EP0050578A1 - Dispositif de traitement d'un bain de métal liquide par injection de gaz - Google Patents
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- C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
- C22B9/05—Refining by treating with gases, e.g. gas flushing also refining by means of a material generating gas in situ
Definitions
- the present invention relates to a device for treating a bath of liquid metal and, in particular, of aluminum or its alloys by gas injection.
- the first consists in passing the liquid metal through inert or active filtration media which retain impurities either mechanically, or following chemical reactions, or by exerting the two effects;
- the second way resorts to the use of inert or reactive gases or their mixtures, which are more or less intensely stirred with the liquid metal, in the presence or not of products such as fluxes.
- gases are injected in the form of small discrete bubbles by means of a device consisting of a rotary shaft secured to a finned rotor, of a fixed sleeve surrounding said shaft and connected at its lower end to a finned stator;
- shaft and sleeve are separated by an axial passage in which the gases are transported and introduced at the level of the fins where they are subdivided into small bubbles and brought into intimate contact with the metal stirred by the rotor.
- This device for treating a bath of liquid metal contained in a container by gas injection is characterized in that it comprises a rotary agitator, the lower end of which rests, when stationary, on a gas injection plug. placed at the bottom of the bath and which, under the action of the pressure of the gas emitted by the plug, lifts and, thus supported by a fluid bearing, can, under the effect of an external torque, freely rotate around its axis and let escape by the space which separates it from the cap, a multitude of regularly dispersed gas bubbles.
- the device according to the invention is therefore formed by the combination of two means: a rotary agitator, on the one hand, and a gas injection plug, on the other hand.
- the rotary agitator consists of a massive piece of cylindrical-tapered shape, the upper part of which is provided with a cylindrical opening in which engages the shaft on which an external torque is exerted.
- the lower part of this agitator may have a smooth surface or have several radial notches of increasing depth towards the periphery, so as to facilitate the entrainment of the injection gases.
- These indentations extend for example in length on a third of the diameter of the agitator and can extend on the lateral face forming kinds of helices facing to the right or to the left and whose pitch is more or less depending on the processing conditions.
- the agitator shaft is equipped with an antivortex system placed at the bath-atmosphere interface, so as to limit the movements of the liquid metal which could hinder proper dispersion of the gases.
- the external torque is preferably exerted by a variable speed motor fixed on a support arranged at the top of the container.
- the shaft of this motor is integral with the shaft of the agitator by means of any connection system which allows the agitator to be able to describe a vertical translational movement over a distance of several millimeters.
- the gas injection plug consists of a cylindrical piece, the upper face of which is pierced with holes of small diameter, which can be arranged in crowns and which are connected inside the plug to channels grouping into one channel. central which leads to an expansion chamber supplied with gas by a pipe external to the container.
- the mass of the plug located above the expansion chamber can be produced with a porous material.
- the agitator and the stopper are arranged, with respect to each other, so that the vertical axes of symmetry of each of them are coincident.
- the lower face of the agitator and the upper face of the stopper are adapted to one another so that, at rest, they are in contact with one another and cause an obstruction of the injection orifices of gas.
- This adaptation can be achieved for example by giving said face of the stopper a conical shape and by providing in said face of the stirrer a cavity of similar shape.
- the gas pressure admitted at the level of the plug raises the agitator and produces a fluid bearing so that, when the drive motor is put into service, said agitator can rotate freely without contact with the cap.
- the agitator and the stopper are preferably composed of graphite, but any other material having sufficient resistance to liquid metal is also suitable.
- the gas admitted by the plug is a neutral gas such as argon, nitrogen or a reactive gas such as chlorine or their mixtures, or any other gas capable of treating the metal.
- a neutral gas such as argon, nitrogen or a reactive gas such as chlorine or their mixtures, or any other gas capable of treating the metal.
- Such a device is placed on a container containing the metal bath to be treated. It can be, for example, a pocket through which the metal passes continuously before being cast.
- This container can carry, in a conventional manner, a partition and, then, the device is placed in the upstream compartment.
- the bottom of this pocket can be provided with a filtration bed or not.
- This pocket is equipped with means which make it possible to maintain a neutral atmosphere on the surface of the liquid metal and thus avoid any oxidizing action of the outside air.
- This container can also be provided with heating means intended to maintain the metal in the liquid state.
- Figure 2 shows the arrangement of the notches (5) on the conical surface (4) of the lower part of the agitator.
