Brevet FR2730653A1 — publié le 19960823

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 natures diverses. Les procédés de moulage en sable font intervenir, en tant que matériau constitutif 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 moules 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 de celles 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 enrobant les grains intervient. 1l peut 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 confère 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. I1 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 complètement 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 produire 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. La technique antérieure a ainsi proposé des traitements combinant les méthodes ci-dessus rappelées. C'est ainsi qu'il est connu de faire subir au sable usagé un premier traitement mécanique visant à fragiliser la gangue enrobant les grains, puis un traitement thermique d'oxydation des résines et composants organiques et enfin un traitement mécanique visant à ôter la gangue résiduelle. Une telle technique présente un réel intérêt car elle permet d'abaisser le pourcentage de produits indésirables inclus à moins de 1 %. Un tel résultat n'est cependant pas de nature à rendre le sable régénéré apte à permettre une réutilisation au même titre que du sable neuf. En effet, des essais avec du sable régénéré allié à des résines polyuréthannes ont mis en évidence que les éprouvettes obtenues présentaient une résistance mécanique à la flexion compnse entre 10 et 20 bars suivant la méthode normalisée par l'Association de la Fonderie, alors que des éprouvettes identiques réalisées à partir de sable neuf présentaient une résistance mécanique de l'ordre de 28 à 31 bars. Ainsi, en pratique, le véritable problème qui se pose est toujours celui de pouvoir régénérer efficacement un sable de fonderie usagé et de nature hétérogène comme cela est le cas dans la plupart des fonderies. I1 ne semble pas, à la connaissance des demandeurs, que la technique antérieure dispose d'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'hétérogénéité dû à la proportion et au nombre de différents produits liants enrobant les grains de sable à traiter. Pour atteindre cet objectif, le procédé de régénération par dégangage thermique de sables de fonderie usagés, du type consistant à introduire en partie basse d'un four de calcination le sable à traiter constitué de grains enrobés d'une gangue, à établir dans ce four un lit de sable fluidisé par apport d'un fluide introduit sous pression relative en partie basse du lit, à chauffer par des moyens statiques extérieures au four, la matière constitutive du lit, à assurer l'alimentation du four en sable à traiter, de manière à provoquer une migration ascendante au sein du lit fluidisé, puis à prélever en partie haute du lit le surplus de sable traité, est caractérisé en ce qu'il consiste à:: - enrober préalablement les grains de sable avec au moins une substance à caractère inflammable imprégnant la gangue des grains, - alimenter le four avec un tel sable prétraité, - faire naître par choc thermique au sein du lit une dilatation différentielle entre la gangue et les grains, de manière à provoquer au moins la fragilisation de la gangue, - oxyder ensuite les parties organiques de la gangue des grains durant la migration ascendante au sein du lit, - puis soumettre le sable à un traitement mécanique détachant la gangue des grains. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence au dessin annexé qui montre, à titre d'exemple non limitatif, une forme de réalisation de l'objet de l'invention. La figure unique est une représentation schématique d'une installation de régénération pour la mise en oeuvre du procédé. L'installation telle qu'illustrée par la figure 1 montre de façon schématique la mise en oeuvre d'un four de calcination 1 qui est établi sous la forme d'une colonne verticale dont la base est pourvue d'une sole ajourée 2, de tout type convenable, dont la maille équivalente est inférieure à celle de la granulométrie des grains de sable à régénérer. Le four 1 comporte en dessous de la sole 2 un fond 3 à la base duquel est raccordée une ligne 4 de fourniture d'un fluide de fluidisation qui peut être de toute nature gazeuse appropriée et, de préférence, d'une nature gazeuse oxygénée. La fourniture de ce fluide sous pression est assurée, par exemple, par un surpresseur 5, bien que des moyens différents puissent être mis en oeuvre. La base du four de calcination est pourvue d'un système 6 d'alimentation, par exemple, du type à vis d'Archimède, dont l'orifice de sortie avoisine le plan de la sole 2. Le four de calcination comporte par ailleurs, à une hauteur H du système 6, un dispositif 7 de soutirage qui peut être statique, en étant constitué par un déversoir à seuil ou dynamique, en étant formé par un dispositif de reprise du type vis d'Archimède. Le dispositif 7 détermine en conséquence un niveau maximal 8 par rapport à la sole 2, un tel niveau étant situé à distance du dessus 9 du four 1 à partir duquel une cheminée d'évacuation 10 s'élève pour raccorder le ciel du four à