D'ALUMINIUM LIQUIDE

DOMAINE DE L'INVENTION

L'invention concerne un dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement d'un bain liquide d'aluminium ou de ses alliages. Dans la suite du texte le mot « aluminium » sera employé dans le sens générique de « aluminium et ses alliages ».

ETAT DE LA TECHNIQUE

L'aluminium liquide sortant des cuves d'électrolyse ou de fours de refusion contient des impuretés dissoutes ou en suspension. Les plus importantes de ces impuretés sont l'hydrogène, les éléments alcalins tels que sodium ou calcium et les oxydes, en particulier l'oxyde d'aluminium lui-même.

Afin d'éliminer ces impuretés néfastes pour les propriétés ultérieures du demi produit, l'aluminium liquide est soumis à divers traitements d'élimination des impuretés. Le plus répandu de ces traitements, qui utilise une combinaison de réactions chimiques et de phénomènes de flottation, consiste à introduire dans le bain sous forme de petites bulles un gaz inerte ou réactif. Par exemple une bulle d'argon va entraîner avec elle à la surface du bain une inclusion solide en suspension. De même un bulle de chlore va réagir avec le sodium contenu et donner un sel de sodium qui sera également transporté à la surface du bain. De tels traitements par action des gaz peuvent être effectués en discontinu dans un four ou dans un creuset. Mais ils sont le plus généralement effectués en continu entre le four et la machine de coulée dans une cuve de

traitement du type de celle qui est schématiquement représentée dans la figure 1 .

Le métal liquide à traiter entre dans le premier compartiment (2) de la poche par un bec d'entrée (1 ). Il est traité au passage par les bulles de gaz (4) dispersées par le dispositif rotatif (3). Le métal ainsi traité déborde dans un compartiment de sortie (5) équipé d'une chicane (6) et ressort de la poche par le bec de sortie (7).

Le gaz à disperser dans le bain liquide est encore injecté quelques fois avec de simples cannes mais la technique la plus répandue consiste à utiliser un dispositif rotatif de dispersion composé d'un axe creux de rotation par lequel arrive le gaz et d'un rotor de la forme la plus appropriée pour disperser les bulles de gaz dans le bain. L'efficacité du traitement est évidemment maximum quand la surface d'échange entre le bain et le gaz est elle-même maximum. Ceci s'obtient en concevant le rotor pour obtenir de très petites bulles, projeter ces bulles dans tout le volume (le moins de volume mort possible) et créer des recirculations du bain lui-même pour que celui-ci vienne au contact des bulles (toujours le moins de volume mort possible) .

Cette recherche de la plus grande efficacité du traitement par une agitation intense dans le volume du bain se traduit par une agitation permanente en surface souvent appelée « vagues de surface », par des projections de bain par remontée de grosses bulles et par un phénomène de vortex autour de l'axe de rotation. Ces trois phénomènes risquent de réintroduire dans le bain des inclusions et de générer une oxydation fâcheuse de l'aluminium liquide.

On a cherché à supprimer ou à diminuer ces inconvénients. Le brevet américain US 4618427 propose par exemple un changement radical dans la technologie des dispositifs de dispersion de gaz. Certes un tel dispositif ne présente pas les inconvénients précités, mais un tel rotor ne génère qu'une

très faible recirculation du métal liquide ce qui revient à diminuer l'interface métal/gaz et par conséquent l'efficacité du procédé.

La demande de brevet EP 0347108 propose de combiner traitement par gaz et filtration dans un même dispositif. Une couche filtrante est interposée entre le rotor d'injection de gaz et la surface du métal liquide. Les bulles de gaz traversent le filtre en remontant à la surface et on conçoit bien que les turbulences en surface doivent être très réduites, le filtre jouant un rôle de répartition des bulles et cassant les gros bouillons éventuels. Ce dispositif présente cependant de sérieux inconvénients : d'une part la couche filtrante, qui se colmate et doit être périodiquement renouvelée, est un dispositif coûteux et d'exploitation difficile; d'autre part, la taille du rotor est forcément réduite pour faciliter le passage à travers la couche filtrante et assurer l'étanchéité à ce niveau. La forme conique de la distribution des bulles issues de ce rotor, si elle assure une bonne distribution des bulles sous la couche filtrante, laisse une grande partie de la cuve hors d'atteinte des bulles ce que ne compense pas la recirculation toroïdale du métal liquide lui-même. L'efficacité du traitement par gaz se trouve donc sensiblement réduite ce qui n'est peut-être pas rédhibitoire dans un dispositif mixte traitement par gaz/filtration tel que décrit dans cette demande, mais n'est pas satisfaisant pour un dispositif de traitement par gaz seul.

