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WO 95113402 PCTlFR94/01305
Poche de traitement de métal liquide de faible encombrement
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne une poche de traitement , par flux gazeux, de métal
liquide, notamment l'aluminium ou ses alliages mais aussi le magnésium ou
ses alliages, de faible encombrement et ayant des performances thermiques
ou autres améliorées.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On sait qu'avant de procéder à la mise en forme de produits métallurgiques
semi-finis, il est nécessaire de traiter le métal brut liquide pour le
débarrasser des gaz dissous et des impuretés non métalliques qui nuiraient
à la qualité des pièces coulées.
Ce traitement est habituellement effectué par insufflation d'un gaz
approprié, par exemple du type Ar contenant quelques pour-cent de chlore, à
l'aide d'un rotor immergé dans le métal liquide lui-méme contenu dans une
poche de traitement. De plus il est effectué généralement en continu juste
avant la coulée elle-méme effectuëe en continu, la poche pouvant ainsi
servir de poche de coulée.
Pour que ce trai terrent soi t 1 e pl us effi cace et que 1 a coul ée s'
effectue
dans de bonnes conditions il est recommandé d'avoir une très grande
homogénéité de température dans 1e métal liquide et en particulier pendant
les périodes à règimes transitoires précédant ou suivant la coulée
continue ; ces périodes sont principalement la période de mise en
température de la poche avant la coulée, ou de maintien en température de
la poche entre deux coulées consécutives.
Une poche comporte un ou plusieurs compartiments de traitement chacun d'eux
contenant un rotor d'insufflation de gaz, ce dernier ne pouvant en effet ne
traiter qu'un volume déterminé de métal liquide ; souvent les compartiments
sont au nombre de deux. La poche peut en outre étre équipée d'un
compartiment de sortie contigu.
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Le chauffage des poches peut être effectué à l'aide de parois ou couvercles
chauffants, mais un tel dispositif, s'il permet d'avoir des poches
d'encombrement réduit, présente l'inconvénient d'avoir un rendement
thermique insuffisant, d'être peu efficace et de donner de forts gradients
S de température dans le métal liquide. De plus les couvercles chauffants
peuvent provoquer une pollution accrue de la surface du métal liquide par
oxydation et formation de crasses. Les problèmes d'entretien et de
nettoyage sont en outre importants.
On sait encore que le chauffage peut être effectué à l'aide d'un bloc de
graphite immergé dans le métal liquide ; dans 1e bloc sont insérés des
tubes chauffants. Un tel dispositif donne un chauffage insuffisamment
efficace, présente des problèmes d'entretien et de qualité du métal dûs à
l'emploi du graphite et possède une durée de vie aléatoire liée aussi à
l'emploi du graphite.
Le chauffage d'un compartiment de traitement peut aussi être effectué à
l'aide d'un seul thermoplongeur comportant une partie chauffante immergée
dans le métal liquide et une réhausse en émergeant destinée aux connexions
électriques et à sa manutention. Un tel thermoplongeur est généralement
constitué, dans sa partie chauffante, d'une résistance électrique noyée
dans une substance réfractaire bon conducteur thermique et isolant
électrique le tout étant contenu dans une gaine également bon conducteur
thermique devant résister au métal liquide. Cette gaine est avantageusement
en céramique frittée, par exemple en sialon, qui résiste bien à 1'A1
liquide ou à ses alliages. Les thermoplongeurs habituellement utilisés dans
cette application ont un fort diamètre généralement d'environ au moins 110
à 200 mm.
Un dispositif de ce type est décrit dans la demande internationale
WO 94/10595 dans laquelle la poche comprend un compartiment de traitement
et un compartiment de sortie, le compartiment de traitement comportant un
seul thermoplongeur et une introduction de gaz à l'aide de buses situées
dans la paroi.
Les thermoplongeurs de ce type ont l'avantage de donner un chauffage
efficace avec un bon rendement thermique. Néanmoins il subsiste encore des
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lacunes concernant 1a rapidité de chauffage, la maitrise et l'homogénéité
des températures dans chacun des compartiments de traitement mais aussi
dans le compartiment de sortie, les dimensions de ce dernier n'autorisant
pas 1'installation de ce type de the rmoplongeurs.
EFtJiILE hlODlFtEc
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Les poches équipëes de rotor et de ce type de thermoplongeurs à fort
diamètre peuvent étre exploités de différentes façons.