toute installation d'évacuation, de dépoussiérage et de lavage des fumées de calcination. Bien que cela ne soit pas représenté, il est compréhensible que le four de calcination est inséré dans une disposition structurelle permettant d'en assurer son isolement pour éviter une déperdition de l'énergie de chauffage qui est dispensée par des moyens 11 à caractère statique, tels que des résistances électriques qui sont disposées au moins à l'extérieur de la périphérie du four de calcination 1, au moins sur la hauteur H. Le dispositif de soutirage 7 est raccordé par une ligne 12 à une trémie de stockage temporaire, voire de refroidissement, 13, à partir de laquelle une ligne 14 permet une reprise du sable traité, comme cela est exposé dans ce qui suit. La reprise peut être assurée par l'intermédiaire, notamment, d'un lanceur pneumatique 15. Selon l'invention, le système d'alimentation 6 est raccordé à une ligne 20 qui est issue de la base d'un mélangeur 21 à fonctionnement continu ou intermittent, par exemple du type de ceux utilisés en fonderie. Dans le cas de fonctionnement intermittent, la canalisation 20 peut être isolée du mélangeur 21 par l'intermédiaire d'une vanne 22 à ouverture séquentielle programmée. Le mélangeur 21 est raccordé par une ligne 23 à une trémie 24 de stockage de sables usagés devant être traités. Bien que cela ne soit pas représenté, la trémie 24 est remplie de façon continue ou séquentiellement à partir d'une installation de recyclage des sables de moules de fonderie utilisés, de tels moules étant pris en charge par un dispositif de décochage, de broyage, de fragmentation et de désolidarisation des mottes résiduelles. La trémie 24 est montée sur un dispositif de pesage 25 chargé d'apprécier la fourniture massique en sables à traiter, en direction du mélangeur 21. Cette fourniture peut être assurée de toute manière convenable, en ayant recours à tout dispositif de transfert approprié. Généralement, la ligne 23 issue de la base de la trémie 24 est contrôlée par un sas d'isolement 26 dont le fonctionnement est, de préférence, placé sous la dépendance du système de pesée 25. Cette disposition est mise en oeuvre lorsqu'il convient d'isoler la gaine de transfert 23 en cas de recours à un fonctionnement discontinu d'alimentation du mélangeur 21. Au sens de l'invention, le mélangeur 21 est prévu pour assurer l'incorporation aux sables usagés devant être traités, d'une substance à caractère inflammable contenue dans un réservoir 27 raccordé au mélangeur 21 par une canalisation 28. Pour la mise en oeuvre du procédé, la canalisation 28 est pourvue d'un doseur réglable 29 qui peut être préréglé pour délivrer une masse de substance en proportion de la masse de sable fournie par la gaine 23. n peut être prévu d'asservir le fonctionnement du doseur 29 au système de pesée 25. Bien que cela ne soit pas représenté, le mélangeur 21 est de tout type approprié pour assurer l'incorporation homogène à une charge de sables usagés d'une masse proportionnelle de la substance inflammable qui peut être choisie de nature diverse, mais de préférence parmi les substances hydrocarbonées. A titre d'exemple, la substance à caractère inflammable présente la composition massique suivante 85 % de carbone, 14 % d'hydrogène et 1 % d'oxygène. La mise en oeuvre du procédé par dégangage thermique à partir de l'installation décrite ci-dessus s'effectue de la façon suivante. A supposer qu'il s'agisse d'une première mise en service, une quantité de sables à régénérer est stockée dans le four de calcination 1 pour constituer un lit 30 de hauteur H établi entre la sole 2 et le niveau 8 de soutirage du dispositif 7. Les moyens de chauffage 11 sont alimentés pour monter en température la masse de sables constituant le lit 30 qui est fluidisé par fourniture en continu du fluide de fluidisation au moyen de la ligne 4. Lorsque les conditions optimales recherchées de mise en fonctionnement préalable sont atteintes, le processus de régénération peut alors être engagé. A titre d'exemple, la hauteur H est voisine de 2 m, la température du lit 30 comprise entre 580 et 900" C et le débit de fluidisation du lit 30 voisin de 1200 Nm3 / h. Le mélangeur 21 est alimenté pour recevoir, par exemple, dans le cas d'un fonctionnement séquentiel, une charge déterminée de sables à régénérer fournie par la trémie 24 via la gaine de transfert 23. Proportionnellement à cette masse de sables reçue, le doseur 29 délivre la quantité de substance inflammable convenable, laquelle est déversée dans le mélangeur 21 qui est mis en fonctionnement pour assurer l'imprégnation du sable et l'homogénéisation de cette imprégnation. Selon une disposition connue, la substance peut être pulvérisée par une buse en même temps que se produit un mélange-brassage au droit de la pulvérisation. La phase d'imprégnation vise, dans le cas de sables de fonderie, à considérer que chaque grain de sable est entouré d'une pellicule, d'un film ou d'une gangue d'un produit liant qui peut être, comme évoque précédemment, soit de la bentonite, soit une composition à base de résine. Les conditions de moulage antérieures ont produit un durcissement de cette gangue, à caractère peu ou prou