Brevet FR2696367A1 — publié le 19940408

PROCEDE ET INSTALLATION DE REGENERATION DE SABLES DE FONDERIES HETEROGENES. La présente invention est relative au domaine de la fonderie et elle vise, plus particulièrement, les fonderies développant des procédés de moulage à partir de sables agglomérés par des liants de nature différente. Les procédés de moulage en sable font intervenir, en tant que matériaux constitutifs des moules, du sable préalablement traité, de manière que. les grains soient enrobés de produits appropriés destinés à établir des liens de cohésion pour conférer aux moules compactés obtenus, une structure 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 importante, car le fort tonnage de sable utilisé doit être rebuté après usage, en raison de la présence des différents produits enrobant les grains de sable. En règle générale, il peut être considéré que pour l'obtention de maules de fonderie, deux grandes familles de produits liants sont utilisés. Pour l'obtention, la confection ou la conformation des corps de moules, il est généralement utilisé du sable associé à un liant, tel que la bentonite ou analogue. I1 s'agit du procédé dit de moulage à vert. Si cette méthode est convenable pour la confection de corps-de moules destinés à délimiter les empreintes de moulage, en revanche, on a recours à un autre procédé pour la constitution de noyaux de moulage proprement dit. Pour l'obtention de tels noyaux, le sable utilisé est associé à un liant chimique à base de résine, de façon que les noyaux de moulage présentent des caractéristiques de résistance mécanique et thermique différentes du corps de moule proprement dit. Face à l'obligation de tenir compte de l'important tonnage de sable rebuté, il a été recherché, depuis quelques temps déjà, des procédés visant à permettre la récupération des sables usagés. Plusieurs procédés ont été proposés en faisant intervenir une technique de régénération mécanique consistant à frotter les grains de sable les uns contre les autres pour provoquer le désenrobage des produits liants qui les entourent à la manière d'une gangue. Une technique mécanique complémentaire consiste à les projeter violemment contre des écrans ou blindages pour faire éclater la couche, la pellicule, le film ou la gangue de produits liants les entourant. Une seconde technique consiste à procéder au lavage des sables à haute pression, dans la mesure où les produits liants utilisés sont solubles dans l'eau. Une troisième technique consiste à introduire le sable à régénérer dans un four au sein duquel une calcination de la pellicule ou gangue les enrobant intervient. ilpeut être considéré que théoriquement chacune des techniques ci-dessus présente un intérêt et permet de résoudre globalement le problème de la régénération des sables usagés, dans la mesure où le sable à traiter est de nature homogène et où la technique de régénération est appropriée à cette nature. La réalité est, toutefois, largement différente, car dans une fonderie il est habituel, de faire intervenir différents procédés d'association des grains de sable par exemple par bentonite pour le corps des moules et par résine chimique pour les noyaux. L'opération de décochage après moulage produit alors un sable usagé à base de cette double composition qui lui confere un caractère hétérogène. Selon le procédé de coulage mis en oeuvre et/ou le métal coulé, il est aussi fréquent que les sables se trouvent infectés de particules de carbone qui représentent une autre source de pollution, accroissant encore le caractère hétérogène du sable usagé. La mise en oeuvre d'un procédé de régénération mécanique, pour un tel sable hétérogène, ne permet pas d'éliminer le film, la pellicule ou la gangue sur tous les grains, car les moyens et les conditions opératoires ne peuvent pas être adaptés pour convenir simultanément pour tous les produits liants ayant été utilisés. Le choix d'un procédé de régénération par calcination, permet de constater que si la montée en température appliquée aux grains de sable calcine les liants chimiques, elle transforme, au contraire, la bentonite en une couche de chamotte adhérent toujours aux grains de sable. Cette couche de chamotte, de nature très poreuse, possède un caractère beaucoup plus absorbant que les grains de sable ordinaire, de sorte que les liants mélangés lors d'une réutilisation ultérieure du sable régénéré se trouvent absorbés localement dans des proportions non habituelles qui modifient fondamentalement les