel s'élève une cheminée 28 traversant le chapeau 8 et raccordée à un circuit 29 d'évacuation de fumées et de filtration de tous types connus. L'unité de régénération comporte, par ailleurs, des moyens de chauffage 30 qui sont constitués par des moyens statiques à même d'assurer Le chauffage de la masse 3. De tels moyens sont, de préférence, constitués par des résistances électriques 31 disposées dans l'intervalle 32 séparant la cuve 9 de la jaquette 7, en étant réparties sur toute la périphérie de la cuve pour couvrir la hauteur correspondant à celle de charge de la masse 3 à l'intérieur de la cuve 9. Les moyens de chauffage 30 pourraient aussi consister en des cannes ou des serpentins plongeant à l'intérieur de la masse 3 pour y apporter des calories fournies par des résistances électriques ou, encore, des fluides caloriporteurs. Des moyens 33 sont prévus pour apprécier, à différents niveaux, la température de la masse 3 en cours de traitement. Ces moyens 33 sont, de préférence, constitués par des pyromètres 34 qui sont disposés pour être établis à des hauteurs ou de niveaux différents en étant placés à l'intérieur d'une gaine 35 plongeant dans la masse 3. La gaine 35 est supportée par le chapeau 8 et traverse le couvercle 27. Les moyens 33 sont, de préférence, reliés à un boîtier d'asservissement, de régulation ou de pilotage 36 contrôlant l'alimentation des résistances 31 en fonction de la température interne de la masse 3. Selon L'invention, il est également prévu de disposer, dans le four, des moyens 37 de mesure du niveau ou de hauteur de charge de la masse 3 à l'intérieur de la cuve 9. De tels moyens 37 peuvent consister, par exemple, en une canne 38 de soufflage, portée par le chapeau 8 et traversant le couvercle 27. La canne 38 est ouverte à sa base pour être en partie remplie de sables. Le principe de fonctionnnement consiste à admettre, dans la canne, un fluide quelconque, fourni sous une pression réglée pour qu'elle permette d'équilibrer la hauteur de charge du sable contenu dans la canne 38 en refoulant ce sable jusqu'à proximité de L'extrémité ouverte basse. La connaissance de cette pression d'équilibre, correspondant à la hauteur de charge, permet d'en déduire le niveau de La masse 3. Un hublot 39 ou autre moyen de perception visuelle est monté sur le chapeau 8 et sur le couvercle 27 pour permettre un suivi du déroulement du processus de calcination. L'unité décrite ci-dessus se caractérise, en conséquence, par une disposition simple du four 1 comprenant une cuve 9 d'axe général vertical, permettant le maintien d'une hauteur de charge importante d'une masse 3 de sables à traiter apportée, de façon continue ou non, à la base de la cuve 9. En outre, les moyens d'extraction 22 sont prévus au niveau supérieur de la masse 3, de sorte que la conjonction de ces moyens techniques permet de disposer d'une hauteur de charge importante et connue et d'imposer, à chaque grain de sable, un temps de séjour bien précis en l'obligeant à progresser, de façon ascendante, à L'intérieur de la masse 3 constituée sous La forme d'un lit fluidisé par L'injection de fluide par L'intermédiaire des buses 14. Ainsi, la masse 3 est constituée sous la forme d'un lit fluidisé selon des conditions particulièrement précises, puisqu'elles ne dépendent que des paramètres de fourniture du fluide comburant. De cette manière, il est possible d'obtenir un lit fluidisé selon des conditions constantes qui garantissent un cheminement ascendant bien connu et un temps de séjour constant de tous les grains de sables, depuis Leur niveau d'injection bas jusqu'à L'atteinte du niveau supérieur de reprise. De telles conditions de cheminement certain, alliées à un maintien de température précis par les moyens 30, permettent de faire intervenir une calcination certaine des produits d'enrobage qui sont brûlés pour débarrasser totalement les grains de sable complètement régénérés lorsqu'ils atteignent Le niveau supérieur de reprise. Un fonctionnement continu des organes 19 et 22 permet de garantir un niveau de charge peu fluctuant pour le lit fluidisé. Un tel niveau est établi de façon encore certaine par L'intermédiaire des moyens 37 dont le fonctionnement permet de piloter au moins la vitesse de rotation de la vis 24. Ainsi que cela est connu, les moyens 30 assurent une montée en température suffisante pour provoquer la calcination des produits d'enrobage, dès lors qu'un comburant transite en masse suffisante à travers le lit fluidisé. L'apport d'air comprimé répond à cette exigence et a pour conséquence de générer la production de calories à l'intérieur du lit fluidisé 3 dont la température est appréciée par les moyens 33 qui permettent de piloter à distance L'énergie consommée par les résistances 31. Les fumées de calcination sont évacuées par la cheminée 21 en étant presque, sinon totalement, dépourvues de poussières dont la combustion est intervenue pendant le temps de séjour à l'intérieur du lit 3. A titre d'exemple, pour une unité de caractéristiques dimensionnelles suivantes faisant intervenir une cuve de 2m de diamètre et d'environ 3m de haut, apte à traiter des sables enrobés avec des liants organiques et à même d'entretenir un lit fluidisé de hauteur de charge égale à 2m les paramètres suivants ont permis d'obtenir une régénération par calcination particulièrement économique et certaine - débit d'alimentation du sable à régénérer : 3 tonnes/heure - débit d'extraction du sable régénéré : 3 tonnes/heure moins Le poids de résines caLcinées - temps de séjour : 3 heures environ - débit d'alimentation de L'air comprimé : 5 à 50 cm/s - pression de L'air comprimé : de 20 à 40 000 Pa effectifs - température à l'intérieur du lit : entre 700 et 9000C Une unité, du type décrit ci-dessus, permet l'implantation d'une installation telle que celle illustrée par la fig. 2. Une telle installation comprend, par exemple, une grille vibrante 40 destinée à produire, à partir des moules usagés, du sable à régénérer qui est fourni à une trémie de stockage 41 constituant un tampon d'alimentation des moyens 19 du four 1. Une telle installation peut, avantageusement, comporter, à la sortie des moyens 22, un refroidisseur 42 à partir duquel une récupération d'énergie calorifique peut être assurée par des moyens connus pour réchauffer L'air de fluidisation qui peut aussi L'être par passage à travers un échangeur 43 traversé par Les fumées de calcination. Une telle installation peut ainsi comporter, à partir d'une ou plusieurs trémies de stockage 41, un ou plusieurs fours 1 ou 1', de manière à conférer à l'installation un caractère de modularité permettant d'envisager un fonctionnement flexible en fonction de la masse de sables à régénérer. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Procédé de régénération par calcination de sables de fonderie pollués par enrobage de produits chimiques, du type consistant à créer un lit de sable fluidisé, à soumettre ledit sable à une montée en température pour provoquer la calcination des produits chimiques enrobant les grains, à alimenter en sable pollué un tel lit de façon correspondante à une extraction de sable régénéré à partir dudit lit, caractérisé en ce qu'on : - constitue une masse de sable dans une enceinte de confinement de manière à Lui conférer une hauteur de charge constante, - apporte le sable pollué à la partie basse de L'enceinte, - fluidise ladite masse par injection à la base d'un fluide sous pression, - chauffe ladite masse par un procédé statique, - extrait le sable régénéré par calcination à partir du niveau supérieur de la masse. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on apporte et extrait le sable de façon continue. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on apporte le sable de façon pulsée. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on chauffe la masse de sable par rayonnement à partir de la périhérie de L'enceinte de confinement. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on chauffe la masse de sable par des cannes chauffantes plongeant en permanence dans la masse de sable fluidisée. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fluidise la masse de sable par un mélange gazeux comburant pour les produits chimiques d'enrobage. 7 - Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on mesure en permanence la hauteur de charge du lit fluidisé et en ce qu'on asservit au moins L'extraction du sable régénéré à cette mesure. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on mesure la température au sein du lit et en ce qu'on asservit le fonctionnement des moyens de chauffage à cette mesure. 9 - Unité de régénération par calcination de sables de fonderie pollués par enrobage de produits chimiques, du type comprenant un four de calcination (1) destiné à contenir un lit (3) de sable à régénérer, des moyens d'apport (19) et d'extraction (22) du sable par rapport au four, des moyens (30) de chauffage du sable et des moyens (14) de fluidisation du lit, caractérisée en ce que :: - les moyens d'apport (19) assurent l'alimentation du sable à régénérer à la partie basse du four (1), - les moyens d'extraction (22) assurent la reprise du sable régénéré à partir du niveau supérieur du lit fluidisé, - les moyens de chauffage (30) assurent un chauffage statique de la masse de sable confiné dans le four, - les moyens de fluidisation consistent en des buses (14) d'injection d'un fluide depuis la partie basse du four. 10 - Unité de régénération selon la revendication 9, caractérisée en ce que le four (1) est constitué par une cuve (3) en acier réfractaire, d'axe général vertical, enfermée dans une enceinte isolante (5, 7, 8). 11 - Unité de régénération selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens de chauffage (30) sont disposés extérieurement à la paroi périphérique de la cuve (9). 12 - Unité de régénération selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens de chauffage (30) sont constitués par des organes plongeant dans la masse de sable à l'intérieur de la cuve. 13 - Unité de régénération selon L'une des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que le four (1) comporte des moyens (33) de mesure de la température de la masse de sable et en ce que ces moyens de mesure pilotent le fonctionnement des moyens de chauffage. 14 - Unité de régénération selon la revendication 9, caractérisée en ce que Les buses (14) sont raccordées à un circuit (15) de fourniture d'un fluide gazeux sous pression, comburant pour les produits chimiques d'enrobage. 15 - Unité de régénération selon la revendication 9 ou 14, caractérisée en ce que les buses (14) sont portées par un double fond (13) de la cuve, lequel délimite, avec le fond (10), un collecteur commun (16) d'admission raccordé au circuit. 16 - Unité de régénération selon La revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'apport (19) et d'extraction (22) sont des vis sans fin (21 et 24). 17 - Unité de régénération selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'apport (19) assurent une alimentation pulsée. 18 - Unité de régénération selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'extraction (22) assurent une reprise par les gaz de fluidisation et de combustion à travers une capacité intermédiaire à partir de laquelle s'effectue l'échappement des gaz. 19 - Unité de régénération selon la revendication 9 ou 10, caractérisée en ce que le four comporte des moyens (37) de mesure du niveau haut du lit et en ce que ces moyens pilotent au moins le fonctionnement de la vis d'extraction (24). 20 - Installation de régénération par calcination de sables de fonderie pollués par enrobage de produits chimiques comprenant - une grille vibrante (40) productrice de sables à régénérer, - une trémie de stockage (41) alimentée à partir de la grille, - une unité de traitement (1) selon L'une des revendications 9 à 19 et dont le moyen d'apport (19) en sable à régénérer est raccordé à la sortie de la trémie de stockage (41), - un refroidisseur (42) du sable régénéré extrait du four, - et des moyens (43) pour récupérer, au moins en partie, les calories produites et pour assurer le réchauffement du fluide comburant de fluidisation.