CH621365A5 - Process for refining magnesium, copper, zinc, tin and lead - Google Patents
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Description
L'invention concerne un procédé d'affinage qui retire efficacement les gaz dissous et les impuretés non métalliques du métal, sans dégagement de vapeurs et de fumées corrosives ou nuisibles pour l'environnement.
Le procédé selon l'invention, pour l'affinage d'un métal fondu choisi parmi le magnésium, le cuivre, le zinc, Fétain et le plomb, est défini dans la revendication 1.
L'expression «gaz d'affinage» utilisée dans le présent mémoire s'applique à des gaz qu'on utilise couramment pour l'affinage du magnésium, du cuivre, du zinc, de Fétain et du plomb. La caractéristique commune de ces gaz d'affinage est qu'ils sont inertes vis-à-vis du métal fondu affiné. L'argon et l'azote ou leurs mélanges sont avantageux bien que d'autres gaz inertes tels que les gaz rares, conviennent selon l'invention. D'autres gaz utiles d'affinage sont l'hydrogène et l'oxyde de carbone ou leurs mélanges mutuels ou avec des gaz rares. Il faut noter que l'hydrogène et l'oxyde de carbone conviennent lorsqu'ils ne réagissent pas avec le métal fondu mais réagissent avec les impuretés gazeuses telles que l'oxygène. D'autres gaz réactifs ayant des caractéristiques analogues conviennent aussi, notamment l'hexafluorure de soufre, le chlore et des hydrocarbures halogénés. La sélection du gaz particulier d'affinage dépend en général des caractéristiques du métal particulier affiné.
Le métal peut être un métal pur ou un alliage. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins sur lesquels :
la fig. 1 est une perspective d'un dispositif d'injection de gaz utilisé pour la mise en œuvre du procédé de l'invention;
la fig. 2 est ime coupe du dispositif représenté sur la fig. 1 ; la fig. 3 est une coupe schématique d'une installation destinée à l'affinage d'un courant de métal au cours d'une opération continue selon l'invention, et les fig. 4 et 5 représentent, en coupe transversale et en plan, un autre mode de réalisation avantageux d'appareil d'affinage d'un métal fondu, selon le procédé de l'invention.
Le dispositif d'injection de gaz avantageusement utilisé pour la mise en œuvre du procédé de l'invention permet l'introduction du gaz dans le métal fondu avec un débit élevé et sous forme de bulles séparées de gaz, si bien que ce dernier est bien dispersé dans la matière fondue. Lorsqu'il fonctionne, le dispositif provoque la formation dans le métal d'un dessin de circulation voisin du dispositif tel que les bulles de gaz qui sont formées sont entraînées radialement vers l'extérieur, avec une composante descendante par rapport à l'axe vertical du dispositif d'injection. De tels dessins de circulation possèdent plusieurs avantages. D'abord, l'ensemble de la matière fondue subit une agitation pratiquement verticale et forme ainsi un courant dirigé vers le bas le long du dispositif, et cette caractéristique, combinée à la présence d'ailettes de mise en rotation, provoque une subdivision du gaz en petites bulles séparées. Ensuite, le transport rapide des bulles loin de leur point d'introduction dans la matière fondue empêche la s
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coalescence des bulles dans la zone dans laquelle leur concentration est la plus grande. Enfin, le temps de séjour des bulles de gaz bien dispersées dans la matière fondue est prolongé car les bulles ne s'élèvent pas vers la surface immédiatement après leur formation, sous l'influence des forces de gravité.
Un autre facteur qui contribue à rendre maximale la subdivision du gaz en petites bulles donc à la détermination d'interface métal-gaz de grande surface, est le préchauffage du gaz avant son introduction dans la matière fondue. Ce préchauffage est avantageusement réalisé par circulation des gaz dans un passage disposé le long du dispositif qui est immergé dans le métal fondu et chaud. Ainsi, le gaz initialement froid se préchauffe au contact des parois conductrices de la chaleur et chaudes qui délimitent le passage de circulation du gaz si bien que ce dernier se dilate avant sa subdivision en petites bulles. En conséquence, le nombre de bulles formées pour un volume donné de gaz augmente beaucoup et la croissance thermique des petites bulles de gaz dans la matière est pratiquement supprimée.
