Brevet FR2712217A1 — publié le 19950519

POCHE DE TRAITEMENT DE METAL LIQUIDE DE FAIBLE ENCOMBREMENT ET DE PERFORMANCES AMELIOREES DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une poche de traitement , par flux gazeux, de métal liquide, notamment l'aluminium ou ses alliages mais aussi le magnésium ou ses alliages, de faible encombrement et ayant des performances thermiques ou autres ameliorees. ETAT DE LA TECHNIQUE On sait qu'avant de procéder à la mise en forme de produits métallurgiques semi-finis, il est nécessaire de traiter le métal brut liquide pour le débarrasser des gaz dissous et des impuretés non métalliques qui nuiraient à la qualité des pièces coulées. Ce traitement est habituellement effectué par insufflation d'un gaz approprié, par exemple du type Ar contenant quelques pour-cent de chlore, à l'aide d'un rotor immergé dans le métal liquide lui-méme contenu dans une poche de traitement. De plus il est effectué généralement en continu juste avant la coulée elle-méme effectuée en continu, la poche pouvant ainsi servir de poche de coulée. Pour que ce traitement soit le plus efficace et que la coulée s'effectue dans de bonnes conditions il est recommandé d'avoir une très grande homogénéité de température dans le métal liquide et en particulier pendant les périodes à régimes transitoires précédant ou suivant la coulée continue ; ces périodes sont principalement la période de mise en température de la poche avant la coulée, ou de maintien en température de la poche entre deux coulées consécutives. Une poche comporte un ou plusieurs compartiments de traitement chacun d'eux contenant un rotor d'insufflation de gaz, ce dernier ne pouvant en effet ne traiter qu'un volume déterminé de métal liquide ; souvent les compartiments sont au nombre de deux. La poche peut en outre etre équipée d'un compartiment de sortie contigu. Le chauffage des poches peut être effectué à l'aide de parois ou couvercles chauffants, mais un tel dispositif, s'il permet d'avoir des poches d'encombrement réduit, présente l'inconvénient d'avoir un rendement thermique insuffisant, d'être peu efficace et de donner de forts gradients de température dans le métal liquide. De plus les couvercles chauffants peuvent provoquer une pollution accrue de la surface du métal liquide par oxydation et formation de crasses. Les problèmes d'entretien et de nettoyage sont en outre importants. On sait encore que le chauffage peut être effectué à l'aide d'un bloc de graphite immergé dans le metal liquide ; dans le bloc sont insérés des tubes chauffants. Un tel dispositif donne un chauffage insuffisamment efficace, présente des problèmes d'entretien et de qualité du métal dus à l'emploi du graphite et possède une durée de vie aléatoire liée aussi à l'emploi du graphite. Le chauffage d'un compartiment de traitement peut aussi être effectué à l'aide d'un seul thermoplongeur comportant une partie chauffante immergee dans le métal liquide et une rehausse en émergeant destinée aux connexions électriques et à sa manutention. Un tel thermoplongeur est généralement constitué, dans sa partie chauffante, d'une résistance electrique noyée dans une substance réfractaire bon conducteur thermique et isolant electrique le tout étant contenu dans une gaine également bon conducteur thermique devant résister au metal liquide. Cette gaine est avantageusement en céramique frittée, par exemple en sialon, qui résiste bien à l'Al liquide ou à ses alliages. Les thermoplongeurs habituellement utilises dans cette application ont un fort diamètre généralement d'environ de 100 à 200 mm. Les thermoplongeurs de ce type ont l'avantage de donner un chauffage efficace avec un bon rendement thermique. Néanmoins il subsiste encore des lacunes concernant la rapidité de chauffage, la maîtrise et l'homogénéité des températures dans chacun des compartiments de traitement mais aussi dans le compartiment de sortie, les dimensions de ce dernier n'autorisant pas l'installation de ce type de thermoplongeurs. Les poches équipées de rotor et de ce type de thermoplongeurs à fort diamètre peuvent etre exploités de différentes façons. On peut installer simultanément un thermoplongeur et un rotor dans un compartiment de traitement ; mais dans ce cas on a une capacité de traitement réduite et des problèmes de nettoyage et d'entretien lies à l'encombrement du thermoplongeur et du rotor montés à demeure dans le compartiment, et à l'encrassement du bain de métal liquide. Aussi la solution, qui semble offrir le meilleur compromis actuel, consiste à installer