La demande de brevet EP 061 1830 propose de prévoir au fond de la cuve de traitement une chicane sur toute la largeur de celle-ci. Cette chicane passe au droit du ou des rotors et, en modifiant les champs de distribution des bulles et de circulation du métal, permettrait de diminuer les perturbations de surface ou, ce qui revient au même, d'augmenter la quantité de gaz injecté et la vitesse de rotation du rotor sans augmenter ces perturbations de surface. Cette solution présente un inconvénient pratique considérable. Au fur et à mesure que le métal liquide traverse la cuve, des crasses s'accumulent autour

de la zone privilégiée que constitue la chicane et il est nécessaire de nettoyer très fréquemment la chicane dans des conditions particulièrement difficiles.

La demande de brevet japonais JP 06-273074 vise très précisément la diminution de l'agitation de surface et enseigne un rotor amélioré dans ce but. L'expérience montre que l 'utilisation d' un tel rotor atténue effectivement le phénomène permanent de « vagues de surface » mais qu'il se produit périodiquement et intempestivement des projections à la surface du bain qui ont des conséquences néfastes sur la reprise d 'inclusions.

PROBLEME POSE

La demanderesse a cherché à mettre au point un dispositif rotatif de dispersion de gaz qui permette de diminuer à la fois les phénomènes d 'agitation de surface, de projections épisodiques et de vortex sans nécessiter des modifications de la cuve elle-même comme une couche filtrante ou une chicane et sans diminuer l'efficacité du traitement.

DESCRIPTION DE L'INVENTION

L'objet de l'invention est un dispositif rotatif de dispersion de gaz pour le traitement en continu d ^' un bain d'aluminium liquide dans une cuve de traitement comportant un arbre d 'entraînement creux servant d'arrivée de gaz et un rotor constitué de plusieurs pales disposées en étoile autour d'un moyeu central caractérisé en ce que, à la partie supérieure du rotor, un disque sensiblement plat recouvre l'étoile formée par les pales, en ce que le gaz est injecté dans le bain par les orifices situés entre les pales et en ce que le ratio entre le diamètre extérieur du rotor et le diamètre de son moyeu central est compris entre 1 ,5 et 4.

L'arbre d'entraînement comporte à son extrémité inférieure une pièce filetée ou une partie filetée destinée à la fixation du rotor. Le rotor lui-même comporte un moyeu central et un tube fileté destiné à la fixation du rotor sur la

partie ou la pièce filetée de l'arbre d'entraînement. A ce moyeu central sont fixées des pales disposées en rayons. Le nombre de ces pales peut être variable, pair ou impair. Si le nombre de paies est trop faible, l'agitation et donc l'efficacité du traitement peut s'avérer insuffisante. Un nombre de pales trop élevé conduit à un ensemble plus difficile à fabriquer et donc plus coûteux. Le choix dépend au cas par cas des volumes de métal à traiter dans un temps donné, de la dimension de la cuve qui peut être à un compartiment ou à plusieurs compartiments, etc.. Dans les conditions habituelles de traitement de l'aluminium, un nombre de pales compris entre 6 et 8 constitue un bon compromis.

Les pales ont généralement une forme rectangulaire mais on peut également utiliser des pales trapézoïdales où la hauteur de la pale est plus faible à l'extrémité externe de celle-ci qu'au niveau de son raccordement au moyeu central et même des pales triangulaires où la hauteur de la pale est nulle à son extrémité externe. La forme de la pale doit être telle que, compte tenu de sa hauteur et de la configuration des orifices d'injection dont il sera parlé plus loin, la plus grande part du gaz injecté est prise en charge et dispersée par la pale.

