Brevet FR2744377A1 — publié le 19970808

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SEPARATION DE PARTICULES CONTENUES DANS UN ECOULEMENT DE UQUIDE ELECTRO-CONDUCTEUR A L'AIDE DE FORCES ELECTROMAGNETIQUES DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention concerne la séparation d'inclusions (solides, liquides, gazeuses) non miscibles contenues dans un écoulement de liquide conducteur électrique, les particules ayant une conductivité électrique différente de celle du liquide, à l'aide de forces électromagnétiques obtenues au moyen d'un champ magnétique statique, en particulier les inclusions contenues dans une veine de métal liquide, par exemple l'aluminium. ETAT DE LA TECHNIQUE II est connu, par exemple du brevet FR 2614801, un procédé de séparation d'inclusions contenues dans un métal liquide qui consiste à appliquer à un milieu filtrant (par exemple masse poreuse, lit de granulat, bougie filtrante...) traversé par le métal liquide un champ de forces électromagnétiques obtenues: - soit à l'aide d'un courant continu passant dans le métal liquide en cours de filtration et dirigé parallèlement au flux de métal liquide; les forces électromagnétiques opérant la migration des inclusions vers les parois délimitant les pores du milieu filtrant résultent de l'action du champ magnétique statique, créé par le courant continu sur le courant continu lui même, - soit à l'aide d'un courant continu et d'un champ magnétique statique perpendiculaire à la direction de filtration; dans ce cas des forces électromagnétiques statiques résultent également de l'action du champ magnétique statique sur le courant continu. II est également connu du brevet US 4909836 ou du document J.of - Metals. vol.47 number 5 p.46 (Mai 1995) un procédé de séparation des inclusions d'un métal liquide par action d'un champ magnétique alternatif sur un flux de métal liquide traversant une chambre comportant des canaux longitudinaux séparés par des baffles; cette configuration de canaux a pour but de contrarier et atténuer les effets de brassage ou de convection qui se produisent uniquement avec l'emploi d'un champ alternatif; les inclusions de plus de 40 pm sont récupérées sur les baffles ou les parois de la chambre; le métal ainsi traité passe ensuite dans un filtre qui récupère les inclusions plus petites. II est par ailleurs connu, par exemple par le brevet US 5238051, de couler en continu des brames d'acier à section rectangulaire en présence d'un champ magnétique continu statique appliqué en général au niveau du moule; ce champ a nécessairerment une direction perpendiculaire au flux de métal liquide et sert à diminuer la vitesse d'introduction dudit métal liquide dans le moule de coulée et dans le puits de solidification de la brame en cours de solidification. Un tel procédé, s'il permet par certains aspects d'améliorer la qualité du métal coulé, se limite à éviter que les inclusions solides polluantes soient entraînées profondément dans le puits de solidification avec le jet de métal liquide. Ainsi les inclusions se décantent plus facilement grâce à la densité élevée de l'acier liquide et se concentrent plutôt en surface de la brame à tel point que pour les éliminer il est généralement nécessaire, après solidification, d'ôter une couche extérieure de métal. Une telle décantation ne se produit pratiquement pas avec l'aluminium liquide parce qu'il a une densité beaucoup plus faible et que le puits de solidification est beaucoup moins profond (de l'ordre au moins de 10 fois). Les champs appliqués sont habituellement inférieurs à 0,4 T, les forces électromagnétiques appliquées au métal liquide s'exercent dans le sens opposé à celui de son écoulement. La demanderesse a cherché à simplifier la séparation des inclusions d'un métal liquide, surtout les plus petites, en évitant l'emploi de milieux filtrants, jamais simples à mettre en oeuvre et dont l'efficacité est aléatoire pour les plus petites inclusions en raison de problèmes de colmatage par les, et de relargage des, inclusions. Elle a de plus cherché à diminuer la quantité d'inclusions présentes dans le métal liquide après que celui-ci ait subit les procédés de filtration connus, tout en évitant l'emploi malaisé de courant électrique d'origine extérieure traversant ledit métal liquide. Et elle a encore cherché à séparer les inclusions les plus petites, celles qui n'ont pas été retenues par les procédés connus de filtration, en particulier celles inférieures à 40 pm, donc à améliorer la qualité du métal liquide. DESCRIPTION DE L'INVENTION Un premier aspect de l'invention est un procédé de séparation des inclusions contenues dans un écoulement liquide conducteur électrique, les inclusions et le liquide ayant des conductivités électriques différentes, à l'aide de forces électromagnétiques caractérisé en ce qu'on soumet ledit écoulement à un flux magnétique hétérogène dans l'espace, ledit flux magnétique résultant