Poche de chloruration d'alliages d'aluminium destinée à éliminer le magnésium

Abstract

 La présente invention est relative à une poche de chloruration au passage et à co-courant d'alliages d'aluminium en fusion.
Elle est partagée, par une cloison verticale (6) laissant avec le fond un espace (7) pour la circulation de métal, en un compartiment d'alimentation (8) et un compartiment de traitement (9) dans lequel est immergé un rotor (10) distributeur de gaz chloré. Elle est caractérisée en ce que le compartiment de traitement est fermé à sa base par une paroi horizontale (13) qui s'étend au niveau du bas de la cloison et qui est percée en son centre par une ouverture dont l'axe coincide avec l'axe de rotation du rotor.
Elle trouve son application dans l'élimination du magnésium des alliages d'aluminium et permet avec des poches de capacité voisine de 1 m³ et donc facilement manoeuvrable d'atteindre des capacités de traitements de l'ordre de 20 T/h avec des rendements d'élimination convenables.

Description

[0001] La présente invention est relative à une poche destinée - à éliminer le magnésium contenu dans des alliages d'aluminium suivant la technique de "chloruration" c'est-à-dire par traitement du métal en fusion avec du chlore gazeux ou tout autre composé gazeux du chlore, y compris les hydrocarbures chlorés.

[0002] La fabrication par coulée de semi-produits en aluminium ou en alliage d'aluminium tels que plaques, billettes, etc ... met en oeuvre soit de l'aluminium "primaire" provenant directement de l'électrolyse d'un bain d'alumine et de cryolithe, soit de l'aluminium "secondaire" obtenu par refusion de déchets, soit également d'un mélange des deux types de métal.

[0003] Dans les deux derniers cas, le métal contient notamment comme impureté du magnésium dont la teneur peut atteindre plusieurs pour-cents en poids pour l'aluminium secondaire et dont la présence est généralement néfaste à un déroulement convenable des étapes ultérieures de transformation du métal.

[0004] C'est pourquoi. il est nécessaire avant coulée de procéder à une opération dite d'affinage en vue d'éliminer cette impureté jusqu'à un niveau relativement faible et qui ne doit pas dépasser pour certaines applications quelques centaines de ppm.

[0005] Les procédés actuels d'élimination du magnésium dits de "demagging" peuvent être divisés en trois catégories :

- les procédés électrochimiques tels que ceux désignés sous le nom d'électrolyse trois couches et dans lesquels le passage d'un courant électrique continu à travers le métal à purifier à l'état fondu permet de séparer le magnésium à la cathode.

- les procédés mettant en oeuvre des flux solides à base d'AlCl₃, d'AlF₃ et autres sels qui sont mélangés à l'aluminium liquide à purifier de manière à former avec le magnésium soit des chlorures, soit des fluorures et qui, en raison de leur masse spécifique relativement faible, montent à la surface du bain où ils sont séparés de l'aluminium.

- les procédés de chloruration consistant à faire barboter du chlore gazeux dans le bain d'aluminium à purifier où il va réagir de préférence avec le magnésium pour donner un chlorure liquide qui sera également séparé à la surface du bain.

[0006] Chacun de ces types de procédés présente des avantages et des inconvénients ; mais, c'est le troisième qui est actuellement le plus largement utilisé dans l'industrie bien qu'il pose quelques problèmes d'émissions de fumées, de formation importante de chlorure d'aluminium et soit d'une efficacité réduite quand la teneur en magnésium du métal à traiter est relativement faible.

[0007] Dans son principe. le procédé de chloruration est basé sur le fait que thermodynamiquement le magnésium a plus d'affinité pour le chlore que l'aluminium de sorte que préférentiellement, on a la réaction suivante :


et que le chlorure d'aluminium, qui se forme en partie, concourt lui-même au "demagging" grâce à la réaction :

[0008] Cependant, en raison de la masse relativement importante d'Al, par rapport au magnésium, toute la masse d'AlCl₃ qui s'est formée n'est pas utilisée dans la deuxième réaction et l'est d'autant moins que la concentration en Mg est plus faible, de sorte, que comme il est dit à la page 55 du "Journal of Metals" de Juillet 1982, on est obligé d'utiliser jusqu'à 15 kg de chlore pour éliminer 1 kg de magnésium, alors que théoriquement cette quantité est de 2,95 kg.

[0009] D'où les efforts de l'homme de l'art pour essayer d'améliorer ces rendements d'utilisation en chlore notamment en concevant des dispositifs de traitement mieux adaptés aux réactions énoncées ci-dessus.

