Brevet FR2727432A1 — publié le 19960531

DISPOSITIF DE DEGAZAGE ET DE SEPARATION DES INCLUSIONS DANS UN BAIN DE METAL LIQUIDE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un dispositif pour améliorer le dégazage et la séparation des inclusions d'un métal liquide, tel que l'aluminium et ses alliages ou le magnésium et ses alliages. ETAT DE LA TECHNIQUE On sait qu'avant d'obtenir par coulée des produits métallurgiques semifinis, tels que l'aluminium, la magnésium ou leurs alliages, il est necessaire de traiter le métal brut liquide pour le débarasser des gaz dissous (en particulier l'hydrogène), des impuretés dissoutes (en particulier les alcalins) et des inclusions solides ou liquides qui nuiraient à la qualité des pièces coulées. Ce traitement est habituellement effectué par insufflation d'un gaz approprié, par exemple un gaz inerte et insoluble dans le métal liquide du type Ar pouvant contenir quelques pour-cent de gaz réactif du type de chlore. Le gaz inerte et insoluble absorbe par effet de dilution et évacue les gaz dissous, tandis que les impuretés dissoutes du type alcalin peuvent réagir avec le gaz réactif et générer des inclusions solides ou liquides qui restent en suspension. L'ensemble des inclusions doit être éliminé. Dans la suite on entendra par inclusions tant les inclusions solides que liquides, tant celles préexistantes dans le métal liquide brut que celles générées par suite du traitement. Le traitement peut être effectué dans des poches comportant un ou plusieurs compartiments de traitement, selon la pureté du métal final désirée et le débit de métal traité. I1 est connu d'effectuer l'insufflation de gaz dans le métal liquide en équipant le compartiment de traitement de bouchons poreux, comme par exemple dans l'article "A new generation of fluxing in aluminum melting and holding furnaces" de J.R. Guttery et coll. (Light Metal 1994 - p. 921-927, Edité par U. Mannweller) et les brevets J 61117237, J 62083431 ou d'un fond poreux, comme par exemple dans les brevets J 02145730, GB 2220424. Mais de telles solutions, qui souvent ne permettent pas une dispersion suffisamment fine du gaz de traitement, peuvent conduire à une épuration non satisfaisante en gaz ou impuretés dissous ; de plus avec les bouchons poreux il n'est pas possible de garantir que la totalité du volume de métal liquide soit intéressée par le traitement. Quant à l'élimination des inclusions, celles déjà présentes dans le métal à traiter ou celles générées lors du traitement par les gaz, elle est genée par l'agitation du milieu ; en particulier l'utilisation d'un fond poreux gêne la décantation des inclusions. I1 est connu également du brevet US 4 714 494 de disposer un fond poreux dans des goulottes de transport de métal liquide pour y insuffler du gaz. Ce dispositif comme précédemment ne permet pas une élimination des inclusions. Pour améliorer la dispersion du gaz de traitement dans le métal liquide, il est connu d'effectuer l'insufflation à l'aide d'un rotor ou turbine immergée. Cette méthode est particulierement efficace pour disperser le gaz de traitement donc pour éliminer les gaz dissous et traiter les alcalins en solution. Mais l'agitation provoquée par le rotor peut affecter l'élimination des inclusions liquides ou solides. Pour améliorer cette élimination, il est connu d'ajouter au compartiment de traitement un compartiment de sortie, par exemple séparé du précédent par une paroi comportant une ouverture pour le passage du métal liquide, dans lequel s'effectue une meilleure séparation ou décantation des inclusions. Cependant cette disposition complémentaire peut encore ne pas être suffisante ; c'est pourquoi il est connu de la substituer ou d'y adjoindre une poche ou un compartiment de filtration comportant un médium filtrant ; ce dernier peut être un lit de produit pulvérulent ou une céramique poreuse, dont les dimensions respectivement des particules ou des pores sont adaptées à la pureté finale recherchée mais aussi au débit de filtration nécessaire. Or les métallurgistes utilisant les produits semi-finis obtenus par de tels procedés ont des exigences de pureté de plus en plus sevères. En particulier ils cherchent à produire des feuilles métalliques de plus en plus minces, ce qui exige, entre autres, d'avoir un taux d'inclusions d'autant plus faible que la feuille est mince pour ne pas augmenter ou mieux diminuer les rebuts, et d'avoir une teneur en impuretés dissoutes (par exemple en hydrogène) encore plus faible pour ne pas affecter ou mieux améliorer les caractéristiques mécaniques desdites feuilles. En face de ces exigences la filtration évoquée plus haut montre des limites - elle ne permet pas d'arrêter les inclusions liquides, ni les plus petites inclusions solides ; la taille limite des inclusions arrêtées dépend de la taille des passages existant dans