Le dispositif d'injection, lorsqu'il est utilisé pour l'introduction d'un gaz d'affinage dans le métal fondu, provoque une augmentation imprévue du rendement de l'opération d'affinage. Non seulement le métal peut être dégazé avec des débits très élevés, mais encore l'agitation vigoureuse produite par le dispositif combiné à la grande surface de contact gaz-métal des bulles de gaz bien réparties assure un retrait efficace des impuretés particu-laires solides en suspension dans la matière fondue.
Comme indiqué sur les fig. 1 et 2, le dispositif d'injection de gaz comprend un rotor 1 qui comporte des ailettes verticales 2 et qui est entraîné en rotation par un moteur, par exemple pneumatique ou électrique (non représenté) par l'intermédiaire d'un arbre 3. Celui-ci n'est pas au contact du métal fondu lors du fonctionnement normal, et il peut être formé d'acier, bien que le reste de l'appareil soit de préférence formé d'une matière réfrac-taire, par exemple de carbure de silicium ou de graphite disponible dans le commerce, ces matières étant inertes vis-à-vis du métal aux températures utilisées. L'arbre 3 est protégé contre le métal fondu par un manchon 4 qui est fixé au stator 5. Les faces internes 6 et 7 en butée du manchon 4 et du stator 5 et les faces externes 8 et 9 en butée de l'arbre 3 et du rotor 1 délimitent un passage axial annulaire 10 destiné à la circulation du gaz à injecter.
Plusieurs canaux verticaux 11 sont usinés dans le stator 5. La combinaison du stator 5 et du rotor 1, lors du fonctionnement, provoque la formation d'un dessin supérieur et d'un dessin inférieur de circulation de métal fondu autour du dispositif d'injection comme indiqué de façon générale par les flèches 13 et 12 respectivement. Plus précisément, le dessin supérieur 13 a une vitesse dirigée essentiellement vers le bas, c'est-à-dire coaxiale à l'axe de rotation du rotor 1, si bien que le métal fondu est chassé dans les canaux 11 du stator 5 ; le dessin inférieur qui est plus localisé, comme indiqué par les flèches 12, se forme au-dessous du rotor 1 et est dirigé pratiquement vers le haut et perpendiculairement à l'axe de rotation du rotor 1. Le courant résultant est indiqué par les flèches 14 qui indiquent que le métal fondu est rejeté par les ailettes rotatives 2 en direction radiale et vers le bas à partir du rotor 1. Le dessin résultant de circulation assure une dispersion uniforme et bien répartie du gaz et une agitation poussée du métal fondu dans le récipient de traitement.
Un gaz d'affinage, indiqué par la flèche 15, pénètre dans le passage annulaire 10 avec une pression et un débit prédéterminés. Ce gaz remplit la poche 16 en forme de cloche qui prolonge le passage 10 entourant le col 17 du rotor 1. Comme le gaz parvient à une pression supérieure à celle qui existe dans le métal fondu à la hauteur indiquée par la flèche 18, la poche 16 de gaz empêche la pénétration du métal fondu par le passage de circulation du gaz et empêche aussi son contact avec l'arbre métallique 3 de l'injec-teur. Le col 17 entoure l'arbre 3 et est formé d'une matière qui résiste au métal fondu afin qu'il protège l'arbre 3 contre l'attaque par ce métal. Comme indiqué sur la fig. 2, le couple transmis par l'arbre 3 parvient au rotor 1 par l'intermédiaire d'une pièce transversale 21 munie d'ailettes qui est vissée sur l'arbre 3. Cette pièce est disposée lors du montage dans une cavité 23 du rotor 1, avec une configuration correspondant à celle de la pièce 21. Ensuite, la cavité 23 est fermée de manière étanche par vissage et collage du col 17 dans la partie filetée 24 du rotor 1.
