CH624478A5

CH624478A5 -

Info

Publication number: CH624478A5
Application number: CH995877A
Authority: CH
Inventors: Andrew Geza Szekely
Original assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-08-16
Filing date: 1977-08-15
Publication date: 1981-07-31
Also published as: FR2362213B1; GR62638B; YU39813B; AU509438B2; US4040610A; AR216773A1; CS207478B1; IE45466B1; GB1590063A; ES464220A1; FR2362213A1; AT364171B; NL188171C; NL188171B; SE7709192L; DE2736793C2; DE2736793A1; DD132449A5; IN149328B; JPS5323806A

Description

La présente invention concerne une cuve utilisée pour l'affinage des métaux, notamment à l'état fondu, ainsi qu'un appareil la comprenant.

Bien que l'invention concerne essentiellement l'affinage des métaux fondus, elle s'applique plus précisément à l'affinage de l'aluminium, du magnésium, du cuivre, du zinc, de l'étain, du plomb et de leurs alliages, et elle constitue un perfectionnement à l'appareil décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 3870511.

Le procédé mis en œuvre dans l'appareil du brevet précité. comprend essentiellement la dispersion d'un gaz de barbotage sous forme de bulles de gaz extrêmement petites, dans une matière fondue. L'hydrogène est retiré de la matière fondue par désorp-tion dans les bulles de gaz alors que les autres impuretés non métalliques remontent dans une couche d'écume séparée par flottaison. La dispersion du gaz de barbotage est obtenue à l'aide de distributeurs rotatifs de gaz qui mettent la matière fondue à un état très turbulent. La turbulence provoque l'agglomération des petites particules non métalliques en agrégats plus gros qui flottent à la surface de la matière fondue sous l'action des bulles de gaz. Cette turbulence dans le métal assure aussi un mélange poussé du gaz de barbotage avec la matière fondue et empêche la formation de dépôts et d'accumulations d'oxyde à l'intérieur de la cuve. Les impuretés non métalliques qui flottent sur le métal sont retirées avec l'écume alors que l'hydrogène désorbé quitte l'appareil avec le gaz usé de barbotage.

Le four actuellement utilisé industriellement pour la mise en œuvre de ce procédé comprend une enveloppe externe de chauffage contenant des éléments de chauffage électriques et une enveloppe interne de fonte revêtue de plaques de graphite et de carbure de silicium. Bien que ce four donne satisfaction, on constate qu'il présente certaines rectrictions dans des applications particulières.

L'une des restrictions concerne la durée d'utilisation de l'enveloppe interne de fonte qui doit être remplacée à intervalles réguliers et crée ainsi une dépendance de l'installation à une fonderie. Il faut noter qu'il serait plus avantageux qu'un réfractaire isolant qui puisse être coulé ou formé de briques cimentées par exemple, ayant une plus longue durée et facilement réparable, puisse être utilisé à la place de l'enveloppe de fonte, mais cette caractéristique n'est possible en pratique que lorsque l'érosion du réfractaire,

avec création concomitante d'impuretés, peut être compensée. Une autre restriction se rapporte à la conception d'un autre appareil, plus précisément à la formation des trous de coulée ou de retrait de la matière fondue, ce problème se posant dans de nombreux fours dans lesquels les changements d'alliage sont fréquents. Ce problème se pose parce que la formation de trous de coulée dans des fours chauffés à l'extérieur est techniquement impossible. Une autre restriction porte sur la disposition des orifices d'entrée et de sortie de métal à des emplacements différents dans le four, en fonction de clients différents. Dans l'enveloppe de fonte, l'emplacement de ces orifices est fixé par le dessin de coulée utilisé par la fonderie lors de la réalisation de l'enveloppe. Les changements du dessin de coulée ne sont pas rentables étant donné le grand nombre de dessins différents nécessaires. Au contraire, l'enveloppe réfractaire peut éjtre construite sur mesure en fonction des besoins des clients.