On peut installer simultanément un thermoplongeur et un rotor dans un
compartiment de traitement ; mais dans ce cas on a une capacité de
traitement réduite et des problèmes de nettoyage et d'entretien liés à
l'encombrement du thermoplongeur et du rotor montés à demeure dans le
compartiment, et à l'encrassement du bain de métal liquide.
Aussi la solution, qui semble offrir le meilleur compromis actuel, consiste
à installer un thermoplongeur de fort encombrement provisoirement dans un
compartiment de traitement pendant les périodes transitoires de maintien ou
mise en température du métal liquide puis à le remplacer par le rotor
d'insufflation de gaz au moment du traitement et de la coulée. Dans ce cas
on conserve l'efficacité et 1e rendement de chauffage par thermoplongeur
sans trop aggraver l'hétérogénéité de température au moment de la coulée
(après le remplacement du thermoplongeur par le rotor), et on améliore la
capacité de la poche et les problèmes de nettoyage et d'entretien.
Cependant ce mode d'exploitation nécessite l'usage d'un portique de
manutention qui accroit notablement l'emprise au sol de l'installation, un
dispositif de ce type est illustré par exemple dans le brevet français FR
2514370, de plus les performances de ce mode d'exploitation sont limitëes à
la mesure du type de thermoplongeurs utilisés, comme cela a été vu plus
haut.
OBJET DE L'INVENTION
La demanderesse a cherché à résoudre les problèmes d'homogénéité et de
maitrise de la température de la poche dus à l'emploi du type de
thermoplongeur décrit précédemment et les problèmes d'exploitation et
d'encombrement de la poche liés aussi à l'emploi de ce type de
thermoplongeur.
Elle a ainsi recherché une poche de traitement permettant non seulement de
conserver le rendement et l'efficacité dùs à l'emploi des thermoplongeurs,
mais a encore essayé d'améliorer l'homogénéité thermique du métal liquide
pendant les régimes transitoires et pendant la coulée, tout en améliorant
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la capacitë de traitement et les rendements des poches, en diminuant leur
encombrement et en réduisant considérablement les problèmes de nettoyage
d'entretien et plus gënéralement d'exploitation.
DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention est une poche pour le traitement en continu de
métal liquide comportant un ou plusieurs compartiments de
traitement, chaque compartiment de traitement comportant un
dispositif d'introduction de gaz de traitement immergé et
un thermoplongeur, caractérisée en ce que chaque dit
compartiment de traitement comporte au moins un thermo-
plongeur de diamètre inférieur à 100 mm et de puissance
spécifique importante d'au moins 5 kW par mètre de longueur
chauffante immergée.
La poche est particuliërement adaptée au traitement de l'aluminium ou de
ses alliages, mais également du magnésium ou de ses alliages.
2 0 Bien que le thermoplongeur soit de petit diamètre et de puissance
importante, ce qui entraine une puissance dissipée par unité de surface
plus importante d'autant, il est inattendu de ne noter aucune brûlure du
métal.
I1 est cependant avantageux d'utiliser au moins deux thermoplongeurs, voire
une pluralité, toujours en présence du dispositif d'introduction de gaz, en
particulier pour mieux répartir la charge de chauffage, faciliter les
problèmes d'exploitation de la poche et améliorer la qualité du métal
coulé.
Les thermoplongeurs et 1e dispositif d'introduction de gaz sont donc
3 0 immergés et installés simultanëment dans la poche en cours d'exploitation,
ce qui évite ainsi de les manipuler à chaque nouvelle coulée.
Un dispositif simple, peut cependant permettre de lever l'ensemble des
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thermoplongeurs, voire des rotors, pour dégager complètement la surface du
bain en vue d'un nettoyage épisodique.
Le traitement est généralement effectué au dëfilé sur du métal liquide brut
circulant en continu dans la poche, provenant d'une installation
d'ëlaboration, le métal traité sortant de la poche pour étre directement
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coulé sous différentes formes : plaques, billettes, bandes, pièces moulées,
etc...
Le gaz de traitement est généralement un gaz inerte vis à vis du métal
5 traité, par exemple l'argon, qui peut cependant être additionné d'un gaz
réactif, par exemple le chlore, comme cela est bien connu de l'homme du
métier.
Le dispositif de l'invention est particulièrement intéréssant pour assurer
le maintien ou la mise en température de la poche pour des traitements
continus ; il est de même bien adapté au traitement par batch.