poreux, et l'objectif de cette première étape du procédé de l'invention est d'imprégner cette gangue avec la substance inflammable stockée dans le réservoir 27. La proportion de substance inflammable utile pour mener à bien une telle opération d'imprégnation fait intervenir une fourniture de substance dans une proportion de 0,2 à 4 % de la masse de sables à traiter. Le mélangeur a pour fonction d'assurer une bonne répartition et homogénéisation de la substance inflammable, de manière à pouvoir ensuite alimenter le système 6, après ouverture de la vanne 22, dans le cas d'un processus séquentiel. Le système 6 assure alors, par exemple, avec débit d'alimentation voisin de 6 T/heure, la fourniture du sable usagé et imprégné à la base du lit 30 fluidisé. Durant une période qui peut être estimée à environ deux secondes, les molécules de substance inflammable imprégnées dans la gangue poreuse sont soumises à la température moyenne du lit 30 fluidisé qui est, par exemple, voisine de 600 à 700 C. Cette mise en présence provoque un état d'auto-inflammation qui induit une cinétique d'oxydation rapide des molécules de substance inflammable, entraînant un dégagement de chaleur intense et localisé à la couche de gangue enrobant chaque grain de sable. Cette couche s'échauffe beaucoup plus vite que le grain de sable, en raison du faible transfert conductif à l'intérieur de la silice. Cet échauffement localisé, rapide, entraîne un phénomène de dilatation différentielle entre la gangue et le grain de silice et cette dilatation différentielle provoque une fragilisation, sinon une rupture ou fragmentation de la gangue enrobant les grains. n peut être évalué que des températures locales comprises entre 1400 et 2000 C peuvent être atteintes pour la gangue, lors de cette phase d'autoinflammation et cette température locale comparée à celle moyenne du lit fluidisé voisine de 600 à 700" est la cause de la dilatation différentielle permettant de provoquer la fragilisation, sinon la fragmentation et la rupture de la gangue enrobant les grains. L'auto-inflammation avec brutale élévation de température produit un autre effet lorsque la gangue renferme des molécules d'eau, comme cela peut être le cas avec du sable traité à la bentonite. En effet dans ce cas, la brutale montée en température est appliquée aux molécules d'eau qui sont vaporisées avec augmentation de volume et établissement d'une tension de vapeur interne. Cette vaporisation est responsable elle-aussi d'une fragilisation, voire d'une fragmentation, de la gangue. Supplémentairement, cette élévation de température produira la combustion de particules de carbone incluses, lorsqu'elle existe, ce qui favorise le bilan thermique, mais contribue aussi à fragiliser, voire fragmenter, la gangue étant donné qu'elle se réalise au sein de cette dernière. Selon l'invention, il est avantageusement prévu d'entretenir l'auto- inflammation en maintenant une pression partielle d'oxygène à l'intérieur du lit fluidisé 30. Cette pression partielle d'oxygène, par exemple comprise entre 0,15 et 0,25 bar pour les conditions de fonctionnement ci-dessus, est entretenue par l'intermédiaire du fluide de fluidisation distribué par la ligne 4. Lorsque les combustions locales ont eu lieu, les grains de sable poursuivent leur migration ascendante à l'intérieur du four, en raison de l'alimentation par le système 6. Les grains de sable atteignent ainsi progressivement la température du lit, laquelle permet l'oxydation complète des polluants ou produits organiques dans la mesure où le temps de séjour est suffisant à cette fin. Les conditions de conduite du procédé selon l'invention sont choisies pour faire intervenir un temps de migration ascendante, au moins égal à 30 minutes et le plus généralement voisin de une heure, de manière que les grains de sable soient dépourvus de tout produit oxydable, lorsqu'ils atteignent le niveau 8 permettant leur reprise par le dispositif de soutirage 7. Il doit être noté que la substance inflammable imprégnant la gangue contribue, de façon positive, au bilan thermique fonctionnel du four, étant donné que les microcombustions locales qui interviennent dans le lit 30 permettent de contribuer au maintien de la température de ce dernier, en réduisant l'aspect fonctionnel des moyens de chauffage 11. Le sable traité, prélevé par le dispositif de soutirage 7, est conduit jusqu'à la trémie 13 pour y être temporairement stocké, voire refroidi, la chaleur prélevée pouvant être réutilisée à des fins diverses. Selon un développement de l'invention, la ligne 14 est avantageusement raccordée à une unité 40 de traitement mécanique mettant en oeuvre un procédé de frottement, d'éclatement, de projection, visant à ôter la gangue fragilisée, voire déjà fracturée, par rapport aux différents grains de sable, pour en assurer la séparation définitive. L'unité 40 peut ainsi comporter un étage 41 d'éclatement au moyen d'un écran 42 situé en face de la sortie de la ligne 14 chargée de projeter, par l'intermédiaire du lanceur 15, le sable traité issu de la trémie 13. L'étage 41 communique par une canalisation 43 avec un étage de frottement-abrasion 44 comprenant un mobile tournant 45 