un thermoplongeur de fort encombrement provisoirement dans un compartiment de traitement pendant les periodes transitoires de maintien ou mise en température du métal liquide puis à le remplacer par le rotor d'insufflation de gaz au moment du traitement et de la coulée. Dans ce cas on conserve l'efficacité et le rendement de chauffage par thermoplongeur sans trop aggraver l'hétérogénéité de température au moment de la coulee (après le remplacement du thermoplongeur par le rotor), et on améliore la capacité de la poche et les problèmes de nettoyage et d'entretien. Cependant ce mode d'exploitation nécessite l'usage d'un portique de manutention qui accroit notablement l'emprise au sol de l'installation, un dispositif de ce type est illustre par exemple dans le brevet français FR 2514370 de plus les performances de ce mode d'exploitation sont limitées à la mesure du type de thermoplongeurs utilisés, comme cela a été vu plus haut. OBJET DE L'INVENTION La demanderesse a cherché à résoudre les problèmes d'homogénéité et de maitrise de la température de la poche dus à l'emploi du type de thermoplongeur décrit précédemment et les problèmes d'exploitation et d'encombrement de la poche liés aussi à l'emploi de ce type de thermoplongeur. Elle a ainsi recherché une poche de traitement permettant non seulement de conserver le rendement et l'efficacité dûs à l'emploi des thermoplongeurs, mais a encore essayé d'ameliorer l'homogénéité thermique du métal liquide pendant les régimes transitoires et pendant la coulée, tout en améliorant la capacite de traitement et les rendements des poches, en diminuant leur encombrement et en réduisant considérablement les problemes de nettoyage d'entretien et plus généralement d'exploitation. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est une poche comportant un ou plusieurs compartiments pour le traitement en continu de métal liquide à l'aide d'un dispositif d'introduction de gaz de traitement et de chauffage par thermoplongeur immergé dans le métal liquide, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de thermoplongeurs de petit diamètre et de puissance unitaire importante répartis dans la poche. La poche est particulièrement adaptée au traitement de l'aluminium ou de ses alliages, mais également du magnésium ou de ses alliages. Les thermoplongeurs et le dispositif d'introduction de gaz sont généralement installés simultanément dans la poche en cours d'exploitation, ce qui évite ainsi de les manipuler à chaque nouvelle coulée. Un dispositif simple, peut cependant permettre de lever l'ensemble des thermoplongeurs, voire des rotors, pour dégager complètement la surface du bain en vue d'un nettoyage épisodique. Le traitement est généralement effectué au défilé sur du métal liquide brut circulant en continu dans la poche, provenant d'une installation d'élaboration, le métal traité sortant de la poche pour etre directement coulé sous différentes formes : plaques, billettes, bandes, pièces moulées, etc... Le dispositif de l'invention est particulièrement intéréssant pour assurer le maintien ou la mise en température de la poche pour des traitements continus ; il est de même bien adapté au traitement par batch. La poche est généralement de grande capacité, contenant plusieurs tonnes de métal liquide, et peut comporter un ou de préférence plusieurs compartiments de traitement proprement dits, chacun d'eux étant équipés de dispositif d'introduction de gaz, par exemple des rotors immergés et de plusieurs thermoplongeurs (généralement deux ou plus). Elle peut également comporter un compartiment de sortie qui permet de ne couler que du metal propre non pollué par d'éventuelles crasses provenant du traitement ou d'une oxydation superficielle du métal fondu lors du traitement. Mais l'invention s'applique plus généralement à tous les types de poches, y compris à celles de petites dimensions ou aux poches d'essai, avec les mémes avantages. Les thermoplongeurs utilisés dans l'invention comportent, comme ceux connus de l'art antérieur, une partie chauffante immergée dans le métal liquide réhaussée d'un prolongateur non chauffant et non immergé permettant les connexions électriques et les manutentions ; leur partie chauffante est recouverte d'une gaine avantageusement en céramique frittée, par exemple alumine, zircone, Alon, sialon, oxynitrure mixte (du type MgAl0N), nitrure, borure, etc..., qui résiste bien à l'aluminium liquide et possède une excellente conductibilité thermique comparativement à ceux de l'art anterieur, par contre ils sont