Brevet FR3023194A1 — publié le 20160108

DISPOSITIF DE RECYCLAGE DE SABLE DE FONDERIE [0001] L'invention porte sur un dispositif de recyclage de sable de fonderie. La fonderie est une technologie destinée à fabriquer des pièces métalliques brutes par coulée puis solidification d'un alliage métallique dans un moule. Le moule peut être en sable, il est détruit après solidification de la pièce métallique afin de la libérer, et ne sert donc qu'une fois. Dans le cas de pièces creuses, comme celles présentes dans les groupes motopropulseurs de véhicules de type automobiles telles que des carters cylindres, on ajoute dans le moule des noyaux dont les contours vont délimiter, dans la pièce métallique, la forme des cavités. Les noyaux sont également en sable, et également détruits à la libération de la pièce hors du moule. [0002] Cependant, les formulations du sable pour les moules (qu'on désigne aussi sous le terme de « sable à vert ») et du sable pour les noyaux ne sont pas exactement les mêmes : Le sable utilisé pour constituer les moules comprend généralement au moins un additif minéral, généralement de type argileux, comme de la bentonite, qui joue le rôle de liant assurant la cohésion du moule. Le sable utilisé pour constituer les noyaux comprend généralement des additifs de type liants organiques et minéraux assurant une « prise chimique » du noyau. [0003] Le sable de moulage une fois utilisé, (qu'on appellera alors dans le présent texte sous le terme de sable « usé ») ne peut pas être réutilisé tel que, dans la mesure où il n'est plus, ou plus totalement pulvérulent, mais se présente sous une forme plus ou moins agglomérée, et que les liants minéraux ont pu se modifier et se répartir de façon inhomogène dans la matrice sableuse. Dans la pratique, ce sable usé peut être recyclé pour des applications hors du domaine de la fonderie, en tant que matériau à faible valeur ajoutée dans le domaine routier ou dans le domaine de la construction, sans ou avec peu de traitement post-opération de moulage : il peut notamment être intégré en tant que charge dans des matériaux de remblai ou dans des cimenteries. [0004] II est par ailleurs connu de traiter thermiquement les sables, notamment les sables de noyautage à liant organique, en vue de les recycler dans le domaine de la fonderie. Un exemple en est donné dans la demande de brevet FR 2 278 425, qui propose un traitement des sables usés par une machine vibrante puis un tamisage. Un autre exemple en est donné dans la demande de brevet FR 2 483 814, qui propose un broyage du sable usé, puis une opération d'attrition et enfin de séchage, le séchage ayant pour but de maintenir l'humidité résiduelle du sable sous la barre des 0,8% en poids. Il s'est cependant avéré que ces traitements étaient insuffisants pour garantir une qualité de sable traité permettant leur recyclage effectif en fonderie. [0005] Il est également connu de la demande de brevet W02013/026579 une régénération de sable usé par un traitement mécanique puis un traitement thermique. Cependant, le traitement thermique envisagé ici n'est pas un simple séchage, mais un chauffage à très haute température (au moins 500 °C) destiné à désactiver la fonction des liants présents dans le sable usé en les brûlant. Ce traitement à haute température est complexe de mise en oeuvre et très consommateur en énergie. [0006] L'invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients. Elle cherche notamment à mettre au point un nouveau dispositif et/ou un nouveau procédé pour le traitement des sables usés de fonderie en vue de pouvoir les recycler en tant que sable de fonderie à nouveau. [0007] L'invention a tout d'abord pour objet un dispositif de recyclage de sable de fonderie de moule de type argileux, qui comprend une pluralité de modules de traitement successifs dont plusieurs modules d'attrition, et des moyens de convoyage pour transporter le sable d'un module à l'autre, et qui prévoit un cheminement du sable d'un module au suivant selon un parcours vertical ascendant/descendant ou descendant/ascendant. [0008] On comprend le terme « attrition » dans son acception habituelle : il s'agit d'exercer des frottements sur le sable usé pour le rendre à nouveau pulvérulent et pouvoir en extraire plus facilement, uniquement de façon mécanique, les additifs. Généralement, le module se présente sous forme d'une cuve munie de meules, avec un mouvement relatif entre la cuve et les meules provoquant le frottement du sable usé entre la cuve et les meules. [0009] Ce traitement en plusieurs étapes s'est avéré très efficace, et autorise le sable traité à être réutilisé pour faire du sable de moulage ou de noyautage. Le fait que le dispositif autorise un cheminement du sable selon un parcours essentiellement vertical est également très avantageux, en termes de compacité de l'installation de traitement. Ce dispositif peut donc être disposé au plus près des installations de fonderie, pour pouvoir récupérer le sable usé puis le recycler avec une économie dans