caractéristiques de liaison et de cohésion intergrains, lors de la constitution d'un moule à partir d'un tel sable. il est également à considérer que la réutilisation par recyclage de sable ayant déjà contribué à plusieurs constitutions de moules, fait intervenir au niveau de chaque grain une incertitude quant à la première ou aux premières utilisations successives. Ainsi, des grains de sable non complétement régénérés à partir d'une première utilisation selon un procédé de sable à vert, peuvent ensuite, être incorporés à une masse constitutive traitée par procédé chimique et faire intervenir à leur périphérie des couches partielles successives d'argile et de résine. Le procédé de régénération par calcination de tels grains de sable n'est pas à même de fournir des grains de sable complètement désenrobés car, si la résine est en partie revêtue de bentonite, la calcination a pour effet de constituer une couche de chamotte imperméable à l'apport d'oxygène, seul à même de prodotîre la calcination de la résine sous-jacente. Les problèmes rencontrés ci-dessus sont encore compliqués lorsqu'il faut tenir compte de la présence de carbone susceptible d'être présent dans le sable, notamment en raison de la matière première coulée dans les moules, comme cela est le cas de la production de pièces à partir de fontes. Ainsi, en pratique, le véritable problème qui se pose est celui de pouvoir régénérer efficacement un sable de fonderie usagé et de nature hétérogène comme celà est le cas dans la plupart des fonderies. il ne semble pas, à la connaissance des demandeurs, que la technique antérieure ait proposé une solution à même de résoudre un tel problème de façon satisfaisante en pratique. La présente invention a pour objet de combler cette lacune en proposant un nouveau procédé de régénération de sable de fonderie de nature hétérogène, capable de fournir un sable régénéré de très bonne qualité, exempt de gangue, de pellicule, de film ou d'enrobage et pouvant être mis en oeuvre sans qu'il y ait lieu de considérer le rapport d'hétérogénëïté dû à la proportion et au nombre de différents produits liants enrobant les grains de sable à traiter. L'invention a ainsi pour objet de proposer un procédé et une installation ayant une vocation de régénération de tous sables hétérogènes, pour produire un sable régénéré directement réutilisable pour la confection de moules ou de noyaux. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé et une installation de régénération qui permettent d'éliminer le risque de pollution atmosphérique, à partir des différentes étapes de régénération et, notamment, des sous-produits tels que les fines provenant de la régénération du sable pollué. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le procédé de régénération, selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste, après décochage et séchage, à: - soumettre le sable à un traitement mécanique de désenrobage, - soumettre le sable à un traitement thermique de calcination par lit fluidisé, - soumettre le sable à un second traitement mécanique de désenrobage - séparer le sable traité, des fines produites par le second traitement mécaIque, - et refroidir le sable régénéré pour le recycler vers une unité de production de moules. L'invention a encore pour objet une installation de mise en oeuvre du procédé, laquelle est caractérisée en ce qu'elle comprend - un four de séchage, - une première unité de traitement mécanique composée d'un étage d'éclatement et d'un étage d'usure-frottement, - un four de calcination, - une seconde unité de traitement mécanique au moins constituée pour un étage d'usure-frottement, - et un caisson de refroidissement. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite cidessous en référence au dessin annexé qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. unique est un schéma illustrant l'installation pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. L'installation est disposée à la suite de moyens habituels de décochage ou de démottage, voire de broyage, fournissant un flux 1 de sable hétérogène par la nature des liants enrobant les grains de sable et par sa granulométrie. Le flux de sable 1, fourni de façon continue, discontinue ou pulsée, est dirigé vers un four de séchage 2 dont la sortie 3 est raccordée à un lanceur 4 de type pneumatique, connu dans le domaine des matériels de fonderie. La sortie 5 du lanceur 4 est raccordée à l'entrée d'une première unité 6 de traitement mécanique qui est composée dans