disposé à l'intérieur d'une enveloppe 46 pour être présenté face à la sortie de la canalisation 43. Le mobile 45 est du type connu pour produire, par frottement et centrifugation, une abrasion des grains, en vue de provoquer l'éclatement, la séparation, l'usure des parties de gangue entre elles et/ou adhérant encore aux grains. Le mélange de grains de sable désenrobés et de particules, voire de fines de gangue, est dirigé ensuite vers un réservoir-tampon 47 à partir duquel il peut être conduit de toute manière appropriée vers un séparateur 48 fournissant par une sortie 49 un sable régénéré, traité, définé et propre à une réutilisation, et, par une sortie 50, les particules et fines de gangue dont le caractère inerte permet d'envisager alors toute réutilisation possible, en tant que charges minérales propres à des usages divers. 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 par dégangage thermique de sables de fonderie usagés, du type consistant à introduire en partie basse d'un four de calcination (1) le sable à traiter constitué de grains enrobés d'une gangue, à établir dans ce four un lit (30) de sable fluidisé par apport d'un fluide introduit sous pression relative en partie basse du lit, à chauffer, par des moyens statiques extérieurs au four, la matière constitutive du lit, à assurer l'alimentation du four en sable à traiter, de manière à provoquer une migration ascendante au sein du lit fluidisé, puis à prélever en partie haute du lit le surplus de sable traité, caractérisé en ce qu'il consiste à - enrober préalablement les grains de sable avec au moins une substance à caractère inflammable imprégnant la gangue des grains, - alimenter le four avec un tel sable prétraité, - faire naître par choc thermique au sein du lit une dilatation différentielle entre la gangue et les grains, de manière à provoquer au moins la fragilisation de la gangue, - oxyder ensuite les parties organiques de la gangue des grains durant la migration ascendante au sein du lit, - puis soumettre le sable à un traitement mécanique détachant la gangue des grains. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait naître le choc thermique par auto-inflammation de la substance inflammable de la gangue des grains au sein du lit fluidisé porté à température convenable. 3 - Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la substance à caractère inflammable est un produit hydrocarboné et en ce que la température convenable du lit est comprise entre 580 et 9003 C. 4 - Procédé selon l'un des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on assure l'enrobage des grains de sable en mettant en présence du sable usagé et la substance à caractère inflammable dans une proportion massique de ladite substance comprise entre 0,2 et 4 %. 5 - Procédé selon l'un des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on adopte des conditions d'alimentation en sable à traiter, de fluidisation du lit, de maintien de hauteur de lit fluidisé (30), de manière à imposer aux grains de sable à traiter une durée de séjour avec migration ascendante au sein du lit, au moins égale à 30 minutes. 6 - Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on entretient l'auto-inflammation de la substance inflammable en faisant régner au sein du lit une pression partielle d'oxygène. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pression partielle d'oxygène est assurée par admission d'oxygène à partir du fluide de fluidisation. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soumet le sable traité et extrait du four à au moins un traitement mécanique de désenrobage. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on soumet le mélange issu du traitement mécanique à une étape de séparation des grains de sable et des particules de gangue. 10 - Installation de régénération de sables de fonderie usagés, du type comprenant un four de calcination (1) associé à des moyens de chauffage (11) statiques extérieurs, une arrivée basse de sable à régénérer et un moyen de soutirage haut de sable traité, un lit de fluidisation établi intérieurement au four et monté en température par les moyens de chauffage, une ligne de fourniture d'un produit gazeux de fluidisation du lit et une cheminée d'évacuation des fumées de combustion, caractérisée en ce que l'arrivée fournissant le four en sable à régénérer est raccordée en amont à un mélangeur (21) auquel aboutissent une gaine de transfert (23) de sables usagés et une canalisation (28) de fourniture d'une substance à caractère inflammable. 11 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la gaine de transfert (23) est contrôlée par un sas d'isolement (26) placé sous la dépendance d'un système de pesée (25) associé à une trémie de stockage de sables usagés. 12 - Installation selon la revendication 10 ou 11, caractérisée en ce que la canalisation de fourniture (28) est raccordée à un doseur (29) disposé à la sortie d'un réservoir (27) de stockage et dont le fonctionnement est préréglé pour délivrer une masse de substance à caractère inflammable en proportion de la masse de sables fournie par la gaine. 13 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le mélangeur (21) travaille en continu.