CA1184381A - Dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de metal liquide - Google Patents

Dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de metal liquide

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CA1184381A
CA1184381A CA000410173A CA410173A CA1184381A CA 1184381 A CA1184381 A CA 1184381A CA 000410173 A CA000410173 A CA 000410173A CA 410173 A CA410173 A CA 410173A CA 1184381 A CA1184381 A CA 1184381A
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Jacques Gimond
Richard Gonda
Jean-Marie Hicter
Pierre Laty
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Rio Tinto France SAS
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Abstract

L'invention concerne un dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de métal liquide. Ce dispositif comporte un rotor en forme de cylindre équipé de palettes plongeant dans le bain relié à un arbre de commande creux servant d'amenée de gaz, et est caractérisé en ce que le rotor est percé de canaux obliques couplés à des canaux radiaux dans lesquels circulent respectivement le métal et le gaz avant d'être mélangés à l'endroit où ces canaux se rejoignent en débouchant dans le bain pour former une dispersion fine qui est ensuite répartie dans le bain au moyen de palettes. Il trouve son application dans le traitement notamment de l'aluminium et de ses alliages, dont on veut éliminer l'hydrogène et les impuretés non métalliques.

Description

3~3~

La présente invention est rela-tive à un disposi-tif ro-tatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de metal liquide et, notammen-t, d'aluminium et de ses alliages.
Llhomme de llart sait qu'avan-t de procéder à la mise en forme de produits métallurgiques semi finis, il es-t necessaire de traiter le metal brut d'elaboration pour le debarrasser des gaz dissous et des impuretes non metal-liques qu'i.l contient et dont la présence nuirait aux pro-priétés souhaitées et à la facilité de solidification des pièces fabriquées.
Deux voies principales de traitement sont connues actuellement. la première consiste à faire passer le métal liquide à travers des milieux de filtrati.on iner-tes ou actifs qui retiennent les impuretés soit mécanique-ment, soit chimiquement, soit en exercant les deux effets;
la deuxième voie recour-t à l'utilisation de gaz inertes ou réactifs ou de leurs melanges, lesquels son-t brasses plus ou moins intensément avec le métal liquide, en pre-sence ou non de produits tels que des flux. Ces deux voies peuvent, d'ailleurs7 être combinées entre elles.
Suivant la deuxième voie, de nombreuses xéalisa-tions ont été faites portant, entre au-tres, sur la manière d'introduire le gaz dans le bain de métal et sur la facon d'obtenir une meilleure dispersion des gaz dans le liquide, sachant que l'efEicacité du traitement est liée à la sur-face interfaciale entre les deux phases. ~
C'est ainsi que, dans le brevet français No. 1 555 953, le gaz est amené dans le bain par un plon-geur dont la partie inférieure est équipée d'un dispositif rotatif assurant le brassage et la répartition du gaz à
travers une grande surface du bain.
~ans le brevet français No. 2 063 916, le gaz est insuffle dans le metal fondu au moyen d'une lance à
double enveloppe refroidie par eau.

Dans le brevet français No. 2 166 014, on injecte des gaz sous forme de petites bulles discrètes au moyen d'un dispositif consittué d'un arbre rotatif soli daire d1un rotor à ailettes, d'un manchon fixe entourant ledit arbre e-t relié a son e~-trémité inférieure à un sta-tor à ailettes: arbre et manchon sont separes par~un pas-sage axial dans lequel les gaz sont transportés puis intro-duits au niveau des ailettes où ils sont subdivisés en petites bulles et amenés en contact avec le métal agite par le rotor.
Dans le brevet français No- 2 200 36~, le gaz est introduit au centre de rotation d'un agitateur à tur-bine et mis en contact avec le métal liquide dans des conditions d'agitation évitant toute émulsification.
De nom~reuses autres solutions ont encore ete proposees visant à introduire le yaz sous forme de bulles tras petites. ~outeois, si chacune d'elles présente des avantayes spécifiques, -toutes ont l'inconvenient de ne conduire qu'à une dispersion irregulière des bulles de gaz dans le metal liquide.
En effet, si chaque buIle de gaz émise peut être petite au moment de sa formation, et donner lieu initiale-men-t et localement à la formation dlune dispersion fine, par contre, au cours de son cheminement dans le bain, elle grossit rapidement par coalescence avec d'autres bulles et forme alors une dispersion grossière. L'échange liquide-gaz se trouve singulièrement réduit pour les par-ties du bain n'ayant pas été en conta.ct avec le yaz à son point dlémission, d'où une eficacité aléatoire du traite-ment. Comme on ne peut échapper à ce phénomene de coales-cence, il est nécessaire de trouver un système dans lequel chacun des volumes elementaires du liquide constituant l'ensemble du bain à tr~iter, puisse former avec le gaz cette dispersion fine souhaitee pour obtenir une efica-cité Optimum.