d'un champ magnétique statique continu. Le procédé permet ainsi de dévier toutes les inclusions dans une même direction en général radiale au sein du liquide en mouvement, ce qui permet de les concentrer dans une zone de l'écoulement, généralement en bordure, et de les récupérer dans cette zone, le reste de l'écoulement étant ainsi débarrassé d'inclusions. Le procédé s'applique à tous les métaux liquides (y compris les aciers, le cuivre...), mais en particulier aux métaux ou liquides légers tels que l'aluminium, le magnésium et leurs alliages, et encore aux solutions salines aqueuses, sels fondus...où leur faible densité a peu d'effet sur la séparation des inclusions par décantation. Les inclusions sont solides, liquides ou gazeuses et sont en général isolantes électriquement. Elles peuvent provenir de traitements antérieurs du métal liquide. Dans le cas d'un métal liquide, le traitement selon l'invention est effectué de préférence juste avant la coulée. Un mode particulièrement intéressant est d'insérer le procédé et son dispositif au droit de la busette de coulée. Pour que la séparation s'effectue, il importe que les forces électromagnétiques dues à l'action du champ statique continu sur le courant induit généré au sein de l'écoulement de liquide conducteur, grâce au flux magnétique variable dans l'espace, exercent une pression suffisante sur les inclusions qui se déplacent au sein dudit liquide. II apparaît que cette séparation est totalement différente d'une décantation. Dans le cas favorable où les inclusions sont isolantes électriquement, les forces exercées seront d'autant plus grandes et la séparation aisée. Le champ magnétique est avantageusement supérieur à 1 T; mais ce qui importe le plus c'est que la variation temporelle de flux due à l'écoulement de métal liquide dans le gradient spatial de flux soit suffisante pour engendrer des forces électromagnétiques permettant de dévier les inclusions jusqu'en bordure ou au centre dudit écoulement. La variation temporelle de flux est généralement supérieure à 25.10-6 Wb/s. Le flux magnétique hétérogène dans l'espace peut être obtenu à l'aide d'un gradient ou variation spatiale de champ magnétique dans l'écoulement. Mais il est plus avantageux de l'obtenir en faisant varier ou en modifiant la forme de la section droite de l'écoulement, le long de l'écoulement. Pour améliorer les résultats, on peut combiner l'emploi d'un champ variable dans l'espace et d'une section droite de l'écoulement variable de façon telle que leurs effets sur les inclusions s'additionnent. Le champ magnétique peut être obtenu à l'aide d'au moins un, ou une paire d'aimant(s) permanent(s) ou d'électro-aimant(s) à courant continu. En particulier on utilise souvent une bobine entourant ledit écoulement. II est avantageux pour obtenir des flux de valeur suffisante d'utiliser des bobines ou électro-aimants supraconducteurs Dans le cas d'une bobine ceinturant l'écoulement on obtient des forces électromagnétiques permettant de dévier les inclusions dans une direction radiale perpendiculairement à la direction générale dudit écoulement. Quand on utilise un flux hétérogène obtenu à l'aide d'un gradient spatial de champ magnétique, on peut avantageusement opérer avec un écoulement annulaire dont la section droite est une couronne de section constante le long de l'écoulement. Cette section peut être par exemple circulaire ou rectangulaire, de façon à ce que l'écoulement se produise dans les zones où le champ magnétique et le gradient de champ sont les plus intenses et à ce que la distance radiale à parcourir par les inclusions, pour les séparer en les amenant à la périphérie extérieure ou intérieure dudit écoulement annulaire, est minimale. La forme de la section droite de l'anneau peut être identique le long de l'écoulement mais elle peut également varier. Ce dernier mode de réalisation est en particulier adopté quand le champ magnétique est uniforme pour obtenir un flux magnétique variable dans l'espace; on peut aussi l'utiliser quand le champ magnétique présente un gradient spatial pour accroître le flux magnétique hétérogène dans le liquide et donc améliorer la séparation des inclusions. Un mode de réalisation particulièrement avantageux consiste à utiliser un écoulement de section annulaire circulaire qui a une section conique ou tronconique dans le sens de l'écoulement. Ainsi l'écoulement à section droite de forme variable dans le sens de l'écoulement peut être obtenu en délimitant ledit écoulement à l'aide, par exemple, de deux troncs de cône de même angle au sommet emboîtés l'un dans l'autre mais en laissant un espace entre eux. Les deux troncs de cône peuvent aussi avoir des angles au sommet différents et leurs sections droites peuvent être identiques (par exemple circulaires ou carrées) ou différentes (par exemple circulaire et carrée, ovale et rectangulaire, etc...), concentriques ou non, etc... La direction