le transport et le stockage du sable usé. [0010] De préférence, le dispositif comprend un module de déferrage du sable. On comprend le terme « déferrage » au sens large comme l'opération consistant à extraire les particules métalliques du sable usé. En effet, lors de la coulée du métal en fusion dans le moule, des particules métalliques peuvent diffuser au moins superficiellement dans l'épaisseur du sable. Les extraire du sable usé permet de recycler le sable, mais aussi les particules métalliques, qui, elles, pourront être réintroduites dans une composition métallique à fondre. [0011] Avantageusement, le déferrage peut être opéré par des moyens magnétiques. [0012] Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend un dispositif de récupération des particules métalliques extraites lors du déferrage et destinées à être recyclées dans des pièces métalliques de fonderie. [0013] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend au moins un module de dépoussiérage et/ou extraction des fines. Ces fines sont généralement composées de noir de carbone, d'argile et de silice. Quand il y a plusieurs modules successives, on a observé généralement que la première extraction de fines, celles-ci sont très riches en argile et en noir de carbone, et elles peuvent donc, elles aussi, être recyclées pour constituer le liant de sable neuf ou recyclé. Au fur et à mesure des extractions, il s'avère que les fines s'enrichissent en silice et qu'elles ne sont plus recyclables. Il reste possible de les valoriser en tant que charge pour des matériaux de remblai par exemple ou dans les ciments. [0014] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend un module de séchage du sable. On peut ainsi, en fonction de la température, de la durée du séchage et du taux d'humidité du sable usé, régler le taux d'humidité résiduel dans le sable en fin de traitement (la phase de séchage sert à enlever l'humidité et à la faire tendre vers 0%). [0015] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend un module de refroidissement du sable. Il a pour fonction de refroidir le sable après une phase de séchage pour éviter que celui-ci ne rentre dans les modules d'attrition avec une température trop élevée, ce qui diminuerait l'efficacité de l'attrition. [0016] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend au moins deux modules d'attrition traitant en série le sable à traiter. Selon la quantité de sable usé à traiter et du dimensionnement des cuves dans lesquelles l'attrition du sable est opérée, il peut être préférable de prévoir jusqu'à quatre modules fonctionnant en série et au-delà. Pour donner un ordre de grandeur non limitatif, un module d'attrition peut traiter environ 3 tonnes de sable par heure. [0017] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend au moins quatre modules d'attrition traitant successivement le sable. Il s'est avéré que quatre traitements d'attrition successifs pouvaient être nécessaires, notamment pour parvenir à retirer les pellicules d'argile sur les morceaux de sable agglomérés. [0018] Les moyens de convoyage sont de préférence choisis parmi des moyens de transport pneumatique, des moyens élévateurs. On peut aussi simplement utiliser la gravité dans le trajet descendant du sable usé à traité, ce qui rend d'autant plus attractive la disposition essentiellement verticale des modules. [0019] De préférence, l'entrée pour le sable à traiter et la sortie pour le sable traité sont sensiblement sur un même niveau et à proximité l'une de l'autre. Avantageusement, ils ne sont espacés par aucun des modules, tous situés à un niveau différent dans le dispositif, ce qui rend le chargement en sable usé et le déchargement en sable traité aisé. [0020] De préférence, le dispositif selon l'invention comprend des modules d'attrition qui sont répartis en groupes de modules disposés les uns au-dessus des autres, chaque groupe comportant plusieurs modules traitant en série le sable à traiter. [0021] L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre du dispositif décrit précédemment, procédé qui traite du sable de fonderie argileux de moule pour recyclage pour faire du sable de fonderie de moule de type argileux ou pour faire du sable de fonderie de noyautage de type à liant(s) organique(s). [0022] L'invention a également pour objet un procédé de mise en oeuvre du dispositif décrit précédemment, procédé qui extrait les particules métalliques du sable de fonderie comme composant pour fondre des pièces de fonderie métallique. [0023] L'invention sera décrite ci-après plus en détails à l'aide d'un exemple de réalisation non limitatif illustré par la figure unique suivante : - Figure 1 : le dispositif de traitement de sable usé selon un exemple conforme à l'invention ; - Figure 2 : le processus de traitement de sable usé selon le même exemple conforme à l'invention ; - Figure 3 : une vue de dessus d'une portion de module d'attrition appartenant au dispositif de la figure 1 ; - Figure 4 : une vue de l'évolution d'un agglomérat