d'un encombrement très faible pour une puissance equivalente. Les avantages liés à l'exploitation de la poche selon l'invention sont surtout obtenus avec des thermoplongeurs dont la partie chauffante a un diamètre inférieur à 40 mm, ou de préférence inférieur à 30 mm. De plus, compte tenu entre autres du faible diamètre des thermoplongeurs, il est inattendu de pouvoir dissiper une énergie supérieure à 5 kW par mètre de partie chauffante immergée, ou mieux supérieure à 10 kW/m, voire à 20 kW/m, sans que l'on brule le métal liquide et sans que l'écart de température entre le métal liquide et le thermoplongeur dépasse quelques dizaines de "C. I1 est avantageux que la partie chauffante intéresse toute la hauteur du bain de métal liquide. Les thermoplongeurs peuvent être installés à proximité des parois de la poche sans que cela nuise à l'homogénéité de température du métal liquide, y compris pendant les périodes transitoires. En regroupant les thermoplongeurs d'une poche le long d'une même paroi on facilite les problèmes d'entretien et de nettoyage. I1 est également très intéressant que le compartiment de sortie soit équipé d'au moins un thermoplongleur de ce type, la temperature du metal s'y trouvant pouvant être ainsi amenée de façon précise à la valeur souhaitee. Ceci améliore significativement la qualite thermique du métal liquide, particulièrement lors des périodes transitoires de maintien ou de mise en température et permet d'éviter les ennuis et risques de figeage en début de coulée. Les thermoplongeurs sont installés en permanence dans les poches pendant les périodes d'exploitation; cependant ils peuvent être fixés sur un dispositif de levage simple, de préférence motorisé et installé à demeure sur la poche, de façon à les retirer ou manipuler facilement pour effectuer les opérations d'entretien de la poche, d'écrémage et de décrassage de la surface du bain. I1 est aussi avantageux de monter les thermoplongeurs solidairement sur un seul bâti ou sur un trappon d'accès au bain, actionné par le système de levage, de façon à pouvoir les manipuler ensemble et à faciliter encore les opérations citées ci-dessus. Des améliorations peuvent aussi être apportées en utilisant ledit dispositif de levage pour lever simultanément le rotor et les thermoplongeurs, ou en installant ledit rotor sur le même bâti ou trappon que les thermoplongeurs. La fig. 1 permet d'illustrer une poche selon l'invention comportant un seul compartiment de traitement et un compartiment de sortie. On peut y voir l'enceinte (1) de la poche qui comporte un seul compartiment de traitement (2) separe par une cloison (3) du compartiment de sortie (4) communiquant par le bas avec le compartiment de traitement (2). L'enceinte (1) peut être constituée d'une enveloppe métallique externe et d'un garnissage réfractaire interne (non représentés). La poche est alimentée en (5) par le métal brut à traiter, tandis que le metal traité sort en (6) pour être coule. Le métal liquide, dont le niveau est représenté par (7), est traité à l'aide d'un dispositif à rotor (8) comportant une conduite (9) pour amener le gaz dans le métal liquide (7). I1 est chauffé par une batterie de thermoplongeurs (10) ayant leur partie chauffante (11) immergée et leur rehausse (12) permettant, entre autres, leur connexion électrique (13). De même un thermoplongeur (14) est installé dans le compartiment de sortie (4). Dans le cas de la figure, on voit que les thermoplongeurs (10, 14) sont installés à proximité d'une même paroi de la poche. Mais il est bien évident qu'ils pourraient être disposés différement si le besoin s'en faisait sentir. La poche peut avantageusement comporter deux (ou plus) compartiments de traitement du type (2), en vue de traiter un débit de métal plus important. Ils fonctionnent habituellement en série, ou selon toute autre disposition compatible avec les contraintes d'exploitation, et débouchant dans le compartiment de sortie. Chacun des compartiments comporte typiquement un dispositif d'introduction de gaz (rotor par exemple) et deux thermoplongeurs qui suffisent en général à assurer la maîtrise de la temperature tout en évitant un encombrement exagéré de l'espace intérieur de la poche. A titre d'illustration de l'invention, une poche ayant une capacité de 4 t d'aluminium, ou de ses alliages, et comportant deux compartiments de traitement et un compartiment de sortie en série a été équipée d'un rotor et de deux thermoplongeurs par compartiment de traitement et d'un thermoplongeur dans le compartiment de sortie. Les