L'introduction du gaz 15 d'affinage dans le passage annulaire 10 n'est pas obligatoirement la seule injection de gaz. Dans un autre mode de réalisation, l'arbre peut être creux et peut comporter un passage axial 19, avec plusieurs trous 20 qui assurent la communication entre le passage 10 et la poche 16. Ainsi, le gaz (comme indiqué par les flèches 15 et 25) peut circuler dans l'un des passages 10 et 19 ou dans les deux.
Il est important que le gaz froid (indiqué par les flèches 15 et 25) pénétrant dans l'injecteur soit préchauffé dans le passage 10 ou 19 et la poche 16 par contact avec le manchon 4 et l'arbre 3 qui sont essentiellement à la température de la matière fondue. Le gaz préchauffé est chassé entre les ailettes du rotor 1 et se dépare en petites bulles séparées par collision avec les ailettes 2 et sous l'action du courant de métal qui balaie les ailettes. La circulation forcée du métal autour du dispositif d'injection disperse rapidement les bulles dès leur formation, en direction correspondant pratiquement au vecteur vitesse principale indiqué par les flèches 14. La trajectoire initiale des bulles correspond aux flèches 14 jusqu'à ce que les forces d'Archimède provoquent une remontée des bulles vers la surface de la matière fondue.
Les effets avantageux de la circulation forcée du métal autour du dispositif d'injection sont les suivants :
1. Les petites bulles de gaz sont formées par un mécanisme efficace.
2. Les bulles ne peuvent pas se rassembler par coalescence car elles sont dispersées presque dès leur formation.
3. Le métal circule efficacement.
4. Les bulles de gaz ont un temps de séjour prolongé dans la matière fondue, supérieur au temps pendant lequel elles resteraient dans la matière fondue sous l'action des seules forces de gravité.
Le procédé de l'invention peut être mis en œuvre au cours d'opérations continues ou discontinues, par utilisation d'un appareil d'affinage du type représenté sur la fig. 3. Cet appareil comprend une enveloppe 31 en fonte maintenue à la température de travail par un dispositif classique de chauffage qui peut être disposé dans un puits 32, et il est isolé contre les pertes de chaleur par une enveloppe réfractaire externe 33. La face interne de l'enveloppe 31 est revêtue de graphite 34 ou d'une autre matière réfractaire inerte vis-à-vis du métal fondu et des impuretés non métalliques qui peuvent être présentes. L'enveloppe 31 a un couvercle 36 qui repose sur une bride 39. Un joint hermétique est formé entre la bride 39 et le couvercle 36 qui peut être boulonné ou fixé d'une autre manière si bien que l'appareil peut fonctionner sans infiltration d'air. Un dispositif 35 d'injection de gaz, par exemple du type représenté sur la fig. 1, est fixé au couvercle 36 qui le porte.
Le gaz d'affinage (indiqué par la référence 37) est injecté dans le métal fondu 38 par l'injecteur 35. Après passage dans le métal fondu, le gaz se rassemble dans l'espace mort 43 et forme une protection de gaz inerte au-dessus de la matière fondue, puis s'échappe par le canal 40 d'entrée de métal, à contre-courant de ce dernier qui est introduit. La section de passage des gaz, donc la pression dans l'installation, est réglée par un registre 49 placé dans le canal 40. La très légère surpression de gaz inerte dans l'espace 43 empêche l'entrée de l'air dans l'enceinte.