l'exemple illustré d'un étage 7 d'éclatement surperposé à un étage 8 d'usure frottement. L'étage 7 comprend une chambre ou enceinte 9 dans laquelle est disposée une tubulure 10 éventuellement pourvue d'un divergent et raccordée à la sortie 5 du lanceur 4. La tubulure 10 est dirigée vers un écran d'éclatement il au moins constitué par une plaque, éventuellement bordée par une virole périphérique et s'étendant sensiblement perpendiculairement à l'axe de la tubulure 10.En règle générale, les éléments constitutifs 10 et 11 sont situés au voisinage de la partie supérieure de l'enceinte 9 qui est pourvue d'un fond 12 en forme de trémie, prolongé par une buse 13 s'étendant à l'intérieur du deuxième étage 8 qui est constitué par une chambre 14 comportant un fond 15 de forme conique ou pyramidale tronquée dont la base est raccordée à une trémie 16. Le fond 15 supporte un moyen de centrifugation 17 qui comprend un bol 18, par exemple cylindrique, dont l'axe est incliné de telle manière que la section supérieure ouverte s'ouvre vers le haut. Le bol 18 comporte un fond bordé par une virole à l'intérieur de laquelle est disposé un plateau tournant 19 qui est fixé sur l'arbre de sortie d'un moteur d'entramement 20 situé, de préférence mais non exclusivement, à l'exterieur du fond 15. La buse 13 s'ouvre par au moins une bouche de sortie 21 à faible distance de la face transversale du plateau 19 en étant excentrée par rapport à l'axe de rotation de ce plateau. La bouche de sortie 21 est, en outre, disposée à l'intérieur de la virole constitutive du bol 18. La trémie 16, qui constitue un réservoir tampon dont la fonction apparaît dans ce qui suit, est raccordée par sa sortie, à un moyen de soutirage 23 adapté sur un four de calcination 24. Le moyen 23 peut être de toutes natures appropriées et, notamment, constitué par une vis d'archimède dont la rotation peut être placée sous la dépendance de moyens de régulation agissant sur un moteur d'entraînement 25. Le four de calcination 24 comprend une enceinte 26 dont le fond 27, à proximité duquel s'ouvre le dispositif 23, est fermé par une sole ajourée 28 conçue pour permettre le passage d'un fluide gazeux entre le fond 27 et l'enceinte 26. Le fond 27 est raccordé par une ligne 29 à une source de production d'un fluide souspression 30, tel qu'un ventilateur ou analogue. L'enceinte 26 est destinée à contenir un lit 31 de sable fluidisé, dont la hauteur H maximale est predéterminée entre la sole 28 et un orifice supérieur de reprise, auquel aboutit un organe 32 d'extraction du type vis d'archimède, et dont la rotation est placée sous la dépendance d'un moteur 33 piloté par des moyens d'asservissement automatique. L'enceinte 26 est pourvue, sur toute la hauteur H du lit fluidisé, de moyens 34 de chauffage à caractère statique, tels notamment que, des résistances électriques qui sont disposées extérieurement. L'organe d'c, traction 32 est raccordé par une ligne 35 à une trémie 36 de stockage temporaire et de refroidissement partiel éventuel du sable, dont la sortie est en relation avec un lanceur pneumatique 37. La sortie du lanceur 37 communique avec un convoyeur ou une gaine de circulation 38 menant à une deuxième unité de traitement mécanique 40 qui comprend un étage 41 de semblable constitution que l'étage 7 et qui se trouve aussi, de préférence, superposé à un deuxième étage 42 analogue à l'étage 8. L'étage 41 comprend donc une tubulure 43 raccordée à la gaine 38 et chargée de projeter du sable en direction d'une plaque d'éclatement 44. La base de l'étage 41 est pourvue d'une buse 45 délimitant au moins une bouche de sortie 46 qui est disposée à l'intérieur d'un bol 47 en étant excentrée par rapport à l'axe de rotation d'un plateau tournant 48 monté sur l'arbre de sortie d'un moteur 49. Le bol 47 et le plateau 48 constituent un moyen 50 de centrifugation, équipant l'étage 42 qui est pourvu d'un fond 51 raccordé à un caisson de refroidissement 52. L'installation décrite ci-dessus permet de mettre en oeuvre le procédé de l'invention qui consiste, à partir d'une source de fourniture de sable hétérogène, au sens décrit précédemment, de sécher un tel sable dans le four 2 pour l'acheminer par l'intermédiaire du lanceur 4 dans la première unité de traitement 6. Par l'intermédiaire de la tubulure 10, le sable hétérogène est projeté contre la plaque d'éclatement 11 contre laquelle il subit par impact direct, un effet d'éclatement ayant pour effet de casser, fragmenter et ou fragiliser la