Cependant, l'utilisation d'une enveloppe réfractaire isolante ne permet plus l'utilisation d'un dispositif externe de chauffage qui doit donc être remplacé par un chauffage interne d'un type ou d'un autre. On a suggéré un chauffage par un dispositif immergé, mais cette conception pose de nombreux problèmes, par exemple la perturbation de la marche des bulles par l'introduction des dispositifs immergés de chauffage, lorsque du gaz barbote dans le métal. L'écoulement libre ou l'état physique de la matière fondue est aussi perturbé, et notamment la circulation du métal dans la matière de filtration ou le four. L'utilisation de dispositifs immergés de chauffage ne donne pas aussi satisfaction dans un système à filtration d'aluminium car l'introduction des dispositifs de chauffage dans la matière de filtration doit être réalisée initialement et lors du remplacement.

Un autre inconvénient des dispositifs immergés de chauffage est qu'ils ne peuvent pas supporter un milieu très turbulent pendant longtemps. En effet, le dispositif de chauffage de type immergé nécessite une enveloppe protectrice qui a une conductibilité thermique élevée, qui peut supporter des températures élevées et qui est inerte vis-à-vis de la matière fondue et résiste à la corrosion. De telles enveloppes protectrices ont habituellement une paroi mince afin que la conduction de chaleur soit bonne et, pour des raisons de rentabilité, leur durée d'utilisation est relativement courte lors d'une exposition à un milieu très turbulent. Le problème est encore aggravé par la suspension des dispositifs immergés dans la matière fondue, la suspension par elle-même exerçant de très faibles forces antagonistes des forces d'agitation auxquelles est soumis le dispositif immergé de chauffage.

L'invention concerne une cuve qui comprend une source interne de chauffage et qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs immergés de chauffage, qui rend maximale la durée de l'enveloppe, qui rend minimale l'érosion, qui peut être facilement réparé et qui permet de façon rentable la formation de trous de coulée et l'adaptation aux critères des clients, en ce qui concerne

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

624 478

les orifices d'entrée et de sortie du métal. Cette cuve est définie dans la revendication 1.

L'invention concerne aussi un appareil d'affinage qui comprend la cuve définie par la revendication 1. Cet appareil est défini par la revendication 2.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux des-, sins annexés sur lesquels :

La fig. 1 est une perspective d'un mode de réalisation avantageux de dispositif rotatif de distribution de gaz, du type décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique N° 3870511 ;

la fig. 2 est une vue schématique en plan d'un mode de réalisation avantageux de l'appareil comprenant une cuve et un seul dispositif rotatif de distribution de gaz, et la fig. 3 est une coupe schématique suivant la ligne 3-3 de l'appareil de la fig. 2.

L'ensemble de la structure utilisée pour l'affinage d'une matière fondue peut être appelé «four» et comprend de façon générale une enveloppe externe d'acier revêtue d'abord d'un réfractaire isolant, par exemple de briques cimentées par un mélange alumine-silice notamment. Le premier revêtement isolant est alors recouvert d'un revêtement réfractaire imperméable qui est aussi isolant et qui est habituellement formé d'alumine coulée, mais qui peut aussi être formé de briques cimentées. Le premier et le second revêtement réfractaire sont formés de matières classiques ayant de bonnes propriétés isolantes et une épaisseur qui suffît à la réduction des pertes de chaleur du four à des valeurs acceptables. Bien que l'utilisation d'une enveloppe d'acier et d'un premier réfractaire isolant soit ainsi suggérée, l'invention nécessite simplement l'utilisation d'une enveloppe réfractaire isolante imperméable au métal fondu et ayant une conductibilité thermique inférieure à 0,86 W/m°C environ. De tels réfractaires sont habituellement cuits avant utilisation.

L'enveloppe réfractaire est alors revêtue de «blocs» d'une matière à conductibilité thermique élevée, inerte vis-à-vis des matières fondues et résistant à la corrosion, et possédant en outre une surface qui résiste au mouillage par la matière fondue ou empêche un tel mouillage. La conductibilité thermique est au moins de l'ordre de 8,6 W/m°C.