~ !

C'es-t pourquoi la demanderesse a cherche et mis au point un dispositif rota-tif de dispersion de gaz pour le traitement de bain de metal liquide, de forme simple et, donc, de realisation facile et robuste avec lequel l'en-semble du bain, circulant entre l'entree et la sortie durecipient qui le contient, est resolu en une serie de veines liquides sur lesquelles le gaz exerce, de façon continue, son effet de penetration, de sorte que toute la masse du liquide connaisse, à un moment du traitement cet etat de dispersion fine biphasique liquide-gaz.
Ce dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de metal li~uide contenu dans un reci-pient comprend un rotor en forme de cylindre equipé de palettes plongeant dans le bain, relie à un arbre d'entraI-nement creux servant à l'amenee de gaz, et est caracteriseen ce que le rotor est perce de couples de canaux, chaque couple comprenant un canal qui sert au passage du liquide et l'autre, au passage du gaz, chacun de ces couples debou-chant separement en un meme poin-t de la surface laterale du cylindre de manière qu'en cet endroit, il se forme une dispersion fine de liquide-gaz, laquelle est ensuite repar-tie dans le bain au moyen des palettes.
~ e dispositif suivant l'invention comprend donc des elements connus, a savoir un rotor en forme de cylindre equipe sur sa paroi laterale de palettes ayant un contour quelconque, placees symetriquement par rapport à l'axe de rotation et disposees, soit verticalement~ soit obliquement de manière à former une helice à pas vers le haut ou vers le bas. Ce rotor est relie, en son cen-tre, et dans la direction de son axe, à la par-tie inferieure d'un arbre d'entrainement dont l'extremite superieure est en relation, par l'intermediaire dlun reducteur de vitesse, avec un moteur qui lui communique un mouvement de rotation.
Cet arbre est creux, de facon à amener au niveau du rotor un gaz admis a son extremite superieure au moyen, 3~