le médium filtrant (donnée par exemple par la taille des particules formant le lit filtrant, par la taille des pores...) ; mais ces passages ne peuvent pas être exagérément fins afin que les debits de métal liquide restent compatibles avec une exploitation industrielle. - elle est sujette à des colmatages, ce qui perturbe le procédé de filtration et est la source de pollution parasite du métal filtré et coulé. - elle peut être le siège de relarguages d'inclusions qui avaient été arrêtées dans un premier temps, ce qui altère évidemment la pureté du métal filtré et coulé. - elle presente des contraintes d'exploitation importantes obligation de préchauffer le médium filtrant avant d'effectuer la filtration, avec en plus des risques de présence de gradients de température pouvant perturber ladite filtration, obligation de nettoyer et/ou changer régulièrement ledit médium filtrant etc... Ainsi, il est intéressant de développer de nouvelles méthodes de purification des métaux fondus, afin de permettre le développement de nouvelles applications, et afin d'améliorer encore la qualité des produits. La demanderesse a donc recherché à améliorer la qualité du métal liquide avant d'effectuer la coulée. Elle a également recherché à simplifier et à rendre plus économique la mise en oeuvre de l'épuration en recherchant d'autres dispositifs et procédés de traitement. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention est un dispositif pour traiter au défilé un flux de métal liquide comportant des impuretés dissoutes et en suspension, comprenant une enceinte caractérisé en ce que cette enceinte contient au moins un ensemble constitué par un rideau de gaz occupant la totalité de la section du flux de métal liquide puis une zone calme ou le flux de metal liquide se purifie grâce à une décantation facilitée. Dans la suite cette zone sera aussi appelée zone tranquillisée par opposition à la zone plus agitée contenant les bulles de gaz. L'enceinte comporte habituellement des moyens d'entrée et de sortie du metal liquide. Le rideau de gaz forme un rideau continu de bulles au sein du métal liquide et est généralement obtenu à l'aide d'au moins un diffuseur de bulles de gaz habituellement de forme allongée. Ce diffuseur comporte des orifices de sortie de gaz, par exemple grâce à une porosité ou tout autre moyen équivalent, de dimensions et en nombre tels qu'il génère les bulles voulues et le debit de gaz necessaire. I1 peut être réalisé à partir d'un corps poreux, par exemple sous forme de barrette ou de tube poreux situé au fond de l'enceinte et occupant de façon continue toute la largeur du flux de métal liquide. Le diffuseur est alimenté en gaz de façon continue et le distribue sur toute la largeur de la veine de métal liquide ; le gaz ainsi introduit génère des bulles qui remontent verticalement sur toute la hauteur dudit flux. Toute la section droite dudit flux sera ainsi traversée par le rideau de bulles. Quand la largeur de la veine de métal est importante le rideau de bulle peut être obtenu à l'aide de plusieurs diffuseurs accolés présentant des zones de recouvrement suffisantes pour que le rideau de bulles soit continu. L'épaisseur et la densité du rideau de bulles est en général telle que, en fonction du débit de métal, il y ait une quasi certitude de contact entre les bulles et les inclusions. Le diffuseur peut être inclus dans la sole de la poche ; il peut aussi être installé dans ladite poche de façon amovible par exemple posé sur la sole ou encore suspendu dans le métal liquide de façon à ce qu'il soit a proximité immédiate, voire au contact, de la sole et que tout le flux de metal soit traité par le gaz. Ce dernier mode d'installation apporte des avantages du fait que la mise en place et l'enlèvement du diffuseur sont particulièrement aisés, ce qui permet de faciliter notamment les opérations d'entretien et de nettoyage de la poche et du diffuseur. Le diffuseur est généralement inerte vis à vis du métal liquide et il peut être à base de produits frittés poreux, de mousses, de mèches etc... obtenus à partir de céramiques ou de métaux. Il est préférable de générer des bulles de gaz aussi fines que possible pour augmenter la probabilité de rencontrer les inclusions à traiter. Une taille avantageuse de bulles se situe entre 1 et 10 rrin. La zone de tranquillisation est directement contiguë au rideau de bulles. Après ledit rideau de bulles, le flux de métal est généralement substantiellement libre d'obstacles, ou s'il en contient ils ne doivent pas perturber la décantation. Ainsi un compartiment de décantation accolé à un compartiment dans lequel sont générées des bulles ne produit pas le même effet. Le premier rideau de bulles peut être précédé par une zone tranquillisée. On peut disposer à la suite d'un premier ensemble une série de plusieurs ensembles rideau de