Le terme «blocs» utilisé dans le présent mémoire s'applique à un morceau préfabriqué de matière ayant une forme spécifiée. Les formes courantes des blocs sont classiques, par exemple ce sont celles de plaques ou de blocs souvent sous forme de prismes rectangulaires, la différence entre la plaque et le bloc portant essentiellement sur l'épaisseur habituellement. De tels blocs comprennent des trous, des cavités ou analogues nécessaires à leur montage ou à leur fonctionnement. Les blocs du type décrit sont de préférence formés de graphite et/ou de carbure de silicium. La plus grande partie ou plus de 50% de la face interne de l'enveloppe est revêtue de tels blocs. La face interne, considérée dans le cadre de l'invention, est celle qui se trouve au-dessous du niveau de la matière fondue dans les conditions de fonctionnement. De préférence, plus de 75% environ de la face interne est revêtue de ces blocs. Dans une structure rectangulaire en forme de prisme, ayant un compartiment, le fond et trois côtés au moins sont couverts habituellement. Dans une telle structure ayant par exemple un compartiment de travail dans lequel il existe une turbulence et un compartiment de sortie sans turbulence, le fond et deux côtés au moins habituellement du compartiment de travail sont couverts et une paroi sépare le compartiment de sortie du compartiment de travail, le compartiment de sortie étant muni d'un revêtement ou non. Il faut noter que la paroi de séparation ou cloison ne fait pas partie du revêtement. D'autres caractéristiques des blocs sont:

a) des coefficients de dilatation thermique relativement faibles;

b) un rapport de la conductibilité thermique au coefficient de dilatation thermique supérieur à 9,3.106 (valeur à température ambiante exprimée en W/m: C et m/m C respectivement), et c) une bonne résistance à l'érosion par le métal fondu agité.

Il faut noter que les matières utilisées pour la surface interne au revêtement au-dessus du niveau de la matière fondue ne sont pas primordiales, mais elles doivent être au moins inertes ou résistantes à la corrosion étant donné l'exposition à la pulvérisation de s matières fondiies.

L'un des rôles des blocs est la protection de l'enveloppe réfractaire contre l'érosion à la matière fondue et à cet effet plus la partie de surface interne qui est revêtue est importante et meilleures sont les propriétés. Habituellement, la surface interne de l'enve-îo loppe réfractaire n'est exposée qu'aux endroits qui empêchent la disposition d'un revêtement étant donné la conception de l'appareil.

Les blocs sont montés de manière que leurs mouvements par dilatation ou contraction thermique soient libres dans au moins 15 une direction et habituellement dans deux directions. Us peuvent être fixés à la face interne de l'enveloppe ou les uns aux autres en un point ou un autre. La matière fondue peut pénétrer entre les blocs et derrière ceux-ci, mais cette pénétration est minimale dans la mesure où le dessin le permet. Toute restriction à la dilatation 20 thermique des blocs est due encore à des restrictions posées par le dessin et la conception, par exemple à un critère de réduction au minimum de la dimension. Les blocs sont maintenus en place par une matière ou un dispositif classique de retenue, par exemple par l'enveloppe elle-même, des fentes ou cavités dans lesquelles le bloc 25 peut être glissé, ou par les blocs adjacents.

Les blocs ont des épaisseurs variables dépendant de leur rôle dans le four. Dans le cas de l'invention, les blocs sont de deux types. Les blocs d'un type sont destinés simplement à protéger la surface interne du réfractaire contre l'érosion. L'épaisseur d'un tel 30 bloc protecteur est en général d'environ 2,5 à 12,5 cm. Les blocs du second type ont un rôle double, d'une part celui de protection et d'autre part celui de logement d'un ou plusieurs éléments de chauffage électrique ou par une flamme. L'épaisseur des blocs ayant ce double rôle est en général comprise entre environ 7,5 et 35 25 cm. Ces blocs à double rôle contiennent au moins un dispositif de chauffage et habituellement plusieurs, par exemple 2 à 4, surtout lorsqu'ils recouvrent la paroi interne de l'une des parois du four. Il faut noter qu'un ou plusieurs blocs peuvent être utilisés pour le recouvrement d'une surface particulière retenue comme 40 indiqué précédemment.