Le métal 38 pénètre dans l'appareil d'affinage par le canal 40 d'entrée. Dans l'enceinte, le métal 38 subit un barbotage sous l'action des petites bulles uniformément réparties de gaz inerte et il est agité lors de la rotation de l'injecteur 35. Les gaz dissous dans la matière fondue diffusent dans les bulles de gaz inerte et
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sont entraînés par celles-ci lorsqu'elles remontent dans la matière fondue vers la surface 42. La surface élevée présentée par les bulles finement dispersées assure aussi le transport efficace des particules non métalliques en suspension vers la couche 48 de laitier qui est à la surface 42 de la matière fondue, les impuretés pouvant alors être retirées par écumage. Le dessin global principal de circulation, créé dans le métal fondu, est indiqué schématique-ment par les flèches 50. C'est ce dessin induit de circulation de métal, dans l'enceinte, qui assure le contact continu entre le métal neuf et les bulles de gaz qui sont rejetées à partir de l'espace délimité entre le rotor et le stator dans le dispositif d'injection.
Le métal fondu affiné quitte l'enceinte par le canal 44 d'évacuation placé au-dessous de la surface 42 dans la paroi 45. Le métal passe alors dans un puits 46 et s'échappe par une rigole 47 de sortie vers un poste de coulée. Le puits 46 peut comprendre une matière classique de filtration telle que des morceaux d'une matière solide réfractaire ou de graphite.
L'écumage de la surface 42 peut être réalisé par un dispositif incorporé lors de la construction de l'enceinte ou par arrêt de la circulation du métal transmis au récipient d'affinage avec maintien du courant de gaz inerte 37 circulant dans l'injecteur 35, si bien que la couche 48 de laitier est repoussée dans la rigole 40 à partir de laquelle elle peut être retirée par un dispositif mécanique. Dans une variante, la surface 42 peut être écumée par un outil à main introduit dans l'enveloppe 31 par la rigole 40 d'entrée ou par un orifice non représenté formé dans le couvercle 36.
L'opération d'affinage n'est pas obligatoirement réalisée dans une seule zone d'affinage du type représenté sur la fig. 3, et le récipient peut contenir plusieurs compartiments ou zones individuels d'affinage permettant la circulation en série du métal fondu. Les fig. 4 et 5 représentent une telle variante.
Le récipient ou enceinte 55 d'affinage des fig. 4 et 5 est formé d'un réfractaire inerte vis-à-vis du métal fondu et est isolé contre les pertes de chaleur, par des matières assurant une isolation à température élevée. Le cas échéant, l'enceinte peut aussi comprendre des éléments non représentés de chauffage électrique qui assurent la compensation des pertes de chaleur. Le récipient 55 d'affinage comporte un couvercle 56 qui est fixé au récipient 55 de manière hermétique et qui ne laisse ouverte que la rigole 57 d'entrée de métal. Des injecteurs 59 et 60 de gaz qui sont du type décrit en référence à la fig. 1, et les dispositifs moteurs correspondants 61 et 62 sont portés par le couvercle 56. Les références 75 indiquent le gaz inerte pénétrant dans les injecteurs 59 et 60 par les canaux d'entrée correspondants.
Le récipient 55 d'affinage est destiné à être utilisé au cours d'une opération continue, c'est-à-dire que le métal fondu est transmis de façon continue par la rigole 57 au récipient 55, le métal est affiné par agitation continue et injection de gaz par les injecteurs 59 et 60, et le métal affiné est retiré de façon continue du récipient par la rigole 58 de sortie. La fig. 5 indique que le récipient 55 d'affinage a deux zones 63 et 64 d'affinage séparées par une cloison 55. Le métal pénètre d'abord dans la zone 63 dans laquelle il subit une agitation et un barbotage par un gaz inerte transmis par l'injecteur 59. Le métal quitte la zone 63, en partie par débordement au-dessus de la plaque 65, et en partie par circulation par le bas par des canaux 66 formés dans cette plaque 65. Le métal subit un affinage supplémentaire dans la seconde zone 64 dans laquelle il subit de manière analogue, une agitation et un barbotage de gaz inerte transmis par l'injecteur 60. Le métal quitte la zone 64 d'affinage par débordement sur la plaque 67 et pénétration dans la tuyauterie 68. Cette dernière est en matière réfractaire, par exemple de graphite ou de carbure de silicium, et transmet le métal affiné de la zone 64 au puits 69 de sortie par lequel le métal quitte le récipient, au niveau d'une rigole 58.