[0010] C'est ainsi que le brevet français 2 200 364 enseigne un réacteur, partagé en plusieurs chambres, équipées chacune d'un injecteur de chlore rotatif et dans lesquelles la chloruration du magnésium, en s'effectuant, progressivement, permet d'atteindre des quantités de chlore voisines de 3 kg par kg de magnésium. Toutefois, comme il est dit dans un article tiré de Light Metals 1978 de la Metallurgical Society of A.I.M.E., un tel réacteur peut comporter trois chambres dont chacune a pour dimensions 760-1200 mm de long et 600 mm de large. Ceci conduit donc dans une fonderie à une installation occupant une partie du sol relativement importante, et par conséquent, difficile à manoeuvrer lors des opérations de vidange, de décrassage ou autre. Il en résulte des frais d'entretien relativement élevés sans parler des frais initiaux d'investissement également importants.

[0011] C'est pourquoi la demanderesse tout en retenant le principe d'élimination du magnésium au passage par un gaz chloré émis par un rotor a eu pour but dans son invention de trouver un dispositif dans lequel on évite les inconvénients de l'encombrement et de la fixité des dispositifs de l'art antérieur, c'est-à-dire de mettre au point une poche de volume relativement petit mais qui présente néanmoins une capacité de traitement supérieure aux poches concurrentes.

[0012] C'est après de nombreux essais pilote qu'elle est arrivée à la conclusion que, pour résoudre son problème, la seule solution était de recourir au traitement du métal par le gaz en faisant circuler les deux fluides dans le même sens et de la façon la plus rationnelle possible. Dans ce but, elle a conçu une poche au passage à co-courant industrielle constituée de façon classique par une enveloppe métallique externe, un garnissage réfractaire interne, une goulotte d'entrée et une goulotte de sortie du métal, une cloison interne verticale laissant avec le fond de la poche un espace pour la circulation du métal et partageant la poche en un compartiment d'alimentation et un compartiment de traitement unique dans lequel est immergé un rotor à dispersion radiale de gaz chloré mais, caractérisée en ce que le compartiment de traitement est fermé à sa base par une paroi horizontale qui s'étend au niveau du bas de la cloison et qui est percée en son centre par une ouverture dont l'axe coincide avec l'axe de rotation du rotor.

[0013] L'invention consiste donc à incorporer dans une poche classique une paroi horizontale complémentaire qui isole davantage le compartiment de traitement du compartiment d'alimentation et permet au moyen d'une ouverture judicieusement placée dans l'axe du rotor distributeur de gaz chloré de canaliser le métal suivant une direction particulière qui est de même sens que la trajectoire des gaz émis radialement par le rotor et sensiblement parallèle à celle-ci. Avec une telle poche, on s'approche des conditions idéales de circuiation à co-courant.

[0014] Certes, la circulation à co-courant en elle-même a été utilisée dans l'art antérieur. Ainsi, dans le brevet français 2 200 364, on peut voir que dans la deuxième chambre de traitement, le métal et le gaz circulent dans le même sens. Mais, il s'agit ici plutôt d'une commodité pour faire passer le métal d'une chambre à l'autre, que d'une intention délibérée d'utiliser la circulation à co-courant. A l'appui de cette affirmation, on peut faire remarquer qu'aucune mention n'est faite dans ce brevet d'une efficacité plus grande du traitement au niveau de cette deuxième chambre. De ce fait, ce type de circulation est réalisé sans aucune précaution particulière et plutôt de façon incorrecte puisque le métal débouche dans la chambre en circulant parallèlement au fond - du réacteur.

[0015] Les résultats obtenus par la demanderesse, en reproduisant effectivement les conditions d'une circulation à co-courant, montrent que ce type de circulation est indispensable pour obtenir une meilleure épuration en magnésium.

[0016] En effet, ayant mis en oeuvre deux poches de traitement, chacune ayant une capacité de 1 m³ de métal liquide environ dans lesquelles on fait passer un débit de 10 T/h d'un même alliage en fusion contenant 0,5 % Mg, en utilisant le même type de rotor avec le même débit de gaz chloré et en faisant fonctionner l'une à contre-courant et l'autre à co-courant suivant les moyens de l'invention, elle a constaté que les rendements d'utilisation en chlore en fonction de la teneur finale en magnésium étaient les suivants pour chaque type de circulation :

Il est à noter que si, pour des teneurs finales en magnésium relativement importantes, le type de circulation importe peu, par contre pour des teneurs plus faibles, le type à co-courant apporte une amélioration sensible et ceci pour des poches de dimensions plus petites que celles utilisées dans l'art antérieur et dans lesquelles circule un débit de métal relativement plus important.