Le rotor comporte un disque sensiblement horizontal dont le diamètre est égal ou voisin du diamètre extérieur de l'étoile que constituent les pales. Ce disque est positionné au-dessus de l'étoile que constituent les pales. Il est avantageux de donner à la face supérieure du disque une forme légèrement tronconique dans le but de faciliter l'écoulement du métal liquide lorsque le rotor est retiré verticalement de la cuve. Il est déconseillé de choisir un diamètre inférieur au diamètre défini par l'étoile que constituent les pales. Dès que l'extrémité des pales dépasse le diamètre du disque, l'effet anti-vagues du dispositif diminue considérablement. Dans l'autre sens par contre, l'effet anti-vagues est maintenu même si le diamètre du disque est supérieur au diamètre défini par l'étoile que constituent les pales. Il n 'y a guère d'intérêt cependant à adopter

une telle configuration. Et, dans la version préférée de l'invention, on fait coïncider sensiblement diamètre du disque et diamètre extérieur de l'étoile que constituent les pales.

Le diamètre externe du rotor suivant l'invention est variable. Comme pour les rotors de l'art antérieur, il dépend du volume à traiter, de la taille de la cuve, de la forme de la cuve à un ou plusieurs compartiments.

Le rotor suivant l'invention se caractérise par une portance des pales élevée. La portance des pales peut se définir par le rapport entre le diamètre extérieur du rotor et le diamètre de son moyeu central. Les rotors de l'art antérieur ont une portance des pales faible car une augmentation de la portance entraînerait une augmentation de l'agitation de surface. Un exemple typique d'un rotor de l'art antérieur à faible portance de pales est donné par le rotor A de l'exemple donné plus loin. L'augmentation de la portance des pales a cependant des limites. En deçà d'un certain ratio, le rotor est difficile à fabriquer, fragile et coûteux. Au-delà d'un certain ratio, l'effet bénéfique de la portance des pales devient négligeable. Dans les conditions habituelles des cuves de l'industrie de l'aluminium, une plage pour le ratio de 1 ,5 à 4 représente un bon compromis.

L'agencement entre le disque et l'ensemble des pales peut être réalisé de plusieurs manières. Une première solution consiste à réaliser le rotor par usinage d'un seul bloc. Disque, pales et moyeu central constituent un ensemble monobloc. Une autre solution consiste à réaliser le rotor en deux pièces : d'une part le disque avec, en son centre, son propre moyeu de fixation par filetage à l'arbre d'entraînement, d'autre part l'ensemble des pales avec son moyeu central. Le rotor est alors obtenu par ajustements successifs du disque et des paies sur l'arbre d'entraînement. L'avantage d'un montage en deux pièces est qu'on peut réaliser le rotor en différents matériaux. Par exemple, les pales

qui sont soumises à des contraintes plus grandes que le disque, peuvent être réalisées dans un matériau plus dur que le disque.

D'une manière générale, le dispositif suivant l'invention peut être réalisé dans tous les matériaux compatibles avec les conditions d ' utilisation (tenue mécanique, tenue à haute température, usure, ...) et en particulier avec tous les matériaux déjà connus pour être utilisés dans des équipements semblables (graphite, nitrure de bore, alumine, nitrure de silicium, céramiques de la famille des SIALON, etc.) , les trois pièces (arbre d ^' entraînement, disque et pales) pouvant éventuellement être réalisées dans des matériaux différents.

Les orifices d 'injection de gaz sont percés radialement dans le moyeu central sur lequel sont fixées les pales. Le raccordement de ces orifices à l'arrivée de gaz via l'arbre d 'entraînement sera évoqué plus loin.

Les orifices d 'injection de gaz sont positionnés et réalisés d' une manière telle que le jet de gaz se situe globalement à la hauteur de la zone centrale de la pale qui, au cours de la rotation, va venir le disperser.

FIGURES La figure 1 représente en coupe le schéma d ' une cuve conventionnelle de traitement en continu de l'aluminium liquide avec un dispositif rotatif d 'injection de gaz.

La figure 2 représente un dispositif rotatif d 'injection de gaz de l'art antérieur.

La figure 3a représente un dispositif rotatif d'injection de gaz suivant l'invention avec 8 pales identiques.

La figure 3b représente un dispositif rotatif d'injection de gaz suivant l'invention avec alternance de pales complètes et de pales à surface réduite.