par exemple, d'une condui-te munie d'un joint tournant. De préférence, cet arbre est composé de deux materiaux diffé-rents: l'un~ pour la partie qui plonge dans le bain et qui est generalement du graphite, l~autre, pour la partie emergente et qui petu être un alliage métallique résistant à la corrosion lorsque le gaz de traitement contient du chlore par exemple. Cette partie de l'arbre peut être pourvue dlailettes de refroidissement pour évlter toute elevation de temperature trop importante, qui nuirait a la tenue de l'equipement relatif a l'amenee de gaz, et au mecanisme dlentralnemen-t.
La particulari-te du dispositif reside dans la presence, a l'interieur du rotor, le plus souvent en gra-phite, de couples de canaux de circulation de gaz et de canaux de circulation de metal perces dans la masse et disposes de manière originale.
Ainsi, en ce qui concerne le premiers, ils sont places radialement et se rejoignent tous au cen-tre du rotor en un endroit directement en relation avec la partie creuse de llarbre ou par l'intermediaire d'une chambre.
Ils debouchent tous dans le bain sur la paroi la-terale du cylindre, de preference, entre deux palettes. Leur section, généralement circulaire, est petite et varie en fonc-tion de la pression du gaz utilisé et du débit de gaz qu'on desire faire passer mais on peut de preference choisir des dia-mètres compris entre 0,1 et 0,4 cm.
Quant aux canaux de circulation de metal liquide, ils ont generalement une direction oblique par rapport à
l'axe du rotor et traversent ce dernier de part en part, prenant naissance soit sur sa face inferieure, soit sur sa face superieure, et debouchant sur la face laterale, à
l'endroit precis où débouchent les canalisations de circu-lation d~ ~az. Cette direction est inclinée généralement entre 10 et 60 degrés par rapport à l'horizontale. Leur section, géneralement circulaire, est superieure a celle des canaux de gaz, et varie çgalement en fonction du debit de metal que l'on desire traiter mais un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 cm convient parfaitement.
Le nombre de canaux des deux types etant le même, a chaque canal de gaz est associé un canal de liquide, d'où
un ensemble de couples de canaux a~an-t un point commun d'emergence dans le bain.
En fonctionnement, sous l'effet de la force cen-trifuge engendree par la ro-tation, le metal liquids dans les canaux qui lui sont destines. Ce deplacement s'effec-tue de bas en haut ou de haut en bas suivant que les canaux de liquide prennent naissance sur la face inferieure ou superieure du rotor. Le debit obtenu est fonction de la vitesse de rotation du rotor, du nombre de canaux, de leur section1 de leur inclinaison par rapport a la verticale, de la difference de niveau entre leurs extremites et de la distance entre l'endroit où ils prennent naissance et le centre du rotor.
Lorsque la liaison de l'arbre creux avec une source de gaz sous pression est etablie, on provoque dans les canaux de gaz llapparition d'un flux qui, en raison de la fa:ible section de ces derniers, conduit a des vitesses tres grandes à l'endroit où les veines de liquide debou-chent dans le bain. Il en resulte alors une dispersion fine des deux phases et un melange intime entre le gaz et le métal sur toute la section de sortie du canal de liquide.
Le melange ainsi produit apparai~ssant a la sur-face laterale du rotor est réparti immediatement au moyen des palettes dans tout le bain où se poursuivent les reac-tions d'echange, et avant que se produise par coalescencele grossissement des bulles de gaz et leur eclatement a la surface du bain.
En raison d~ ~ombreux paramètres qui influent sur le debit de liquide, il est toujours possible d'ajuster ceux-ci a certaines valeurs de façon a obtenir un traite-ment complet de tout le debit du metal a traiter. De même,on peu-t ajustex le debit de yaz à des valeurs communement admises pour le traitement d'une ~uanti-te de metal donne.
Grâce a ces possibilites d'ajustement des parametres geo-metriques indlques ci-dessus, on arrive a se limiter a des vitesses de ro-tation faibles, ce qui a pour avan-tage de simplifier la technologie du mecanisme d'entralnement et d'ameliorer ainsi la tenue dans le temps du materiel~
On conçoit l'interêt d'un tel dispositif par rapport aux autres propulseurs de gaz proposes jusqu'à
maintenant, car en plus du brassage par les palettes, on a un renouvellement continu et complet de la masse de metal à traiter, à l'endroit precis ou on injecte le gaz de traitement. D'ou une surface d'echange gaz-liquide maximale, et par suite, une efficacite optimale du traite-ment.
Un tel dispositiE selon l'invention peut etre place dans tout recipient dont on veut traiter le contenu, que ce soit une poche de coulee, un four de main-tien ou d'elaboration fonctionnant en continu ou non, qulil soit equipe ou non de cloisons intermediaires, qu'il met-te en neu des flux ou non~ que les gaz utilises soien-t de l'azote, de l'argon, du chlore, ou leurs melanges, ou des vapeurs de derives halogenes, ou tout autre produit gazeux susceptible d'avoir une action favorable sur la purifica-tion du metal.
Suivant le traitement desire, le clebit à trai-ter, la duree souhai-tee du traitement, on peut utiliser plu-sieurs dispositifs, qu'ils soient mis en place sur un seul ou plusieurs recipients places en serie ou en parallele.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des des-sins ci-joints, qui n'ont d'autre but que d'illustrer et non de limiter la portee~ de la presente demande.
La figure 1 represente une coupe verticale du dispositif suivant un plan passant par llaxe de rotation et les axes de deux couples de canaux.
La Eigure 2 représente, vue de dessous, une coupe horizon-tale suivant le trace X'X de la figure 1, du dispositif.
La Eigure 3 represente, en coupe verticale, le dispositif :installe sur une poche de couIee en continu.
Sur la figure l; on distingue un arbre d'entraInement 1 creux par ]equel le gaz 2 est amene au nlveau du rotor 3 par l'intermediaire d'une chambre 4 pourvue a sa periphe-rie de canaux S qui debouchent en 6 a llendroit precis ou aboutissent les canaux 7 ayant pris naissance dans le cas present sur la face inferieure du rotor et amenant le liquide de manière a former la dispersion fine liquide-gaz qui est ensuite dispersee dans le bain par les palettes 8.
Sur la figure 2, on voit en 1 l'extremite infe-rieure de l'arbre creux a l'endroit ou il se raccorde sur la chambre 4 du rotor 3 perce des canaux 5 servant au pas-sage du gaz, qui debouchent dans le bain en 6 au même endroit que les canaux qui servent au passage du liquide et où la dispersion fine liquide-gaz est repartie dans le bain par les pale-ttes 8.
.Cur la figure 3, est représentée une poche de coulee 9 fermee par un couvercle 10 partagee en un compar-timent amont 11 et un compartiment aval 12 par une cloi-son 13 alimentee en liquide par la goulotte d'entree 14 et vidangee par la goulotte de sortie 15.
Au cours de son passage dans la poche entre 14 et 15, le liquide est soumis a l'action d~ dispositif selon l'invention, sur lequel on peut distinguer le rotor 3 muni de ses canaux 5 et 7 debouchant dans le bain en 6 et des palettes 8, raccorde par l'intermediaire de la chambre 4 à l'arbre creux compose d'une partie en graphite 1, manchonnée a sa partie superieure sur un arbre metalli-que 16 equipe d'ailettes de refroidissement 17 entralne par un reducteur 18 commande par un moteur 19 e-t relie a une tuyauterie 2Q par l'intermediaire d'un joint tournant 21 afin de pouvoir admettre le gaz 2 en provenance d'une source extérleure.
Au cours de la rotation du disposltiE, le llquide penètre dans les canaux 7 suivant les directions 22 s'eleve jusqu'en 6 où il rencontre les gaz admis dans la chambre 4 suivant les directions 23 qui s'echappent par les canaux 5 pour former une dispersion fine qui est repar-tie dans le bain par les palettes 8 suivant la direction 24.
La presente lnvention est illustree par llexemple d'application suivant: une poche de 60 cm de diamè-tre et de 1 m de haut a eté équipée d'un ro-tor en graphite ayant un diamètre de 20 cm et une hauteur de 8 cm.
Le rotor est muni de huit canaux servant au pas-sage du métal de diamètre 1 cm, de longueur 7 cm, inclinéspar rapport à la verticale de 45 et de huit canaux ser-vant au passage du gaz, percés horizontalement, et d'un diamètre de 0,1 cm.
On fai-t circuler dans la poche six tonnes par heure d'un alliage dlaluminium du type 2014. Le rotor tournait à la vitesse de cent cinquante tours par minute et l'on a injecté 4 Nm3/h d'un melange argon 95 ~ - chlore 5% en volume.
A l'entrée de la poche, l'alliage était très gazeux, et présentait au tes-t de vide sous une pression de 2 ~orr, une teneur en hydrogène de 0,85 cc/100 g; a la sortie, en soumettan-t cet alliage au meme~test, on ne notait plus qu'une -teneur de 0,14 cc/100 g et aucune appa-rition de bulles, ce qui montre l'efficacité du traitemen-t obtenu au moyen du dispositif revendiqué.
La présente invention trouve son application chaque fois que l'on cherche une bonne dispersion dans les mélanges biphasiques liquide-gaz: c'est le cas dans le traitement des métaux liquides et, notamment, de l'alumi-nium ou de ses alliages en vue d'éliminer l'hydrogene etles impuretés non métalliques.