[0017] La paroi horizontale du compartiment de traitement de la poche selon l'invention est de préférence équipée d'une ouverture circulaire bien que toute autre section de contour semblable à celui de la section horizontale du compartiment soit utilisable. Ce qui importe, c'est d'avoir une certaine similitude permettant aux trajectoires de métal et de gaz de présenter une répartition géométrique régulière par rapport à l'axe du rotor et d'assurer au mieux les conditions d'une circulation à co-courant. La section de cette ouverture est de préférence comprise entre 1/10 et 1/15 de la section du compartiment de traitement, rapports qui ont conduit aux résultats les meilleurs.

[0018] Du point de vue amenée du métal à l'ouverture, il est préférable également pour assurer une alimentation régulière et éviter les perturbations dans l'écoulement qui nuiraient à l'obtention d'une circulation à co-courant correcte, d'équiper de préférence le fond de la poche d'un canal d'écoulement du liquide qui initialement au niveau de la cloison a dans un plan horizontal une largeur voisine de celle de la poche et va ensuite en se retrécissant pour atteindre près de l'ouverture une largeur correspondant à la plus grande dimension de l'ouverture.

[0019] Quant au rotor à distribution radiale, sa face inférieure est placée le plus près possible de l'ouverture tout en laissant un espace d'au moins 0,02 m de hauteur. Ce rotor a une section horizontale de dimensions voisines de celles de l'ouverture.

[0020] Ce rotor peut être de tout type à distribution de gaz radiale, tel que par exemple celui décrit dans le brevet français 2 512 067 qui peut être utilisé en supprimant ou non les canaux de circulation de liquide. Il doit simplement comporter un nombre suffisant de canaux de gaz pour assurer un débit allant jusqu'à 240 kg/h de gaz chloré et permettre ainsi des capacités de traitement de plusieurs tonnes à l'heure même avec des alliages particulièrement chargés en magnésium. Ce gaz chloré peut être du chlore élémentaire ou tout autre dérivé chloré généralement utilisé dans la chloruration de l'aluminium.

[0021] Etant compacte et de dimensions réduites, la poche de chloruration, objet de la présente invention, pourra être du type ayant fait l'objet du brevet français 2 514 370 et permettre donc de procéder à l'élimination du magnésium en bénéficiant de toutes ses avantages, à savoir :

- Vidange totale du métal contenu dans la poche, par simple basculement en fin de coulée, donc sans perte de métal et sans le moindre risque de mélange avec le métal de l'opération suivante.

- Changement instantané de métal ou d'alliage sans aucune autre manoeuvre que le basculement, ce qui permet de travailler en coulées continues ou discontinues même avec des alliages successifs incompatibles entre eux.

- Facilité de décrassage en cours de traitement par la partie amovible du couvercle, ce qui est particulièrement utile dans les coulées continues de longue durée.

- Facilité de nettoyage en fin de traitement par basculement longitudinal (ou latéral, selon le cas) de la poche vide, ce qui permet d'éliminer tous résidus de crasses et de métal solidifié, qui risqueraient de polluer la charge suivante.

- Système de chauffage indépendant de la poche, ce qui autorise l'échange ou la réparation sans perturber les opérations en cours.

- Possibilité de surchauffer rapidement le métal en démarrage de coulée.

- Pas de limitation dans le choix du type d'injecteur d'agent de traitement : tous les types rotatifs, actuellement connus, sont adaptables sans difficultés.

- Permutation rapide de l'injecteur et du système de chauffage, ce qui permet d'utiliser la fonction voulue au moment voulu.

- Enlèvement et remise en place rapides du couvercle, que ce soit pour inspection visuelle, décrassage, récupération du chlorure de magnésium formé.

- Peu de risque de corrosion par l'air et les agents de traitement du fait de la conception simple et du choix des matériaux.

- Captage aisé des effluents gazeux.

[0022] On peut y associer d'autres avantages tels que les possibilités d'automatisation intégrale de toutes les manoeuvres de basculement, de levée et de pose du couvercle, de levée, de permutation et de pose du système de chauffage et de l'injecteur, de préchauffage, de maintien en température, etc ... ces manoeuvres pouvant être programmées, avec les différentes sécurités et interdictions nécessaires, et centralisées sur une console placée à distance, qui pilote également la centrale hydraulique commandant les différents vérins de basculement et de montée-descente du couvercle, du système de chauffage et de l'injecteur.

[0023] L'invention sera mieux comprise à l'aide de la planche de dessins qui représentent : figure 1 une coupe verticale suivant un plan médian longitudinal d'une poche selon l'invention et figure 2 une coupe horizontale suivant un plan X'X de la figure 1.