La figure 4 représente deux variantes possibles (4a et 4b) pour l'assemblage des différents éléments d'un dispositif suivant l'invention et pour l'alimentation en gaz des orifices d'injection.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans sa version la plus simple, la plus rationnelle et la plus efficace, le rotor suivant l'invention comporte une injection de gaz entre chaque pale par un orifice unique qui est positionné dans le sens vertical à mi-hauteur de la pale, qui est orienté dans le sens radial d' une manière telle que son axe corresponde sensiblement à la bissectrice de l'angle formé par les deux pales et qui est percé suivant un axe horizontal. Un rotor de ce type est représenté figure 3a où l'on distingue l'arbre d'entraînement ( 1 ) , le disque supérieur (4), les pales (5) et un orifice d'injection de gaz ( 10).

Mais de très nombreuses variantes sont possibles dans le cadre de l'invention. On peut par exemple ne pas injecter du gaz entre chaque pale mais devant une pale sur deux seulement. L'efficacité de l'ensemble en sera réduite mais dans certaines circonstances de volume à traiter ou de qualité requise du métal, cela peut s'avérer suffisant. On peut également positionner l'orifice dans le sens vertical non pas à mi-hauteur de la pale mais plus haut ou plus bas et/ou incliner l'orifice vers le bas ou vers le haut par rapport à l'horizontale. Le point important est que le jet de gaz doit être pour sa plus grande part dispersé par la pale en évitant qu'une partie significative du gaz s'échappe au-dessous ou au-dessus de la pale sans être dispersé.

Il est préférable que le diamètre des orifices soit compris entre 1 et 5 mm. En- dessous de 1 mm de diamètre, il y a des risques de bouchage. Au-dessus de 5 mm, le diamètre des bulles devient trop important, la surface d 'échange métal/gaz diminue et l'efficacité du traitement peut être compromise. Dans certaines configurations, en fonction du volume à traiter, de la taille du rotor et de sa vitesse, du volume de gaz à disperser, il peut être intéressant de

remplacer l'orifice unique situé entre les pales par deux ou plusieurs orifices de diamètre plus faible.

Les orifices ainsi décrits, percés en étoile dans le moyeu central du rotor, peuvent être reliés à l'alimentation de gaz à travers l'arbre creux d'entraînement par toutes sortes de moyens. Ces moyens dépendent des choix faits par ailleurs pour l'agencement mécanique du rotor et de l'arbre, en fonction des matériaux, de la taille du rotor, etc...Ces différents moyens possibles qui peuvent être très nombreux sont compatibles avec l'invention dans la mesure où ils fournissent un débit de gaz suffisamment régulier et bien réparti dans les différents orifices.

Sans que cela constitue en quoi que ce soit une limitation de la portée de l'invention, deux solutions possibles peuvent être citées pour l'alimentation en gaz des orifices du rotor :

L'une des solutions est représentée sur la figure 4a. Un arbre d'entraînement ( 1 ) comporte à son extrémité inférieure un trou cylindrique fileté (2) qui sera la partie femelle d'un raccordement par vis. Le rotor lui-même (3) fabriqué en une seule pièce comporte un disque supérieur (4), un certain nombre de pales (5) et un noyau central cylindrique (6). Ce noyau central (6), plein à sa partie inférieure (6a), comporte une cavité cylindrique (7a) qui joue le rôle de distributeur de gaz. A partir de cette cavité, sont percés radialement les orifices (10) qui diffusent le gaz entre les pales. Traversant le disque (4) et la partie supérieure (6b) du noyau central, un trou cylindrique fileté (8) d'un diamètre identique à celui du trou cylindrique fileté (2) de l'arbre d 'entraînement, destiné à servir également de partie femelle pour le raccordement par vis, débouche dans la cavité centrale de distribution de gaz. Enfin, l'ensemble comporte une vis (9) de forme cylindrique et percée en son centre d'un canal de passage de gaz. Lors du montage, on commence par fixer la vis au rotor dans le trou cylindrique fileté (8) prévu à cet effet. Puis on fixe le rotor à l'arbre

d'entraînement en vissant, dans le trou cylindrique fileté (2) prévu dans l'arbre, la partie supérieure de la vis (9) qui dépasse au-dessus du disque. Une fois l'ensemble monté, le passage du gaz et sa distribution sont assurés à travers le canal central de l'arbre d'entraînement, le canal central prévu dans la vis (9), la chambre de distribution (7) et les orifices latéraux ( 10) .