gangue, le film, ou la couche de produit liant enrobant les différents grains, quelque soit la nature de ce produit. Les grains de sable tombent ensuite sur le fond 12 conduisant les grains vers la buse 13 qui fournit une veine continue de grains de sable à l'intérieur du bol 18 dans lequel tourne le plateau 19. En raison de la disposition excentrée de la bouche 21, la veine de sable délivrée subit à l'intérieur du bol 18 une centrifugation avec rotation des grains sur eux-mêmes et frottements relatifs entre eux et contre le plateau 19 qui est avantageusement constitué par une matière abrasive. Les grains sont ainsi soumis à un phénomène d'usure qui permet d'éliminer la gangue fragmentée les enrobant. Le bol 18, en raison de sa disposition, assume une fonction de rétention temporaire des grains pour favoriser leur centrifugation et leur frottement relatif avant leur évacuation naturelle par gravité, sur le fond 51 de la trémie 16 qui en assure un stockage temporaire. Les fines, qui sont produites dans l'étage 7 et dans l'étage 8, peuvent être reprises par des circuits de mise en dépression relative 53 et 54 qui peuvent être raccordés à des unités de calcination propre, après séparation, notamment par cyclone ou autre appareil approprié. Ces fines peuvent aussi être reprises en vue d'être réincorporées au circuit de sable de moulage de la fonderie. En tout état de cause les fines ne sont pas séparées dans le cas où aucun des deux usages ci-dessous n'est possible. Ces fines sont alors calcinées dans le four 24 en mélange avec le sable à traiter. La trémie 16 est chargée de constituer une sorte de magasin-tampon à partir duquel une alimentation en continue peut être assurée par le-moyen de soutirage 23 chargé d'alimenter la base de l'unité 24 pour contribuer à maintenir une hauteur H de lit fluidisé à l'intérieur de l'enceinte 26. L'air ou le fluide analogue fourni par le moto-ventilateur 30 est distribué à l'intérieur du fond 27 pour traverser le lit 31 qu'il fluidise en permanence avant de s'échapper par une tubulure de sortie 55. Ainsi, par les moyens de chauffage 34, le sable constitutif du lit 31 est monté à température élevée, tout en étant fluidisé de manière à connaître un mouvement interne permanent, favorisant la migration des grains de sable de la base vers le niveau supérieur, afin de leur imposer un temps de séjour sensiblement constant, pendant lequel ces grains sont soumis à une température élevée ayant pour effet de calciner les fragments ou couches de produit liant encore accrochés à leur surface extérieure. Ce temps de séjour, parfaitement contrôlé par l'asservissement des moteurs 25 et 33, permet d'assurer une montée en température progressive et une calcination de grande qualité.Cette calcination produit des impuretés inertes et/ou des gaz de combustion qui sont évacués par la circulation ascendante produite par la veine de fluidisation emportant les gaz de combustion, voire certaines particules inertes par la cheminée 35. L'asservissement du fonofionnement de l'organe d'extraction 32 en relation avec celui de soutirage 23 et du moto-ventilateur 30 est piloté en fonction des conditions de réaction à l'intérieur de l'enceinte 28 et notamment de l'apport de calories produites par la combustion des produits liants, affin de maintenir des conditions de calcination maîtrisées et constantes. Le sable régénéré thermiquement est prélévé à partir du niveau supérieur du lit 31 par le moyen d'extraction 32 qui le conduit dans la trémie 36 assumant une fonction de tampon et éventuellement de refroidissement partiel à partir duquel le sable régénéré est pulsé par le lanceur 37 en direction de la seconde unité de traitement mécanique 40. De manière comparable à ce qui est décrit précédemment, le sable régénéré thermiquement est soumis dans l'étage 41 à une action de traitement mécanique par projection-éclatement, puis ensuite à une action d'usure-frottement faisant intervenir successivement les moyens 44, 48 et 47. Des moyens 56 et 57 en dépression relative par rapport aux enceintes 41 et 42 permettent de séparer les fines particules du sable dégangué. A l'issue de ce second traitement mécanique, le sable régénéré est dirigé vers l'unité de refroidissement 52 pour ensuite être conduit directement vers une unité de production de moules. Les moyens décrits ci-dessus permettent de faire intervenir dans l'unité de traitement mécanique 6 un désenrobage partiel par fragmentation et rupture de la gangue enrobant les grains; quelle