bulles-zone tranquillisée. On peut dire que le gaz agit comme agent de flottation des inclusions qui sont ainsi entrainées et collectées à la surface du métal liquide de la zone tranquillisée. Les particules trop lourdes pour être entraînées décantent dans la zone tranquillisée ; elles se rassemblent au fond de l'enceinte et ne sont pas remises en suspension. La zone calme est de dimensions suffisantes pour optimiser la séparation complète par décantation des inclusions les plus lourdes ou par flottation des inclusions plus légères. Elle peut avantageusement avoir un volume important pour augmenter le temps de séjour du métal liquide traité et être telle que la section de la veine de métal liquide soit plus grande que la veine traversant le rideau de bulles afin de diminuer le plus possible la vitesse dudit métal liquide. Ainsi sa longueur est de préférence au moins trois fois la longueur (ou épaisseur) du rideau de bulle pour une section de veine de métal liquide identique. A la sortie de la dernière zone calme du dispositif selon l'invention, on dispose généralement des moyens pour arrêter ou éliminer les crasses surnageantes résultant de la collecte des inclusions. Ces moyens sont habituellement placés vers la goulotte de sortie du métal liquide et peuvent comporter une paroi emergeant du métal liquide. Le dispositif selon l'invention, en plus d'être un moyen efficace de séparation des inclusions, offre par ailleurs l'avantage, grâce à son rideau de gaz de pouvoir traiter ou apporter un complément de traitement des impuretés dissoutes se trouvant dans le métal liquide. Le gaz peut être en effet un gaz inerte vis à vis du métal liquide, comme l'argon, ce qui suffira par éliminer les gaz dissous et effectuer la collection des inclusions en suspension ; mais il peut aussi contenir un gaz réactif comme le chlore, ce qui permettra en outre d'améliorer ladite collection des inclusions et d'effectuer ou completer l'épuration en éléments dissous (par exemples alcalin) se trouvant dans le métal entrant. Le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour traiter un métal brut. Dans ce cas, l'épuration en impuretés dissoutes est du niveau de celle obtenue dans l'art antérieur en utilisant une poche à fond poreux ; par contre on note une nette amélioration dans l'élimination des inclusions. Mais il est avantageux de l'utiliser complémentairement après que le métal brut ait déjà ete traité par un gaz dans une poche initiale. Dans ce cas le dispositif est placé après le compartiment de sortie de ladite poche initiale ou directement après le dernier compartiment de traitement en supprimant ainsi le compartiment de sortie. Une telle disposition permet de remplacer avantageusement la filtration ; par rapport à cette dernière l'épuration en impuretés dissoutes est complétée grâce au rideau de bulles, le degazage et la séparation des inclusions sont notablement améliorées, notamment les inclusions liquides. Mais il est particulièrement recommandé de l'utiliser après une poche initiale où le traitement par un gaz a été effectué au moyen d'un rotor. En effet le dispositif de l'invention se montre très complémentaire, car si le rotor assure une très bonne dispersion du gaz de traitement, et donc une bonne épuration des impuretés dissoutes, la séparation des inclusions peut présenter des insuffisances dues au brassage vigoureux. Ledit dispositif selon l'invention est alors particulièrement adapté pour effectuer une séparation plus efficace des inclusions que la filtration, tout en assurant un complément de traitement des impuretés solubles, comme cela a été déjà dit. On peut encore utiliser le dispositif selon l'invention dans d'autres configurations. Par exemple dans une installation de traitement par les gaz de métal brut de grand débit, comportant plusieurs compartiments de traitement avec rotor, on peut par exemple substituer un des compartiments de traitement par le dispositif de l'invention qui pourra ainsi faire fonction a la fois de traitement des impuretés solubles par le gaz et de séparation des inclusions améliorée. Les configurations d'utilisation évoquées ci-dessus ne sont bien sûr pas limitatives. Le dispositif est d'une mise en oeuvre simple. Par rapport à une installation de filtration sur lit ou mousse filtrante, les contraintes d'exploitation sont significativement allégées ; il n'y a plus par exemple a préchauffer les média filtrant, ni a l'imprégner par du métal liquide, avec les risques que présentent ces opérations : gradient de températures préjudiciables à la qualité du métal coulé, colmatage des média filtrants, relargage des inclusions. De plus le dispositif de l'invention ne nécessite que des nettoyages plus simples et espacés que ceux d'un filtre : il y a seulement à évacuer les résidus décantés dans les zones tranquillisées. Comme perfectionnement