La poche est généralement de grande capacité, contenant plusieurs tonnes de
métal liquide, et peut comporter un ou de préférence plusieurs
compartiments de traitement proprement dits, chacun d'eux étant équipés de
dispositif d'introduction de gaz, par exemple des rotors immergés et de
plusieurs thermoplongeurs (génëralement deux ou plus). Elle peut également
comporter un compartiment de sortie qui permet de ne couler que du mëtal
propre non pollué par d'éventuelles crasses provenant du traitement ou
d'une oxydation superficielle du métal fondu lors du traitement. Mais
l'invention s'applique plus généralement à tous les types de poches, y
compris à celles de petites dimensions ou aux poches d'essai, avec les
mêmes avantages.
Les thermoplongeurs utilisés dans l'invention sont du type à résistance
électrique noyée dans un réfractaire et protëgée par une gaine; ils
comportent, comme ceux connus de l'art antérieur, une partie chauffante
immergée dans le métal liquide rëhaussée d'un prolongateur non chauffant et
non immergé permettant les connexions électriques et les manutentions ;
3G leur partie chauffante est recouverte d'une gaine avantageusement en
céramique frittée, par exemple alumine, zircone, Alon, sialon, oxynitrure
mixte (du type MgAION), nitrure, borure, etc..., qui résiste bien à
l'aluminium liquide et possède une excellente conductibilité thermique
comparativement à ceux de l'art antérieur, par contre ils sont d'un
encombrement très faible pour une puissance équivalente.
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Les avantages liés à l'exploitation de la poche selon l'invention sont
surtout obtenus avec des thermoplongeurs dont la partie chauffante a un
diamètre inférieur â 100 mm; mais l'invention trouve surtout son intérèt
quand le diamètre est inférieur à 40 mm, ou mieux encore inférieur à 30 mm.
De plus, compte tenu entre autres du faible diamètre des thermoplongeurs,
il est inattendu de pouvoir dissiper une énergie supérieure à 5 kW par
mètre de partie chauffante immergée, ou mieux supérieure à 10 kW/m, voire à
20 kW/m, sans que l'on brûle le métal liquide et sans que l'écart de
température entre le métal liquide et le thermoplongeur dépasse quelques
dizaines de °C.
I1 est avantageux que la partie chauffante intéresse toute la hauteur du
bàin de métal liquide.
Les thermoplongeurs peuvent ètre installés à proximité (quelques
centimètres) de l'intérieur des parois de la poche sans que cela nuise à
l'homogénéité de température du métal liquide, y compris pendant les
périodes transitoires. En regroupant les thermoplongeurs d'une poche le
long d'une méme paroi on facilite les problèmes d'entretien et de
nettoyage.
I1 est également très intéressant que le compartiment de sortie soit équipé
d'au rtbins un thermoplongeur de ce type, la température du mëtal s'y
trouvant pouvant être ainsi amenée de façon précise à la valeur souhaitée.
Ceci améliore significativement 1a qualité thermique du métal liquide,
particulièrement lors des périodes transitoires de maintien ou de mise en
température et permet d'éviter les ennuis et~risques de figeage en début de
coulée.
Les thermoplongeurs sont installés en permanence dans les poches pendant
les périodes d'exploitation; cependant ils peuvent être fixés sur un
dispositif de levage simple, de préférence motorisé et installé à demeure
sur la poche, de façon à les retirer ou manipuler facilement pour effectuer
les opérations d'entretien de la poche, d'écrémage et de décrassage de la
surface du bain.
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I1 est aussi avantageux de monter les thermoplongeurs solidairement sur un
seul bàti ou sur un trappon d'accès au bain, actionné par le système de
levage, de façon à pouvoir les manipuler ensemble et à faciliter encore les
opérations citées ci-dessus.
Des améliorations peuvent aussi étre apportées en utilisant ledit
dispositif de levage pour lever simultanément le rotor et les
thermoplongeurs, ou en installant ledit rotor sur le méme bàti ou trappon
que les thermoplongeurs.
La fig. 1 permet d'illustrer une poche selon l'invention comportant un seul
compartiment de traitement et un compartiment de sortie.
On peut y voir l'enceinte (1) de la poche qui comporte un seul compartiment
de traitement (2) séparé par une cloison (3) du compartiment de sortie (4)
communiquant par le bas avec le compartiment de traitement (2). L'enceinte
(1) peut étre constituée d'une enveloppe métallique externe et d'un
garnissage réfractaire interne (non représentés). La poche est alimentée en
(5) par le métal brut à traiter, tandis que le métal traité sort en (6)
pour étre coulé.