de sable à traiter en cours de traitement par les modules d'attrition du dispositif de la figure 1. [0024] Les références correspondant à un même composant gardent la même référence d'une figure à l'autre. [0025] La figure 1 (ainsi que les figures 3 et 4) est schématique et les différents modules ne sont pas nécessairement à l'échelle pour en faciliter la lecture. Le dispositif de traitement de sable usé de fonderie 1 de l'invention est représenté tel qu'il est positionné dans l'espace dans une installation industrielle de fonderie de pièces métalliques de type pièces de moteur thermique. [0026] La figure 2 est un schéma des différentes étapes de traitement du sable usé par le dispositif de la figure 1 : les deux figures seront donc décrites ensemble. [0027] Le dispositif 1 est verticalisé : les flèches à la figure 1 indiquent le cheminement général du sable usé depuis l'entrée du dispositif (flèche f1) jusqu'à la sortie du sable traité (flèche fn). Le sable usé S est donc amené dans le dispositif de traitement 1 par une trémie 2 de réception du sable usé de moulage. Ce sable est donc partiellement aggloméré, contient un certain taux de particules métalliques, et des résidus de liant minéral de type argile (bentonite) et noir de charbon. [0028] La première étape de traitement A consiste à cribler le sable : il s'agit de faire passer le sable S provenant d'une trémie à travers un crible afin d'en retirer les déchets de relative grande taille du type tissus. Après criblage on prévoit une étape B de séchage pour diminuer le taux d'humidité résiduel du sable (dispositif de criblage et de séchage non représentés en figure 1). [0029] L'étape C (non représentée à la figure 1) consiste à opérer un refroidissement du sable. Cette étape est de préférence à effectuer derrière l'étape de séchage (sans étape de traitement intermédiaire donc entre séchage et refroidissement). [0030] L'étape D s'opère dans un module M1 de déferrage du sable. Il s'agit de faire passer le sable S au voisinage d'aimants assez puissants pour extraire les particules métalliques par un « tambour » magnétique, puis de récupérer ces particules afin de les recycler pour faire des pièces de fonderie dans une étape D' non détaillée ici. De préférence, le module M1 est aussi proche du sol que possible, pour simplifier la récupération et le transport sur site des particules métalliques. [0031] Une fois deferré, le sable est monté dans une colonne élévateur à godets 3 pour être dépoussiéré dans un module M2 de dépoussiérage pour une étape de dépoussiérage E par des moyens pneumatiques visant à en extraire des fines, qui, selon leur formulation, pourront être valorisables en tant qu'additif pour sable de moulage de fonderie (si leurs taux en argile et noir de carbone dépassent un certain seuil) ou en tant que charge hors fonderie (si leurs taux en argile et noir de carbone descendent sous un seuil donné). [0032] Les trémies M3,M3' en parallèle viennent ensuite alimenter deux modules d'attrition M4,M4' qui viennent traiter successivement le sable dans une étape F. Des fines revalorisables sont extraites à ce stade dans une étape F' non détaillée ici. Les modules d'attrition utilisés seront détaillés à l'aide de la figure 3 par la suite. [0033] Par gravité, le sable sortant des modules M4,M4' vient ensuite alimenter successivement deux modules d'attrition supplémentaires M5,M5' dans une étape G. Des déchets dits ultimes car non valorisables, sans valeur ajoutée significative sont extraits à ce stade dans une étape G' non détaillée ici. [0034] Le sable a ainsi été traité par quatre modules d'attrition successivement, avant de passer dans des trémies collectrices 5,5' qui vont permettre de rassembler le sable traité S' dans des moyens de stockage 6 pour évacuation (flèche fn) vers une unité de fonderie. [0035] La figure 3 représente, en vue de dessus, un des modules d'attrition M4. Il comprend une cuve c et deux meules m de forme sensiblement annulaires. La cuve est apte à être mue en rotation, et les meules sont aptes à s'approcher de celle-ci à l'aide de vérins v. Le principe est le suivant : la cuve tourne sur elle-même selon un axe vertical, les meules sont approchées de la cuve, et le sable est introduit dans la cuve en venant s'insérer entre les parois internes de la cuve et les meules, le sable se trouvant ainsi broyé mécaniquement entre cuve et meules. [0036] La figure 4 représente un agglomérat de sable usé à trois stades de traitement : au stade s1, avant le traitement par attrition (après l'étape E par exemple), on voit le sable s1 entièrement enrobé dans une gaine d'argile a ; - au stade s2, après traitement par deux modules d'attrition (fin étape F), l'agglomérat s2 présente une gaine d'argile a' modifiée, qui n'enrobe plus que partiellement le sable ; - au stade s3, après traitement par les deux modules d'attrition suivants (fin étape G), on voit que le sable est complètement débarrassé de sa gaine d'argile. On vérifie donc que les quatre traitements successifs