que soit la nature du produit liant qui les entoure. Cette fragmentation mécanique est complétée par usure, arrachement, abrasion dans l'étage 8, dans lequel le moyen de centrifugation élimine la majeure partie des produits liants entourant les grains de sable. Le traitement mécanique est ensuite complété par un traitement de calcination qui a pour effet, soit de bruler directement les produits à base de résine, soit de calciner et réduire en chamotte la bentonite entourant encore partiellement les grains de sable. Le second traitement mécanique intervenant dans le deuxième étage 40 a pour objectif de détacher par fragmentation et usure, les résiduts calcinés qui adhèrent encore aux différents grains. Les fines qui sont produites dans l'étage 40 sont prélévées par les gaines 56 et 57 afin d'être acheminées vers une unité de brûlage et calcination qui peut, par exemple, être constituée par l'unité 24. Il peut en effet, être envisagé de raccorder les gaines 56 et 57 par un collecteur commun 58, par exemple, à l'unité de soutirage 23 pour incorporer les fines au lit de sable 31. Ainsi, quelle que soit la nature hétérogène des produits liants enrobant les grains de sable à régénérer, une certitude de dégangage et de désenrobage intervient par un pré-traitement mécanique suivi d'une calcination, elle-même suivie d'unpost-traitement mécanique permettant de nettoyer convenablement chaque grain de sable pour, après refroidissement, permettre sa réutilisation dans une unité de protection de moule. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et représenté car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Procédé de régénération de sables de fonderie hétérogènes caractérisé en ce qu'il consiste, après décochage et séchage, à: - soumettre le sable à un traitement mécanique de désenrobage, - soumettre le sable à un traitement thermique de calcination par lit fluidisé, - soumettre le sable à un second traitement mécanique de désenrobage - séparer le sable traité, des fines produites par le second traitement mécanique, - et refroidir le sable régénéré pour le recycler vers une unité de production de moules. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que chaque traitement mécanique fait intervenir une phase d'éclatement par projection et une phase d'usure-frottement par centrifugation. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le traitement thermique consiste à: - constituer un lit fluidisé de sable de hauteur constante. - apporter le sable à traiter en partie basse du lit, - fluidiser le lit tout en chauffant le sable par un procédé statique, - créer un courant ascendant pour le sable en l'extrayant en partie haute du lit. 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on extrait les fines produites par au moins le second traitement mécanique et en ce qu'on les dirige vers une enceinte de calcination. 5. Installation pour la régénération de sable de fonderie hétérogène caractérisée en ce qu'elle comprend - un four de séchage (2), - une première unité (6) de traitement mécanique composée d'un étage d'éclatement (7) et d'un étage d'usure-frottement (8), - un four de calcination (24), - une seconde unité (40) de traitement mécanique au moins constituée pour un étage d'usure-frottement (50), - et un caisson de refroidissement (52). 6. Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que chaque unité de traitement mécanique comprend un étage d'usure-frottement constitué par un moyen de centrifugation. 7. Installation selon la revendication 6 caractérisée en ce que le moyen de centrifugation comprend: - un plateau circulaire (19,48) tournant dans le fond d'un bol (18,47) d'axe incliné, ouvert vers le haut, - et au moins une buse (13,45) d'amenée de sable définissant au moins une bouche de sortie (21,46) s'ouvrant parallèlement et à faible distance du plateau, à l'intérieur du bol et de façon excentrée par rapport à l'axe de rotation du plateau tournant. 8. Installation selon la revendication 5 ou 6 caractérisée en ce que l'étage d'usure-frottement (8,42) est disposé sour l'étage d'éclatement (7,41) qui comprend une arrivée tubulaire (10,43) dont l'axe est dirigé vers une plaque d'éclatement (11,44) perpendiculaire à cet axe. 9. Installation selon la revendication 5 caractérisée en ce que au moins le second étage de traitement mécanique comporte, au moins, à partir de l'étage d'usure-frottement, un moyen (56, 57, 58) de prélèvement des fines qui est raccordé à une enceinte de calcination.