- the pocket is supplied with liquid metal by the channel (25) and flows towards the bottom of the upstream compartment, then below the partition (19) towards the downstream compartment before leaving the pocket by the channel (27).
- the metal bath delimited by the walls of the pocket and the surface (28) is intimately stirred by the agitator with the formation of a multitude of finely dispersed gas bubbles which escape through the space (29) forming under the gas pressure between the lower part of the agitator and the upper part of the plug.
- the metal to be treated was an aluminum alloy of the 6000 series, which was brought into the liquid state, at a temperature close to 720 ° C., at a flow rate of 5 tonnes per hour in a ladle where the height bath was 80 cm. :
- the plug of the channel type, was supplied with argon at a rate of approximately 2 m3 / h at a pressure between 1.2 and 1.4 bar.
- the agitator was rotating at a speed of 400 rpm.
- the alloy presented 10 bubbles in the vacuum solidification test; after passing through the pocket, the number of bubbles was zero. This shows the effectiveness of the treatment obtained by means of the claimed device.
- the present invention finds its application in the treatment of liquid metals with a gas, and in particular in the treatment of aluminum or its alloys for the elimination of hydrogen and non-metallic impurities.
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Abstract
Description
- La présente invention est relative à un dispositif de traitement d'un bain de métal liquide et, notamment, d'aluminium ou de ses alliages par injection de gaz.
- L'homme de l'art sait qu'avant de procéder à la mise en forme de produits métallurgiques semi finis, il est nécessaire de traiter le métal brut d'élaboration pour le débarrasser des gaz dissous et des impuretés non métalliques qu'il contient et dont la présence nuirait aux propriétés souhaitées et à la facilité de solidification des pièces fabriquées.
- Deux voies principales de traitement sont connues actuellement : la première consiste à faire passer le métal liquide à travers les milieux de filtration inertes ou actifs qui retiennent les impuretés soit mécaniquement, soit à la suite de réactions chimiques, soit en exerçant les deux effets ; la deuxième voie recourt à l'utilisation de gaz inertes ou réactifs ou de leurs mélanges, lesquels sont brassés plus ou moins intensément avec le métal liquide, en présence ou non de produits tels que des flux. Ces deux voies peuvent, d'ailleurs, être combinées entre elles.
- Suivant la deuxième voie, de nombreuses réalisations ont été faites portant, entre autres, sur la manière d'introduire le gaz dans le bain de métal liquide et sur la façon d'obtenir une plus ou moins grande dispersion des gaz dans le métal. C'est ainsi que, dans le brevet français n° 1 555 953, le gaz est amené dans le bain par un plongeur dont la partie inférieure est équipée d'un dispositif rotatif assurant le brassage et la répartition du gaz à travers une grande surface de bain.
- Dans le brevet français n° 2 063 916, le gaz est insufflé dans le métal fondu au moyen d'une lance à double enveloppe refroidie par eau.
- Dans le brevet français n° 2 166 014, on injecte des gaz sous forme de petites bulles discrètes au moyen d'un dispositif constitué d'un arbre rotatif solidaire d'un rotor à ailettes, d'un manchon fixe entourant ledit arbre et relié à son extrémité inférieure à un stator à ailettes ;
- arbre et manchon sont séparés par un passage axial dans lequel les gaz sont transportés et introduits au niveau des ailettes où ils sont subdivisés en petites bulles et amenés en contact intime avec le métal agité par le rotor.
- Dans le brevet français n° 2 200 364, le gaz est introduit au centre de rotation d'un agitateur à turbine et mis en contact avec le métal liquide dans des conditions d'agitation évitant toute émulsification.
- De nombreuses solutions ont été proposées. Toutefois, chacune d'elles présente des inconvénients. Ainsi, les dispositifs d'injection de gaz, par l'intermédiaire d'un agitateur, recourent à l'utilisation de canaux de distribution de gaz placés au sein dudit agitateur, ce qui en complique la réalisation et conduit à des systèmes fragiles et d'un entretien coûteux ; de plus, ces canaux sont la source de pertes de charge importantes qui limitent la vitesse d'injection de gaz dans le bain. En outre, la vitesse de rotation de tels dispositifs et, par suite, leur pouvoir de dispersion des gaz et d'agitation du bain, est limitée par l'apparition de balourds et de phénomènes d'abrasion. Certes, on peut parer à ces balourds en fixant les arbres des agitateurs par leur extrémité inférieure, mais il est alors nécessaire soit de monter des paliers supports travaillant au contact de métal liquide, à température relativement élevée, soit de prolonger ces arbres en dehors du récipient de métal et de les équiper de joints tournants. Ce sont autant de solutions qui entraînent des difficultés technologiques souvent insurmontables.