sont ici nécessaires pour bien séparer le sable (composant principal : silice) des additifs de type argile. [0037] Il s'est avéré que plusieurs traitements successifs dans plusieurs dispositifs d'attrition étaient nettement plus efficaces qu'un traitement plus long dans un seul, et ceci pour plusieurs raisons : D'une part, ce séquençage permet de traiter globalement plus vite le sable à traiter (de fait, dans un site de fonderie, la quantité de sable à traiter peut approcher et dépasser 10 000 tonnes par an). D'autre part, il permet de moduler les temps de séjour du sable dans les différents modules : on choisit de raccourcir les temps de séjour depuis le premier jusqu'au dernier module. En outre, cela permet de faire deux étapes de récupération de fines (F',G') de compositions et de valorisation différentes. [0038] A noter que le procédé selon l'invention permet de pousser le recyclage sur site à son maximum, puisque les particules métalliques sont recyclées en fonderie (D'), que le sable S' l'est également, et que les fines peuvent aussi être revalorisées sur site (F') car à base de liant minéral (argile, bentonite, noir de carbone) donc pouvant être réutilisées comme additif de sable de moulage. [0039] A noter aussi que la répartition et le nombre des modules d'attrition peut varier. On peut ainsi placer tous les modules les uns en dessous des autres, pour faciliter le transport du sable, par gravité, d'un module à l'autre notamment. Un autre choix peut aussi consister à les disposer tous sur un même plan. [0040] A noter que, de préférence, le processus de dépoussiérage s'effectue depuis la première étape de traitement jusqu'à la dernière étape de traitement. Les fines récupérées sont intéressantes jusqu'à la fin de la 2ème passe d'attrition, après il y a trop de silice. [0041] La qualité du sable S' ainsi traité permet de l'utiliser en tant que sable de noyautage. Cette qualité est notamment quantifiée : - par la mesure de sa granulométrie, (granulométrie notamment mesurée par un indice AFS 56/57 donné par une répartition de sable sur des tamis, indice définissant l'état de finesse du sable : plus l'indice est élevé, plus le sable est fin), et/ou - par la mesure de son taux d'argile réel, qui est donné par la mesure de la demande acide inférieure à 3. On peut aussi utiliser ce sable traité pour faire du sable de moulage, en lui incorporant les additifs, notamment le liant organique, ad hoc. [0042] C'est une réelle amélioration par rapport aux solutions antérieures, car la qualité du sable traité S' est suffisante pour un recyclage en fonderie, et car le procédé de traitement se fait à froid, de façon essentiellement mécanique, avec une compacité d'installation très intéressante et une consommation énergétique raisonnable. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de recyclage de sable de fonderie de moule de type argileux, caractérisé en qu'il comprend une pluralité de modules (M1,M2,M3,M3',M4,M4',M5,M5') de traitement successifs dont plusieurs modules d'attrition, et des moyens de convoyage (3) pour transporter le sable d'un module à l'autre, et en ce qu'il prévoit un cheminement du sable d'un module au suivant selon un parcours vertical ascendant/descendant ou descendant/ascendant. 2. Dispositif (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un module (M1) de déferrage du sable, notamment opéré par des moyens magnétiques. 3. Dispositif (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de récupération des particules métalliques extraites lors du déferrage et destinées à être recyclées dans des pièces métalliques de fonderie. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un module (M2) de dépoussiérage et/ou extraction des fines. 5. Dispositif(1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un module de séchage du sable et/ou un module de refroidissement du sable. 6. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux modules d'attrition (M4,M5), et notamment quatre modules d'attrition ou plus, traitant successivement le sable. 7. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'entrée pour le sable à traiter et la sortie pour le sable traité sont sensiblement sur un même niveau et à proximité l'une de l'autre. 8. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les modules d'attrition sont répartis en groupes de modules (M4,M4' ; M5,M5') disposés les uns au-dessus des autres, chaque groupe comportant plusieurs modules traitant en série une partie du sable à traiter. 9. Procédé de mise en oeuvre du dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il traite du sable de fonderie argileux de moule pour recyclage pour faire du sable de fonderie de moule de type argileux ou pour faire du sable de fonderie de noyautage de type à liant(s) organique(s). 10. Procédé de mise en oeuvre du dispositif (1) selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il extrait les particules métalliques du sable de fonderie comme composant pour fondre des pièces de fonderie métallique.10