du dispositif selon l'invention, on peut prévoir de disposer des moyens de chauffage, par exemple du type thermoplongeur à résistance électrique blindée, dans les zones tranquillisées pour maîtriser de façon très précise la température du métal liquide traité. Un autre aspect de l'invention est le procédé découlant du dispositif ; dans ledit procédé la totalité du flux de métal liquide traverse au moins un ensemble comprenant un rideau continu de gaz de traitement suivi directement par un volume calme. La figure 1 illustre non limitativement la vue en coupe verticale d'un dispositif selon l'invention installé à la suite d'une poche de traitement de metal liquide brut par insufflation de gaz à l'aide d'un rotor. Mais comme cela a été dit il pourrait aussi bien être utilisé seul ou dans d'autres configurations. Les figures 2 et 3 donnent des vues en plan d'autres variantes concernant la disposition des rideaux et des zones tranquillisées. On voit en (1) la poche de traitement, comportant une enceinte (2) avec un moyen d'entrée (3) du métal liquide brut (4) ; un rotor (5) muni d'un arbre (6), servant également d'amenée de gaz, disperse ledit gaz dans le metal liquide. Le métal traité est évacué par le moyen de sortie (7) situé à la base d'un baffle (9) séparant la poche de traitement (1) de la poche selon l'invention (8) et servant également de moyen d'alimentation de ladite poche selon l'invention (8) en métal liquide traite. Mais il va de soi que la localisation des entrées et sorties de métal liquide n'est pas limitée ; elles peuvent se situer sur n'importe quelle face de la poche, sur une même face, sur des faces adjacentes ou opposées, par le haut, par le fond, immergées ou non, a n'importe quelle hauteur, etc..., de même il peut y avoir plusieurs entrées et/ou plusieurs sorties. A l'intérieur de l'enceinte (10) de la poche selon l'invention (8) sont disposés deux ensembles en série comportant chacun un rideau de gaz (11) alimenté par une pièce poreuse (12) située en fond de poche et s'étendant sur toute la largeur de l'enceinte de façon continue ; le rideau de gaz est suivi par un volume calme (13) de décantation. En amont du premier rideau de gaz se trouve un espace d'alimentation (14), tandis qu'en amont du moyen de sortie (15) se trouve une paroi émergée (16) plongeant dans le métal liquide et retenant les crasses surnageant sur ledit métal liquide. Les flèches représentent le sens de circulation du métal. La figure 2 illustre une poche selon l'invention où les reperes ont la même signification que dans la figure 1. Dans cet exemple on voit que les zones tranquillisées (13) ont une section de passage du métal liquide supérieure à celle du rideau de bulle de gaz (12) pour diminuer la vitesse de métal liquide et augmenter son temps de séjour. On voit que ce dernier est réalisé à l'aide de plusieurs barrettes poreuses, situées dans le fond de la poche, accolées de telle façon que le rideau de bulle soit continu. La figure 3 illustre une autre poche selon l'invention dans laquelle le rideau de bulles (12), est obtenue par accolement de plusieurs diffuseurs (par exemple pièces poreuses de grande longueur) décalés les uns par rapport aux autres, le flux du métal liquide traversant en diagonale les zones tranquillisées (13) et étant évacué de la derniere zone tranquillisée par une ouverture (17) située dans le baffle (16) à l'opposé du rideau de bulles (12) correspondant. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour traiter au défilé un flux de métal liquide comportant des impuretés dissoutes et en suspension, comprenant une enceinte caractérisé en ce que cette enceinte contient au moins un ensemble constitué par un rideau de gaz traversant la totalité de la section du flux de métal liquide puis une zone calme où le flux de métal liquide se purifie grâce à une décantation facilitée. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le flux de metal liquide a été préalablement traité par un gaz. 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le traitement préalable par un gaz a été effectué au moyen d'un rotor d'injection de gaz. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le gaz est inerte vis à vis du métal traité et est de preference de l'argon. 5. Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que le gaz inerte contient un gaz réactif vis à vis des impuretés, de préférence du chlore. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le rideau de bulles est obtenu à l'aide d'un diffuseur situé au fond de l'enceinte et s'étendant sur toute la largeur dudit flux. 7. Procédé de traitement d'un flux de métal liquide contenant des impuretés dissoutes et en suspension caractérisé en ce que la totalité du flux traverse au moins un ensemble comprenant un rideau continu de bulles de gaz suivi directement par un volume calme.