- C'est pourquoi, la demanderesse a cherché et mis au point un dispositif de traitement d'un bain de métal liquide par injection de gaz dans lequel . on supprime l'alimentation en gaz par l'arbre de l'agitateur et toutes les complications de réalisation qui en résultent ; on limite les phénomènes de balourd et d'abrasion et on obtient un effet de laminage et de dispersion des bulles de gaz tel que l'efficacité de traitement du métal s'en trouve sensiblement amélioré.
- Ce dispositif de traitement d'un bain de métal liquide contenu dans un récipient par injection de gaz est caractérisé en ce qu'il comprend un agitateur rotatif dont l'extrémité inférieure repose, à l'arrêt, sur un bouchon d'injection de gaz placé au fond du bain et qui, sous l'action de la pression du gaz émis par le bouchon, se soulève et, ainsi supporté par un palier fluide, peut, sous l'effet d'un couple extérieur, tourner librement autour de son axe et laisser échapper par l'espace qui le sépare du bouchon, une multitude de bulles de gaz régulièrement dispersées.
- Le dispositif selon l'invention est donc formé par la combinaison de deux moyens : un agitateur rotatif, d'une part, et un bouchon d'injection de gaz, d'autre part.
- L'agitateur rotatif est constitué d'une pièce massive de forme cylindro- tronconique dont la partie supérieure est pourvue d'une ouverture cylindrique dans laquelle s'engage l'arbre sur lequel est exercé un couple extérieur. La partie inférieure de cet agitateur peut avoir une surface lisse ou présenter plusieurs échancrures radiales de profondeur croissante vers la périphérie, de manière à faciliter l'entraînement des gaz d'injection. Ces 'échancrures s'étendent par exemple en longueur sur un ' tiers environ du diamètre de l'agitateur et peuvent se prolonger sur la face latérale en formant des sortes d'hélices orientées vers la droite ou vers la gauche et dont le pas est plus ou moins grand suivant les conditions de traitement.
- L'arbre de l'agitateur est équipé d'un système antivortex placé à l'interface bain-atmosphère, de façon à limiter les déplacements du métal liquide qui pourraient nuire à une dispersion convenable des gaz.
- Le couple extérieur est exercé de préférence par un moteur à vitesse variable fixé sur un support disposé à la partie supérieure du récipient.
- L'arbre de ce moteur est solidaire de l'arbre de l'agitateur par l'intermédiaire d'un système de liaison quelconque qui permet à l'agitateur de pouvoir décrire un mouvement de translation vertical sur une distance de plusieurs millimètres.
- Le bouchon d'injection de gaz est constitué d'une pièce cylindrique dont la face supérieure est percée de trous de petit diamètre, qui peuvent être disposés en couronnes et qui sont reliés à l'intérieur du bouchon à des canaux se regroupant en un canal central qui débouche sur un chambre de détente alimentée en gaz par une tuyauterie extérieure au récipient. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, la masse du bouchon située au-dessus de la chambre d'expansion, peut être réalisée avec un matériau poreux.
- L'agitateur et le bouchon sont disposés, l'un par rapport à l'autre, de façon que les axes de symétrie verticaux de chacun d'eux soient confondus.
- La face inférieure de l'agitateur et-3a face supérieure du bouchon sont adaptées l'une à l'autre afin qu'au repos, elles soient en contact l'une avec l'autre et provoquent unè obstruction des orifices d'injection de gaz.
- Cette adaptation peut être réalisée par exemple en donnant à ladite face du bouchon une forme conique et en ménageant dans ladite face de l'agitateur une cavité de forme semblable.
- Lors du fonctionnement du dispositif, la pression de gaz admise au niveau du bouchon soulève l'agitateur et réalise un palier fluide de sorte que, lorsque le moteur d'entraînement est mis en service, ledit agitateur peut tourner librement sans contact avec le bouchon.
- On peut ainsi obtenir de grandes vitesses de rotation sans risque d'usure du palier ; de plus, l'adaptation réalisée notamment avec des faces coniques, combinée à l'injection de gaz, assure un centrage de l'agitateur et limite le balourd. Dans ces conditions, on a un dispositif robuste qui assure un brassage intense du bain et un laminage du gaz dans l'espace compris entre le bouchon et l'agitateur, de façon à le laisser s'échapper dans le métal sous la forme d'une multitude de bulles régulièrement dispersées. Il en résulte un contact intime entre gaz et métal et une efficacité de traitement remarquable.