Claims (7)

Les réalisations de l'invention, au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revemdiqué, sont définies comme il suit:
1.- Dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de métal liquide contenu dans un récipient comprenant un rotor en forme de cylindre équipé
de palettes plongeant dans le bain, relié à un arbre d'en-traînement creux servant à l'amenée de gaz, caractérisé
en ce que le rotor est percé de couples de canaux, chaque couple comprenant un canal qui sert au passage du liquide, et l'autre au passage du gaz, chacun des couples débou-chant séparément en un même point de la surface latérale du cylindre de manière qu'en cet endroit, il se forme une dispersion fine liquide-gaz, laquelle est ensuite répartie dans le bain au moyen de palettes.
2.- Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que les canaux qui servent au passage du gaz ont une direction radiale.
3.- Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que les canaux qui servent au passage du métal liquide ont une direction oblique par rapport à l'horizon-tale.
4.- Dispositif selon la revendication 3, caracté-risé en ce que les canaux qui servent au passage du métal sont inclinés entre 10 et 60 degrés par rapport à l'hori-zontale.
5.- Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que les canaux qui servent au passage du métal sont circulaires et ont un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 cm.
6.- Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que les canaux qui servent au passage du gaz sont circulaires et ont un diamètre compris entre 0,1 et 0,4 cm.
7.- Dispositif selon la revendication 1, caracté-risé en ce que les palettes sont réparties symétriquement par rapport à l'axe de rotation sur la paroi latérale du rotor et entre les endroits où les canaux débouchent dans le bain.
CA000410173A 1981-08-28 1982-08-26 Dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain de metal liquide Expired CA1184381A (fr)

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