Le métal liquide, dont le niveau est représenté par (7), est traité à
l'aide d'un dispositif à rotor (8) comportant une conduite (9) pour amener
le gaz dans le métal liquide (7). I1 est chauffé par une batterie de
~5 thermoplongeurs (10) ayant leur partie chauffante (11) immergée et leur
rehausse (12) permettant, entre autres, leur connexion électrique (13). De
méme un thermoplongeur (14) est installé dans le compartiment de sortie
(4).
30 Dans le cas de la figure, on voit que les thermoplongeurs (10, 14) sont
installés à proximité d'une méme paroi de la poche. Mais il est bien
évident qu'ils pourraient ètre disposés di.fférement si le besoin s'en
faisait sentir.
~5 La poche peut avantageusement comporter deux (ou plus) compartiments de
traitement du type (2), en vue de traiter un débit de métal plus important.
Ils fonctionnent habituellement en série, ou selon toute autre disposition
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compatible avec les contraintes d'exploitation, et débouchant dans le
compartiment de sortie. Chacun des compartiments comporte typiquement un
dispositif d'introduction de gaz (rotor par exemple) et deux
thermoplongeurs qui suffisent en général à assurer la maitrise de la
température tout en évitant un encombrement exagéré de l'espace intérieur
de la poche.
A titre d'illustration de l'invention, une poche ayant une capacité de 4 t
d'aluminium, ou de ses alliages, et cômportant deux compartiments de
traitement et un compartiment de sortie en série a été équipée d'un rotor
et de deux thermoplongeurs par compartiment de traitement et d'un
thermoplorigeur dans le compartiment de sortie. Les thermoplongeurs sont
tous identiques, ont une puissance unitaire de 10 kW, une longueur totale
de 1 m, une longueur chauffante de 500 rtnn et un diamètre extérieur de
partie chauffante de 28 mm. Dans une telle poche, les écarts maximums de
température ne dépassent pas 5°C et la _température du compartiment de
sortie ne s'écartent pas de plus de 5°C de la température de coulée; de
plus la durée séparant deux coulées n'excède pas 1 h.
2p En comparaison dans une poche analogue à deux compartiments, où l'on
introduit alternativement dans chaque compartiment, selon l'art antérieur,
un thermoplongeur de fort diamètre puis un rotor, les écarts maximum de
température sont d'environ 40°C, sans que l'on puisse réguler de façon
très
précise la température du compartiment de sortie, et la durée entre deux
coulées, y compris les temps de changement thermoplongeur/rotor, est d'au
moins 2 h. Par ailleurs, une telle poche avec ses engins spécifiques de
manutention occupe une place au sol supérieure d'environ 30% à celle
occupée par la poche selon l'invention.
Ainsi, la poche selon l'invention présente les avantages suivants
- elle occupe au sol un emplacement minimum; cet encombrement réduit est dù
en particulier à l'absence d'engin de manutention spécifique, nécessaire
dans l'art antérieur, pour effectuer, régulièrement en cours
d'exploitation, la substitution rotor-thermoplongeur; le gain de place
est de l'ordre de 30%;
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- la durée de mise en température est significativement réduite, non
seulement par rapport aux poches chauffées à partir des parois
extérieures ou de séparation entre deux compartiments, mais encore par
rapport aux poches utilisant un seul thermoplongeur;
- on améliore l'homogénéité et 'la maitrise de la température dans les
compartiments de traitement et dans le compartiment de sortie, durant les
périodes~.de mise, comme de maintien, ,en température; ceci permet de
maitriser parfaitement la température du métal coulé donc d'éviter les
pertes de métal en début de coulée pour non conformité et d'accroitre la
qualité, des pièces obtenues.
On note ainsi des écarts maximum de température ne dépassant pas
5°C de
sorte qu'il n'est pas nécessaire de surchauffer la poche de métal (ce qui
limite notablement l'apparition de crasses) et que les risques de figeage
sont quasiment supprimés à la coulée.
- on facilite les opérations d'entretien et de nettoyage de la poche; le
démontage des thermoplongeurs n'est pas toujours nécessaire ou est très
simplifié gràce à une manutention aisée et rapide des thermoplongeurs
permettant d'éviter des arréts de production.
- la capacité de l'installation est accrue du fait de la simplification des
opérations d'exploitation et de la rapidité de mise en température et de
son homogénéisation dues à la pluralité de thermoplongeurs dans chaque
compartiment de traitement.