Un nombre suffisant de dispositifs de chauffage assure le maintien du métal à l'état fondu. Ce nombre dépend de la puissance des dispositifs de chauffage, c'est-à-dire de l'énergie fournie par la flamme ou par un élément électrique de chauffage, du 45 volume de la matière fondue, et des pertes de chaleur à l'extérieur du four. Lorsque le métal circule dans le four, et lorsqu'il est souhaitable que sa température soit élevée, le débit de métal et le débit prévu de chaleur fixent la puissance totale du four donc la dimension des dispositifs de chauffage et des blocs. Le nombre de 50 dispositifs de chauffage peut être compris entre 1 et 6 et plus.

Dans le cas du graphite, le dispositif de chauffage est un élément de chauffage à résistance électrique logé afin qu'il ne soit pas au contact de la plaque. Le dispositif de chauffage utilisé dans les plaques de carbure de silicium peut cependant être le même que 55 dans le cas des plaques de graphite ou peut être un dispositif de chauffage à flamme, consommant un combustible gazeux classique.

L'élément de chauffage peut être du type nickel-chrome ou de tout type classique de chauffage par résistance qui peut donner 60 une température qui suffit au maintien du métal ou de l'alliage particulier à l'état fondu, par exemple une température d'environ 538 à 137PC.

La fig. 1 représente un exemple de dispositif rotatif avantageux de distribution de gaz. On l'appelle dans la suite «dispositif d'in-65 jection de gaz». Il comprend un rotor 1 ayant des ailettes verticales 2. Le rotor tourne sous la commande d'un moteur non représenté relié par un arbre 3. Celui-ci est protégé contre la matière fondue par un manchon 4 fixé au stator 5. Le dessin

624 478

4

interne du dispositif est tel que le gaz peut pénétrer à l'intérieur et peut être chassé entre le stator S et le rotor 1. Le stator a des canaux 6 qui correspondent aux ailettes 2 du rotor. L'injection du gaz et la rotation simultanée du rotor, avec une pression de gaz et une vitesse de rotation du rotor suffisantes, provoquent la dispersion voulue du gaz de barbotage, avec un dessin voulu, dans la matière fondue, si bien que celle-ci est très turbulente. Le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique N° 3870511 décrit les détails du dispositif et du dessin de circulation obtenus.

L'appareil des fig. 2 et 3 a un seul dispositif rotatif 1 de distribution de gaz, du type représenté sur la fig. 1. La paroi externe 32 du four est par exemple formée d'acier. L'intérieur de la paroi 32 est revêtu d'un réfractaire 33 formé de briques cimentées à faible conductibilité thermique et formant un premier isolant, et, à l'intérieur du réfractaire 33, d'un réfractaire 34 formé d'alumine coulée imperméable à la matière fondue. Un exemple d'alumine coulée contient 96% de AI2O3 et 0,2% de Fe2Û3, le reste étant formé par des autres matières. Le réfractaire 34 a aussi une faible conductibilité thermique et assure évidemment une isolation supplémentaire. La structure externe comprend en outre un toit ou couvercle 35 du four et une superstructure non représentée qui porte le distributeur 1 et un moteur électrique non représenté.