Le gaz d'affinage introduit dans l'appareil passe dans le métal fondu, se rassemble dans l'espace mort 74 au-dessus du métal et quitte le récipient 55 par la rigole 57 au-dessus du courant de métal fondu entrant et à contre-courant de celui-ci. La pression dans le récipient 55 peut être réglée par un registre 73 articulé dans la rigole 57 d'entrée et réglant la section de passage du gaz dans la rigole 57. Le joint statique formé par le couvercle 56 peut aussi être complété par un joint dynamique, c'est-à-dire par utilisation du récipient 55 d'affinage à une pression légèrement supérieure à la pression ambiante afin que l'air ne puisse pas pénétrer.
L'avantage présenté par l'invention est que le réglage du gaz d'affinage nécessaire aux différents métaux peut être facilement réglé et que la vitesse d'affinage peut être adaptée à des débits très variables de coulée. La quantité particulière de gaz d'affinage nécessaire, exprimée de façon générale en volume de gaz à température et pression normales par unité de poids de métal à traiter, est fonction de la composition d'alliage ou de métal et du degré de pureté nécessaire dans le produit terminé. Le débit de métal dans l'appareil d'affinage peut être contrôlé par la vitesse de coulée, c'est-à-dire par la nature des machines de coulée utilisées et par le nombre de lingots coulés simultanément à partir du métal affiné. On considère maintenant un procédé commode de réglage des conditions de fonctionnement de l'appareil utilisé pour la mise en œuvre du procédé de l'invention, suivant l'alliage particulier affiné et la vitesse d'affinage voulue.
Initialement, on calcule le débit de gaz d'affinage par un dispositif d'injection de gaz avec la formule:
V=W.C/N
(1)
dans laquelle V représente le débit du gaz d'affinage dans le dispositif, W représente le débit de métal ou la vitesse d'affinage, C représente la quantité spécifique de gaz d'affinage nécessaire, par masse unitaire de métal, et N représente le nombre de dispositifs d'injection dans l'appareil.
La quantité spécifique de gaz d'affinage nécessaire C est déterminée expérimentalement ou elle peut être estimée initialement d'après la quantité de gaz utilisée pour l'affinage du métal particulier lors de la mise en œuvre des procédés classiques.
Une fois déterminé le débit de gaz nécessaire dans le dispositif d'injection, la vitesse de rotation du rotor est réglée d'après la formule :
R= (762+ 67315 V+211r2)/d
(2)
dans laquelle R représente la vitesse de rotation du rotor, en t/mn, V représente le débit de gaz dans le dispositif, calculé d'après la formule I et exprimé par exemple en m3/mn dans les conditions normales, r est le rapport de la plus petite dimension de la section de la zone d'affinage autour du rotor au diamètre du rotor (en unités identiques), cette plus faible dimension de section étant par exemple, dans l'appareil d'affinage de la fig. 5, la plus petite des deux dimensions de la zone 63 indiquées par les flèches 70 et 71, et d est le diamètre du rotor en centimètres.
Cette formule donne une vitesse approximative de rotation du rotor qui assure une dispersion satisfaisante du gaz d'affinage et une bonne agitation du bain métallique dans la plupart des conditions de fonctionnement. Cette formule indique que la vitesse du rotor doit être augmentée lorsque le débit de gaz d'affinage augmente. Cependant, il faut noter qu'on peut utiliser le dispositif à des vitesses nettement plus faibles que celles qui sont indiquées par cette formule, la vitesse optimale étant fixée essentiellement par le degré d'affinage voulu.