thermoplongeurs sont tous identiques, ont une puissance unitaire de 10 kW, une longueur de 1 m et un diamètre extérieur de partie chauffante de 28 mm. Dans une telle poche, les écarts maximums de température ne dépassent pas 5"C et la température du compartiment de sortie ne s'écartent pas de plus de 5"C de la température de coulée; de plus la durée séparant deux coulées n' excède pas 1 h. En comparaison dans une poche analogue à deux compartiments, où l'on introduit alternativement dans chaque compartiment, selon l'art antérieur, un thermoplongeur de fort diamètre puis un rotor, les écarts maximum de température sont d'environ 40"C, sans que l'on puisse réguler de façon très précise la température du compartiment de sortie, et la durée entre deux coulées, y compris les temps de changement thermoplongeur/rotor, est d'au moins 2 h. Par ailleurs, une telle poche avec ses engins spécifiques de manutention occupe une place au sol supérieure d'environ 30% à celle occupée par la poche selon l'invention. Ainsi, la poche selon l'invention présente les avantages suivants - elle occupe au sol un emplacement minimum; cet encombrement réduit est dû en particulier à l'absence d'engin de manutention spécifique, nécessaire dans l'art antérieur, pour effectuer, régulièrement en cours d'exploitation, la substitution rotor-thermoplongeur; le gain de place est de l'ordre de 30%; - la durée de mise en température est significativement réduite, non seulement par rapport aux poches chauffées à partir des parois extérieures ou de separation entre deux compartiments, mais encore par rapport aux poches utilisant un seul thermoplongeur; - on ameliore l'homogénéité et la maitrise de la temperature dans les compartiments de traitement et dans le compartiment de sortie, durant les périodes de mise, comme de maintien, en temperature; ceci permet de maitriser parfaitement la température du métal coulé donc d'eviter les pertes de métal en début de coulée pour non conformité et d'accroitre la qualité des pièces obtenues. On note ainsi des écarts maximum de température ne dépassant pas 5"C de sorte qu'il n'est pas nécessaire de surchauffer la poche de métal (ce qui limite notablement l'apparition de crasses) et que les risques de figeage sont quasiment supprimés à la coulée. - on facilite les opérations d'entretien et de nettoyage de la poche; le démontage des thermoplongeurs n'est pas toujours necessaire ou est très simplifié grâce à une manutention aise et rapide des thermoplongeurs permettant d'éviter des arrêts de production. - la capacité de l'installation est accrue du fait de la simplification des opérations d'exploitation et de la rapidité de mise en température et de son homogénéisation dues à la pluralité de thermoplongeurs dans chaque compartiment de traitement. REVENDICATIONS 1) Poche comportant un ou plusieurs compartiments pour le traitement en continu de métal liquide à l'aide d'un dispositif d'introduction de gaz de traitement et de chauffage par thermolpongeur immergé dans le métal liquide caractérisée en ce qu elle comporte une pluralité de thermoplongeurs de petit diamètre et de puissance unitaire importante repartis dans la poche. 2) Poche selon la revendication 1 caractérisée en ce que le métal liquide est choisi parmi l'aluminium ou ses alliages, le magnésium ou ses alliages. 3) Poche selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le diamètre est inferieur à 40 mm et de préférence à 30 mm. 4) Poche selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la puissance est d'au moins 10 kW par mètre de longueur chauffante immergee des thermoplongeurs. 5) Poche selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les thermoplongeurs sont équipés de gaines en céramique frittée, bon conducteur thermique et résistant bien au métal liquide. 6) Poche selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce que les thermoplongeurs sont répartis à proximité des parois de la poche. 7) Poche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que ladite poche comprend un compartiment de sortie contenant un thermoplongeur. 8) Poche selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisée en ce que les thermoplongeurs sont montés sur un système de levage simple. 9) Poche selon la revendication 8 caractérisée en ce que le systeme de levage comprend un trappon d'accès au bain sur lequel les thermoplongeurs sont fixés. 10.Poche selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9 caractérisée en ce que le système de levage comprend le dispositif d'introduction de gaz.