Comme l'appareil décrit en référence à ce mode de réalisation avantageux comprend beaucoup de matière à base de graphite et destinée à un affinage à une grande pureté, il faut noter que l'appareil est fermé de façon étanche et alimenté convenablement en un gaz inerte protecteur qui forme une atmosphère pratiquement dépourvue d'air. Lorsque la cuve est ainsi hermétique, on considère qu'il s'agit d'une cuve «fermée». Une telle caractéristique n'est cependant pas nécessaire dans certaines opérations d'affinage et dans d'autres cas, par exemple dans de simples réservoirs de matière fondue. Le carbure de silicium peut évidemment être utilisé dans tous les cas. Cependant, dans ce dernier cas, les joints étanches et la protection de gaz inerte peuvent être supprimés. Il faut noter que la cuve décrite peut être utilisée pour tout type d'opération et que toute structure de l'appareil décrit qui se trouve en dehors de la cuve et qui n'est pas indispensable pour son fonctionnement peut être supprimée pour des raisons de rentabilité ou pour d'autres raisons laissées à l'appréciation de l'opérateur.

L'opération d'affinage commence par ouverture de portes coulissantes non représentées placées à l'entrée du canal 7 d'entrée. Le métal fondu pénètre dans le compartiment 8 de travail, représenté avec une matière fondue, par le canal 7 d'entrée qui peut être revêtu de blocs de carbure de silicium. La matière fondue est agitée vigoureusement et le gaz d'affinage barbote lorsqu'il est introduit par le distributeur rotatif 1. La rotation du rotor du distributeur 1 s'effectue dans le sens antihoraire, mais le dessin de circulation créé dans la matière fondue par le distributeur 1 a une composante verticale. La formation de tourbillon est réduite par la disposition asymétrique de la tuyauterie 9 de sortie et des cloisons 10 et 15 dans le compartiment 8 de travail.

Le métal affiné pénètre dans la tuyauterie 9 qui se trouve derrière la cloison 10 et parvient au compartiment 11 de sortie. Celui-ci est séparé du compartiment 8 de travail par un bloc 12 de graphite et un bloc 13 de carbure de silicium. Le métal affiné quitte le four par le canal 14 de sortie et parvient par exemple à une machine de coulée, par gravité. La partie inférieure du four est revêtue d'une plaque 36 de graphite.

L'écume qui flotte sur le métal est prélevée par le bloc 15 qui constitue à la fois une cloison et un dispositif d'écumage et qui collecte la mousse de la surface de la matière fondue près du canal 7 d'entrée, si bien que la mousse peut être facilement retirée.

Le gaz usé de barbotage quitte l'installation au-dessous des portes coulissantes (non représentées) disposées à l'entrée. Une protection de l'espace libre au-dessus de la matière fondue est assurée par un gaz inerte tel que l'argon introduit dans le four par une s tuyauterie non représentée. L'atmosphère dans le compartiment 11 de sortie n'est cependant pas réglée si bien qu'un bloc 12 de graphite est utilisé uniquement au-dessous de la surface de la matière fondue.

Une caractéristique de l'invention est la suppression de la tur-10 bulence dans le compartiment 11 de sortie, c'est-à-dire que la matière fondue de ce compartiment est à l'état presque calme, cette caractéristique étant avantageuse pour l'écoulement par gravité vers une machine de coulée. La tuyauterie 9 de sortie amortit les turbulences.

15 Un trou 16 de coulée ou de purge est destiné au vidage du four lors des changements d'alliage. Il peut être disposé à l'entrée ou à la sortie du four.

La chaleur est transmise au four, dans ce mode de réalisation, par six éléments 17 de chauffage par résistance électrique formés 20 par un alliage nickel-chrome, placés dans les blocs 18 de graphite à double rôle, à raison de trois éléments 17 par bloc. Les blocs 18 sont maintenus en place par des pinces 19 d'acier et par les blocs 12 et 13 qui sont eux-mêmes retenus par des fentes et des cavités non représentées. Les blocs 18 peuvent se dilater vers le 25 côté d'entrée du four et vers le haut.

Le toit 35 ferme de manière étanche le reste du four, par l'intermédiaire d'un joint plat 20, et il est protégé contre la chaleur par plusieurs couches d'isolation 21. Un exemple d'isolation utilisé est formé par une feuille d'aluminium portant du silicate 30 d'aluminium fibreux. Un thermocouple comportant un tube protecteur non représenté est placé dans le bain. Le distributeur 1 de gaz et le moteur non représenté sont associés à une superstructure non représentée qui les supporte.