du champ est indifférente. Cependant cette direction est généralement telle que la variation de flux obtenue génère un champ de forces électromagnétiques au sein du liquide conducteur orienté dans le sens opposé à celui en direction duquel on veut que les inclusions de plus faible conductivité soient déviées. Ainsi dans le cas d'une bobine entourant un écoulement ayant une section droite annulaire constante, les inclusions sont récupérées sur la bordure extérieure dans la mesure où le liquide se dirige d'une zone à champ moins intense vers une zone à champ intense (variation positive de flux) et inversement pour les récupérer sur la bordure intérieure ou au centre. Dans le cas d'un écoulement conique convergent le long de l'écoulement, les inclusions sont récupérées vers l'intérieur de l'écoulement quel que soit le sens du champ, ce dernier ayant par ailleurs une direction générale dans l'axe de l'écoulement. Dans ce cas la variation spatiale de flux est négative. En d'autres termes une variation positive de flux magnétique dans le sens de l'écoulement dévie les inclusions vers l'extérieur, alors qu'une variation négative les dévie vers l'intérieur. Différents moyens existent pour récupérer et éliminer de l'écoulement liquide les inclusions déviées. On peut par exemple inclure en bordure de l'écoulement, dans la zone de récupération, un matériau poreux (réfractaire dans le cas du traitement des métaux liquides) qui retiendra et piègera les inclusions. On peut également installer des déflecteurs, ou tout autre moyen de prélèvement, dans la zone de récupération pour dévier et soutirer la partie de l'écoulement chargée en inclusions déviées et récupérer par ailleurs l'autre partie épurée. Les figures la et 1 b permettent de mieux comprendre et illustrer l'invention. Dans les figures la et lb le chenal d'écoulement a une section annulaire circulaire de forme constante. II comprend une enveloppe extérieure (1) et un noyau (3) situé au centre de l'enveloppe extérieure (1) de façon à former l'écoulement annulaire (4) ayant une section droite de forme constante (couronne circulaire). II est alimenté en métal liquide, dont on voit le niveau (5), par la busette (6). Dans la version la la récupération des inclusions est effectuée dans la partie supérieure de l'écoulement, dans une zone où la variation spatiale de flux est positive dans le sens de l'écoulement du métal liquide, à l'aide d'un revêtement réfractaire poreux (2) situé sur la face intérieure de l'enveloppe (1). Dans la version 1 b la récupération est effectuée dans la partie inférieure de l'écoulement, dans une zone où la variation de flux est négative, le revêtement réfractaire poreux (2') étant alors situé sur le noyau (3). En (7) on voit une bobine supraconductrice dans son enveloppe cryogénique (8). Elle délivre un champ magnétique statique (H) de direction générale parallèle à l'axe de l'écoulement présentant un gradient spatial principalement à proximité des extrémités de la bobine (7). II se produit ainsi un flux magnétique hétérogène dans l'écoulement annulaire de section constante et le liquide conducteur est le siège d'un champ de forces électromagnétiques F agissant par réaction sur les inclusions qui sont repoussées dans la direction D (radiale extérieure ou intérieure) pour être piégées par le réfractaire poreux (2'). La force est d'autant plus élevée que la variation de flux est élevée, autrement dit que le gradient spatial de champ magnétique est élevé et que le champ est élevé, c'est-à-dire à proximité des extrémités de la bobine et de l'enveloppe extérieure du chenal. Le liquide épuré est évacué en (9). Dans le cas d'un écoulement d'aluminium liquide comportant des inclusions électriquement isolantes de diamètre maximum 35 pm, circulant dans un écoulement annulaire circulaire d'épaisseur 20 mm et de rayon moyen constant 40 mm, situé dans une bobine (7) de hauteur 26 cm délivrant un champ magnétique de 3,5 T en son centre, selon une vitesse de 24 cm/sec (débit de 10 t/h), la surpression en amont étant d'environ 1 bar, étant de 4,5 m comptée entre (5) et (9), on observe une déviation complète des inclusions. Le même appareillage appliqué à un écoulement de cuivre liquide contenant des inclusions de 20 pm et ayant une vitesse de 13 cm/sec donne une efficacité de 75%. La figure 2 donne un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel le flux magnétique variable est en plus obtenu en faisant varier la forme de la section droite de l'écoulement; la récupération des particules est effectuée par déflecteur. L'enveloppe extérieure (1) comporte, dans sa partie supérieure, une forme en tronc de cône divergent (10) dans laquelle vient prendre place la partie supérieure conique (3a) du noyau (3), délimitant ainsi une portion d'écoulement annulaire conique divergent (4a). La partie supérieure conique (3a) est prolongée à sa partie inférieure par une partie cylindrique (3b), concentrique à l'enveloppe extérieure (1), délimitant une portion d'écoulement annulaire circulaire (4b,c) de forme constante. L'enveloppe extérieure (1) est entourée par une bobine (7) dont la partie médiane se situe à hauteur de l'écoulement annulaire conique supérieur (4a). La bobine crée un champ continu statique dirigé verticalement, son sens étant indifférent. La partie médiane de la bobine correspondant à la portion d'écoulement conique (4a) délivre un champ magnétique maximum et ne présentant pratiquement pas ou peu de gradient spatial. Ainsi le flux magnétique hétérogène dans l'écoulement, donc la déviation des inclusions, est obtenu par la variation de la forme de la section droite de l'écoulement grâce à sa forme conique. Dans le cas de la figure, avec cône divergent, la variation de flux est positive et les inclusions sont déviées vers la paroi extérieure de l'écoulement conique. La séparation des inclusions se fait à l'aide d'un déflecteur (11) qui sépare l'écoulement en deux flux à la sortie de la portion conique d'écoulement (4a), le flux extérieur (4b) chargé en inclusions déviées, le flux intérieur (4c) épuré. Le flux chargé (4b) en inclusions est récupéré en (12) et le flux épuré en (13). II est à noter que le long d'un écoulement de métal il est possible de mettre en oeuvre plusieurs champs magnétiques successifs pour compléter le traitement d'une partie de l'écoulement, par exemple le flux contenant les impuretés afin de les concentrer, ou le flux épuré pour améliorer encore son épuration, si nécessaire. Un autre aspect de l'invention est un dispositif de séparation d'inclusions contenues dans un écoulement de liquide conducteur électrique, les inclusions et le liquide ayant des conductivités électriques différentes, comprenant un moyen, ou conteneur, pour canaliser l'écoulement, un moyen magnétique pour créer un flux magnétique hétérogène continu dans ledit écoulement; ce moyen comprend généralement au moins un, ou une paire d'aimant(s) permanent(s) ou d'électro-aimant(s) à courant continu, ou une bobine à courant continu entourant le conteneur, ledit électro-aimant ou ladite bobine étant avantageusement supraconducteurs. Le flux magnétique hétérogène peut être obtenu à l'aide d'un moyen magnétique produisant un gradient spatial de champ magnétique statique continu au sein de l'écoulement ou à l'aide d'un conteneur comportant des moyens faisant varier la forme de la section droite le long dudit écoulement; ces deux moyens peuvent être combinés. REVENDICATIONS 1. Procédé de séparation d'inclusions contenues dans un écoulement liquide conducteur électrique, les inclusions et le liquide ayant des conductivités électriques différentes, à l'aide de forces électromagnétiques caractérisé en ce que l'on soumet ledit écoulement à un flux magnétique hétérogène dans l'espace, ledit flux magnétique résultant d'un champ magnétique statique continu. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le flux hétérogène variable dans l'espace et l'écoulement de métal liquide sont tels que la variation de flux dans ledit écoulement est supérieure à 25.10-Wb/s. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le flux magnétique hétérogène est obtenu à l'aide d'une variation spatiale du champ magnétique dans l'écoulement. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le flux magnétique hétérogène est obtenu en faisant varier la forme de la section de l'écoulement le long dudit écoulement. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on combine les moyens des revendications 3 et 4. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'écoulement est annulaire. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'écoulement annulaire a une forme de section constante le long de l'écoulement. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'écoulement est conique. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le champ magnétique est obtenu à l'aide d'au moins un électro aimant ou une bobine entourant l'écoulement, alimentés en courant continu, de préférence un électro-aimant ou une bobine supraconducteur. 10. Dispositif pour séparer des inclusions d'un écoulement de métal liquide à l'aide de forces électromagnétiques, comprenant un moyen dans lequel circule ledit écoulement et au moins un moyen magnétique pour créer un flux magnétique hétérogène continu dans ledit écoulement. 1 1 Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que le moyen pour créer un flux magnétiaue hétérogène comprend au moins une bobine entourant l'écoulement parcourue par un courant électrique continu. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 ou 1 1 caractérisé en ce que le moyen d'écoulement a une section droite annulaire. 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 12 caractérisé en ce que le moyen d'écoulement est de forme conique dans le sens de l'écoulement et permet d'obtenir le flux magnétique hétérogène.