- L'agitateur et le bouchon sont composés, de préférence, de graphite mais, toute autre matière ayant une tenue suffisante au métal liquide convient également.
- Le gaz admis par le bouchon est un gaz neutre tel que l'argon, l'azote ou un gaz réactif comme le chlore ou leurs mélanges, ou tout autre gaz susceptible de traiter le métal.
- Un tel dispositif est mis en place sur un récipient contenant le bain de métal à traiter. Ce peut être, par exemple, une poche à travers laquelle passe le métal en continu avant d'être coulé. Ce récipient peut conporter, de façon classique, une cloison et, alors, le dispositif est placé dans le compartiment amont. Le fond de cette poche peut être pourvu d'un lit de filtration ou non. Cette poche est équipée de moyens qui permettent de maintenir à la surface du métal liquide une atmpsphère neutre et d'éviter ainsi toute action oxydante de l'air extérieur.
- Ce récipient peut aussi être pourvu de moyens de chauffage destinés à maintenir le métal à l'état liquide.
- La présente invention sera mieux comprise à l'aide des dessins qui accompagnent la demande et qui représentent un type particulier et non limitatif de dispositif.
-
- La figure 1 représente, en coupé verticale, le dispositif agitateur- bouchon.
- La figure 2 représente une vue de dessous de l'agitateur.
- La figure 3 représente, en coupe verticale, le dispositif installé sur une poche de coulée en continu.
- Sur la figure 1, on distingue :
- - l'agitateur (1) maintenu par un filetage (2) sur l'arbre (3) et dont la partie inférieure présente une surface conique (4) pourvue d'échancrures (5) ;
- - le bouchon d'injection (6) qui a une surface conique vers laquelle aboutissent des canaux (7) issus d'un canal central (8). débouchant d'une chambre de détente (9) alimentée en gaz par une tuyauterie (10). Ce bouchon est inséré dans le revêtement (11) d'une poche de coulée par l'intermédiaire d'un joint isolant (12) et tenu en place par une plaque (13) boulonnée en (14) sur l'armature métallique (15) de la poche.
- La figure 2 montre la disposition des échancrures (5) sur la surface conique (4) de la partie inférieure de l'agitateur.
- Sur la figure 3, on voit le dispositif de l'invention équipant une poche de coulée (16) partagée en deux compartiments amont (17) et aval (18) par une cloison (19). Sur un support (20) placé à la partie supérieure de la poche, repose le moteur (21) dont l'arbre de rotation (22) est relié à l'arbre (3) de l'agitateur par un système (23) au moyen duquel l'arbre (3) peut se déplacer verticalement. Cet arbre peut être équipé d'un système antivortex (24).
- La poche est alimentée en métal liquide par le chenal (25) et s'écoule vers le fond du conpartiment amont, puis en-dessous de la cloison (19) vers le compartiment aval avant de quitter la poche par le chenal (27).
- Au cours de son passage dans le compartiment amont, le bain de métal délimité par les parois de la poche et la surface (28), est brassé intimement par l'agitateur avec formation d'une multitude de bulles de gaz finement dispersées qui s'échappent par l'espace (29) se formant sous la pression des gaz entre la partie inférieure de l'agitateur et la partie supérieure du bouchon.
- La présente invention est illustrée par les résultats obtenus au cours. d'essais mettant en oeuvre le dispositif décrit ci-dessus, ces résultats étant donnés à titre indicatif et ne pouvant en aucune façon limiter la portée de l'invention.
- Le métal à traiter était un alliage d'aluminium de la série 6000, qui a été amené à l'état liquide, à une température voisine de 720° C, suivant un débit de 5 tonnes par heure dans une poche de coulée où la hauteur de bain était de 80 cm. :
- Le bouchon, du type à canaux, était alimenté avec de l'argon à raison de 2 m3/h environ sous une pression comprise entre 1,2 et 1,4 bar.
- L'agitateur tournait à une vitesse de 400 t/minutes.
- A l'entrée de la poche, l'alliage présentait 10 bulles au test de solidification sous vide ; après passage dans la poche, le nombre de bulles était nul. Ceci montre l'efficacité du traitement obtenu au moyen du dispositif revendiqué.
- La présente invention trouve son application dans le traitement des métaux liquides par un gaz, et notamment dans le traitement de l'aluminium ou de ses alliages pour-l'élimination de l'hydrogène et des imou- retés non métalliques.
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