Une autre solution pour l'assemblage rotor/arbre et la distribution de gaz est représentée à la figure 4b. L ^' arbre d'entraînement ( 1 ) comporte un trou cylindrique fileté (2) qui sera la partie femelle du raccordement par vis. Le rotor est en deux parties : le disque supérieur (4) est fabriqué séparément et joint à l'ensemble constitué par les pales et le noyau central au montage seulement. Le disque supérieur (4) comporte sur sa face inférieure des rainures (4a) destinées à recevoir la partie supérieure des pales au moment du montage. Le centre du disque est percé d'un trou cylindrique fileté destiné à recevoir la vis de raccordement. Le noyau central (6) du rotor proprement dit est percé d'un trou cylindrique fileté (8) destiné à recevoir la vis de raccordement. A mi-hauteur des pales, est également creusée dans ce noyau central une cavité circulaire (7b) qui jouera le rôle de distributeur de gaz. De cette cavité partent radialement les orifices ( 10) d'injection du gaz entre les pales. Enfin, l'ensemble comporte une vis (9) percée en son centre d'un canal de passage du gaz. Ce canal qui, à la partie supérieure de la vis, se raccordera au canal de l'arbre d 'entraînement, se termine à la pqrtie inférieure en une série de petits canaux radiaux qui, une fois l'ensemble monté, déboucheront dans la chambre de distribution du gaz. Lors du montage, la vis (9) est introduite à la partie inférieure du noyau central. Grâce aux parties filetées de la partie supérieure du noyau central, du disque et de la partie inférieure de l'arbre d'entraînement, la vis (9) assure l'assemblage des trois pièces. Une fois l'ensemble monté, le circuit complet du gaz est constitué depuis le canal central de l'arbre d 'entraînement, en passant par le canal central de la vis, les petits canaux latéraux à l'intérieur de la vis, la chambre de

distribution creusée à l'intérieur du noyau central et les orifices d'injection entre les pales.

La demanderesse a constaté que le dispositif selon l'invention tel qu'il a été décrit jusqu'ici permettait de diminuer considérablement « vagues de surface », projections et vortex sans diminution de l'efficacité du traitement. Elle a également constaté que les résultats étaient encore améliorés si le dispositif comportait des caractéristiques supplémentaires. L'invention concerne également un dispositif rotatif comportant un arbre d'entraînement creux servant d'arrivée de gaz et un rotor composé d' un disque et de pales disposées en rayon à la face inférieure, comportant entre les pales des orifices d'injection de gaz, caractérisé en ce que le nombre de pales est un nombre pair et que sont alternées des pales « complètes » et des pales dont la surface de contact avec le bain est réduite de 10 à 30% par rapport à la surface de la pale complète. La réduction de surface d'une pale sur deux à leur partie inférieure peut être effectuée de plusieurs manières en fonction, entre autres, de la forme choisie pour la pale « complète ». On peut par exemple faire alterner des pales « complètes » rectangulaires avec des pales à surface réduite où l'on a simplement diminué la hauteur du rectangle. On peut également faire alterner des pales rectangulaires avec des pales trapézoïdales de même hauteur au niveau du moyeu mais de hauteur plus faible en extrémité de pale. D'autres configurations sont possibles, l'important étant que, pour la pale à surface réduite comme pour la pale « complète », la combinaison forme de la pale/ position des orifices soit telle que le jet de gaz soit pour sa plus grande part pris en charge et dispersé par la pale. Ceci peut conduire dans le cas des pales alternées à une position différente des orifices devant les pales à surface réduite par rapport à leur position devant les pales « complètes ». Mais on peut également choisir les formes respectives des pales « complètes » et des pales à surface réduite pour pouvoir utiliser des orifices positionnés de manière identique pour toutes les pales.

L'important pour obtenir le résultat maximum est que la surface des pales soit suffisante et que soient alternées des pales « complètes » et des pales à surface réduite. L'effet favorable de l'alternance des pales sur l'apparition des vagues de surface, des projections et du vortex, qui reste pour le moment inexpliqué, commence à se faire sentir lorsque une pale sur deux a une surface réduite de 10%. Lorsque la réduction de surface d' une pale sur deux atteint 30% l'efficacité du traitement, toutes choses égales par ailleurs, commence à diminuer probablement parce que l 'agitation est insuffisante.