5
10
15
20
25
30
35
.40
45
50
55
60
65
R
1 feuille dessins
Claims (9)
1. Procédé d'affinage d'un métal fondu choisi parmi le magnésium, le cuivre, le zinc, Fétain et le plomb, caractérisé en ce qu'on introduit le métal fondu dans une zone d'affinage, on maintient une atmosphère protectrice au-dessus de la surface du métal fondu, à une pression supérieure à la pression atmosphérique afin que l'air ou l'humidité atmosphérique ne puisse pas venir au contact de la matière fondue, on introduit un gaz d'affinage dans la matière fondue, au-dessous de sa surface, on préchauffe le gaz d'affinage avant sa subdivision en bulles de gaz, par dilatation du gaz afin que les bulles ne subissent pratiquement plus de croissance thermique lorsqu'elles se trouvent dans la matière fondue, on subdivise le gaz d'affinage en bulles séparées, on crée une circulation dans le métal fondu telle que les bulles du gaz d'affinage soient transportées en direction sensiblement radiale vers l'extérieur, avec une composante dirigée vers le bas, par rapport à leurs points d'introduction dans la matière fondue, si bien que les bulles de gaz viennent en contact intime avec pratiquement la totalité de la masse du métal fondu dans la zone d'affinage et provoquent l'élimination du gaz dissous et de pratiquement la totalité des impuretés non métalliques de la matière fondue, on évacue le gaz d'affinage usé contenant les gaz dissous libérés par le métal, avec rassemblement d'autres impuretés non métalliques dans une couche de laitier formée à la surface du métal fondu, et on évacue le métal fondu affiné de la zone d'affinage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'affinage est choisi parmi l'argon, l'azote et leurs mélanges.
2
REVENDICATIONS
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on introduit le gaz d'affinage dans le métal fondu au moyen d'un dispositif d'injection de gaz immergé dans le métal fondu, ce dispositif d'injection comprenant un arbre et un rotor muni d'ailettes et fixé à l'extrémité inférieure de l'arbre, un manchon fixe entourant l'arbre, et un passage destiné à transporter le gaz d'affinage jusque dans le métal fondu, ce passage étant disposé le long du dispositif d'injection, le gaz d'affinage étant introduit dans l'extrémité supérieure dudit passage avec une pression qui • suffit à l'injection du gaz dans la matière fondue et étant préchauffé par contact avec les parois chaudes du passage, le gaz d'affinage préchauffé étant dirigé vers les ailettes du rotor afin d'être subdivisé en bulles séparées.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le passage est délimité par la surface externe de l'arbre et la surface interne du manchon fixe.
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le passage est disposé axialement dans l'arbre.
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le débit du gaz d'affinage est donné par la formule :
V=W.C/N
dans laquelle V représente le débit de gaz dans chaque dispositif d'injection, W représente le débit de métal fondu dans le récipient d'affinage, C représente la quantité spécifique nécessaire de gaz d'affinage, et N représente le nombre de dispositifs d'injection de gaz dans le récipient d'affinage, ces divers paramètres étant exprimés en unités cohérentes.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de gaz fonctionne à une vitesse donnée sensiblement par la formule :
R=(762 + 67315V+21 lr2)/d dans laquelle R représente la vitesse de rotation du rotor en t/mn, V représente le débit de gaz dans le dispositif d'injection, en m3/mn dans les conditions normales, r est le rapport de la plus petite dimension de la section de la zone d'affinage au diamètre du rotor, en unités cohérentes, et d représente le diamètre du rotor en centimètres.
8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz d'affinage est l'argon.
9. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gaz d'affinage est l'azote.
Un métal fondu, avant sa coulée, contient de nombreuses impuretés qui, lorsqu'on ne les retire pas, provoquent des pertes importantes par mise au rebut après coulée, ou donnent une mauvaise qualité au métal des produits formés. Les impuretés les plus nuisibles sont en général les gaz dissous et les particules non métalliques en suspension telles que les oxydes métalliques et les particules réfractaires.
Applications Claiming Priority (1)
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