[0024] Sur la figure 1, on distingue une enveloppe métallique (1) externe, un garnissage réfractaire (2) interne, une goulotte d'entrée (3), une goulotte de sortie (4) du métal à traiter (5), une cloison interne (6) verticale laissant avec le fond de la poche un espace (7) pour la circulation du métal et partageant la poche en un compartiment d'alimentation (8) et un compartiment de traitement (9) dans lequel est placé un rotor (10) animé par le mouvement de rotation de l'arbre (11) relié à un moteur non représenté placé au-dessus du couvercle (12). Le compartiment (9) est fermé à sa base par une paroi horizontale (13) qui s'étend au niveau du bas de la cloison et qui est percée en son centre par une ouverture (14) dont l'axe coïncide avec l'axe du rotor.

[0025] En fonctionnement, le métal passe par l'ouverture (14) suivant des trajectoires (15) à co-courant des trajectoires de gaz (16) émis radialement par le rotor. Sous l'action du gaz chloré, le magnésium réagit pour former du chlorure de magnésium liquide qui vient s'accumuler à la surface du bain de métal en fusion pour former une couche (17) tandis que le métal épuré s'écoule par la goulotte de sortie (4).

[0026] Sur la figure 2 qui est une coupe de la poche suivant un plan X'X de la figure 1, on distingue l'enveloppe métallique (1) externe, le garnissage réfractaire (2) interne, le compartiment d'alimentation (8), la cloison (6) verticale, la trace du canal (18) d'écoulement du métal vers l'ouverture (14).

[0027] L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple d'application suivant : Une poche de hauteur utile 1 m ayant un compartiment d'alimentation de dimensions utiles 1 m x 0,15 m et un compartiment de traitement de dimensions utiles 1 m x 1 m, équipée d'une goulotte d'entrée et d'une goulotte de sortie permettant de travailler avec une hauteur de métal de 0.80 m, a été équipée d'une paroi horizontale distante du fond de 0,05 m munie d'une ouverture centrale circulaire de diamètre 0,32 m ; un rotor de diamètre 0,32 m, de hauteur 0,275 m équipé de 136 trous de diamètre 0,0015 m tournant à une vitesse de 250 tours/minute a été placé à une distance de 0,03 m de la paroi et dans l'axe de l'ouverture.

[0028] Cette poche a été alimentée en continu en alliage d'aluminium, à température convenable pour le maintenir entre 750 et 800° C dans le compartiment de traitement, et en chlore pur.

[0029] Suivant les débits mis en oeuvre et la teneur initiale en magnésium, les résultats obtenus en ce qui concerne la teneur finale en magnésium, le débit de chlore et le rendement ont été les suivants :

[0030] On constate donc qu'avec une poche de capacité voisine de 1 m³, on peut atteindre des capacités de traitement de l'ordre de 20 tonnes/heure avec un rendement d'élimination en magnésium convenable.

Revendications

1. Poche de chloruration au passage, à co-courant, d'alliages d'aluminium en fusion, destinée à éliminer le magnésium, constituée par une enveloppe métallique (1) externe, un garnissage réfractaire (2) interne, une goulotte d'entrée (3) et une goulotte de sortie (4) du métal, une cloison interne (6) verticale laissant avec le fond de la poche un espace (7) pour la circulation du métal et partageant la poche en un compartiment d'alimentation (8) et un compartiment de traitement (9) unique dans lequel est placé un rotor (10) à dispersion radiale de gaz chloré, caractérisée en ce que le compartiment de traitement est fermé à sa base par une paroi horizontale (13) qui s'étend au niveau du bas de la cloison et qui est percée en son centre par une ouverture (14) dont l'axe coïncide avec l'axe de rotation du rotor.

2. Poche selon la revendication 1. caractérisée en ce que la poche a une capacité utile au plus égale à 1 m³,

3. Poche selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section de l'ouverture est comprise entre 1/10 et 1/15 de la section du compartiment de traitement.

4. Poche selon la revendication 1. caractérisée en ce que l'écoulement du métal du bas de la cloison vers l'ouverture s'effectue le long d'un canal qui initialement au niveau de la cloison a dans un plan horizontal une largeur voisine de celle de la cloison et va ensuite en se rétrécissant pour atteindre près de l'ouverture une largeur correspondante à la plus grande dimension de l'ouverture.

5. Poche selon la revendication 1. caractérisée en ce que le rotor a une section horizontale de dimensions voisines de celles de l'ouverture.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rotor présente des canaux de distribution de gaz chloré de section suffisante pour assurer un débit atteignant 240 kg/h.

7. Poche selon la revendication 1. caractérisée en ce que le gaz chloré appartient au groupe constitué par le chlore élémentaire et ses dérivés.

Dessins