Chaque élément 17 de chauffage peut coulisser par rapport au 35 toit 35 si bien qu'il peut se déplacer lorsque le bloc 18 associé se dilate, selon une autre caractéristique de l'invention. L'élément 17 est introduit dans un trou percé dans le bloc 18. Le contact entre l'élément 17 et le bloc 18 est évité par une entretoise 24 et une cloison 25 de protection contre la chaleur. La fixation avec cou-40 lissement permet la dilatation thermique du bloc 18. La fixation particulière est classique et on ne l'a pas représentée. Lorsque le four est porté à la température de fonctionnement et lorsque le bloc 18 s'est dilaté, l'élément 17 occupe alors une position fixe. Lors du refroidissement du four pour une raison quelconque, le 45 dispositif de fixation de l'élément 17 (non représenté) sur le toit 35 est libéré afin que l'élément puisse se déplacer librement lors de la contraction du bloc 18. Les éléments 17 sont habituellement perpendiculaires au toit et au fond du four et parallèles les uns aux autres.

50 II est avantageux que la matière utilisée pour le distributeur 1, les diverses plaques et d'autres éléments soit le graphite. Lorsque du graphite se trouve au-dessus du niveau de la matière fondue cependant, il est souhaitable qu'il soit revêtu, par exemple par une peinture céramique ou par toute autre protection contre l'oxyda-55 tion, bien que des joints et une atmosphère protectrice soient utilisés, ou que du carbure de silicium puisse remplacer le graphite.

Un moteur, un dispositif de réglage de température, un transformateur et un autre appareillage classique non représentés sont associés au dispositif d'entraînement du distributeur 1 et à la com-60 mande des éléments 17 de chauffage. La fermeture étanche des canaux d'entrée et de sortie, les tuyauteries, et d'autres appareillages destinés à protéger l'intégrité d'un système fermé sont aussi classiques et on ne les a pas représentés.

R

2 feuilles dessins

Claims

624478

1. Cuve destinée à contenir un métal à l'état fondu, caractérisée en ce qu'elle comprend une enveloppe réfractaire isolante ayant des parois latérales et un fond et imperméable au métal fondu, un revêtement de la plus grande partie de la surface interne des parois latérales et du fond, cette surface interne étant au-des-sous de la surface de la matière fondue, le revêtement comprenant des blocs de graphite ou de carbure de silicium, ces blocs étant disposés afin qu'ils viennent au contact de la matière fondue et qu'ils soient libres de se dilater dans deux directions au moins lors d'un chauffage, et au moins un élément de chauffage électrique par résistance, placé dans un des blocs au moins qui forment le revêtement d'une paroi latérale, ledit élément étant monté sur le bloc dans lequel il est disposé sans être fixé à celui-ci et sans être en contact électrique avec lui.

2. Appareil d'affinage d'un métal fondu, caractérisé en ce qu'il comprend la cuve selon la revendication 1, au moins un dispositif rotatif de distribution de gaz placé dans la cuve et des dispositifs d'entrée et de sortie de métal fondu et des gaz.

2

REVENDICATIONS

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un seul dispositif rotatif de distribution de gaz.

4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cuve est fermée.

5. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cuve est fermée.

6. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que la cuve a un compartiment de travail et un compartiment de sortie, le compartiment de travail étant relié au compartiment de sortie afin que la matière fondue turbulente allant du compartiment de travail au compartiment de sortie soit amortie afin qu'elle soit pratiquement calme.

7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les blocs sont formés de graphite.

8. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les blocs sont formés de graphite.

9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que la cuve a un toit, et l'élément de chauffage peut coulisser par rapport au toit afin qu'il se déplace lors de la dilatation ou de la contraction du bloc dans lequel il est placé.