EXEMPLE

Dans une cuve de dimensions intérieures 800 mmxδOO mmx800 mm remplie d'une charge d'aluminium liquide de 1200 kg ont été successivement testés :

- un dispositif A suivant l'art antérieur, couramment utilisé dans les installations industrielles actuelles et représenté à la figure 2. Le diamètre extérieur du rotor était de 250 mm et comportait 8 pales identiques de forme rectangulaire de hauteur 100 mm dans le sens vertical et de largeur 30 mm dans le sens horizontal. Le moyeu central était de diamètre 190 mm. Le ratio entre le diamètre extérieur du rotor et le diamètre de son moyeu (la portance des pales) était de 1 ,3. L'injection de gaz était effectuée suivant le principe de ce rotor conventionnel par 8 trous de diamètre 2,5 mm débouchant en extrémité de pale.

- un dispositif B suivant l'invention et représenté figure 3a. Ce dispositif comportait un disque d'épaisseur 15 mm et de diamètre extérieur 250 mm. Il comportait 8 pales rectangulaires identiques de hauteur constante 85 mm dans le sens vertical et de largeur 75 mm dans le sens horizontal. Le moyeu central était de diamètre 100 mm. Le ratio entre le diamètre extérieur du rotor sur le diamètre de son moyeu central était de 2,5. L'injection de gaz conformément à l'invention était réalisée par 8 orifices situés dans un même plan horizontal, diffusant horizontalement des jets de gaz

approximativement dirigés suivant les bissectrices des angles formés par deux pales successives et ceci approximativement à mi-hauteur des pales. Ces orifices avaient un diamètre identique de 2,5 mm ,

- un dispositif C également suivant l'invention et représenté figure 3b de mêmes dimensions que le dispositif B mais comportant en alternance des pales "complètes" et des pales à surface réduite. 4 pales, identiques aux pales du dispositif B, avaient une hauteur constante de 85 mm dans le sens vertical. Les 4 autres pales, alternées avec les précédentes avaient une hauteur variable de 85 mm à leur raccordement au moyeu central à

65 mm en extrémité de pale. L'injection de gaz, comme pour le dispositif B, était effectuée par des orifices de 2,5 mm situés sur un même plan horizontal diffusant horizontalement des jets à mi-hauteur des pales que celles-ci soient complètes ou tronquées.

Au cours des essais, ont été mesurés ou observés les paramètres suivants : fréquence des projections, profondeur du vortex, amplitude des vagues de surface, efficacité du traitement. Les résultats obtenus ont été les suivants :

- le nombre de projections a été observé pour un débit de gaz de 6 Nm ³ /h et une vitesse de rotation de 250 tours/minute. Le nombre de projections par unité de temps a été réduit respectivement d'un facteur 2 avec le dispositif B et d'un facteur 3 avec le dispositif C par rapport au nombre de projections par unité de temps constatées avec le dispositif A de référence.

les mesures de la profondeur du vortex (en cm) ont été effectuées volontairement sans injection de gaz. Les résultats sont résumés dans le tableau 1 .

TABLEAU

Vitesse de rotation en tours/minute 250 300 350

Dispositif A 2 4 7

Dispositif B 1 3 5

Dispositif C 1 3 5

- l'amplitude des vagues de surface, très difficilement mesurable a été évaluée à l'oeil pour un débit de gaz de 6 Nm ³ h et deux vitesses de rotation. Les observations sont rassemblées dans le Tableau 2.

TABLEAU 2

Vitesse de rotation (en tours/minute) 250 350

Dispositif A (art antérieur) moyenne forte

Dispositif B (suivant l'invention) faible moyenne

Dispositif C (suivant l'invention) très faible faible

- L'efficacité du traitement a été mesurée par le taux de réduction de la teneur en H ₂ du métal liquide après un traitement de 6 minutes avec un débit de gaz de 6 Nm ³ /h. Les résultats obtenus au cours des essais étaient du même ordre pour les trois rotors testés avec des taux de réduction compris entre 60 et 75%.