EP4673578A1 - Procédé de recyclage de scrap en alliage d'aluminium eco-responsable - Google Patents

Procédé de recyclage de scrap en alliage d'aluminium eco-responsable

Info

Publication number
EP4673578A1
EP4673578A1 EP24714240.9A EP24714240A EP4673578A1 EP 4673578 A1 EP4673578 A1 EP 4673578A1 EP 24714240 A EP24714240 A EP 24714240A EP 4673578 A1 EP4673578 A1 EP 4673578A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
scrap
coated
remelting
crushed
liquid metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24714240.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Anne PICHAT
Marc Bertherat
Alain VASSEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Constellium Issoire SAS
Constellium Neuf Brisach SAS
Constellium Muscle Shoals LLC
Original Assignee
Constellium Issoire SAS
Constellium Neuf Brisach SAS
Constellium Muscle Shoals LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Constellium Issoire SAS, Constellium Neuf Brisach SAS, Constellium Muscle Shoals LLC filed Critical Constellium Issoire SAS
Publication of EP4673578A1 publication Critical patent/EP4673578A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00—Obtaining aluminium
    • C22B21/0084—Obtaining aluminium melting and handling molten aluminium
    • C22B21/0092—Remelting scrap, skimmings or any secondary source aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B1/00—Preliminary treatment of ores or scrap
    • C22B1/005—Preliminary treatment of scrap
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00—Obtaining aluminium
    • C22B21/0038—Obtaining aluminium by other processes
    • C22B21/0069—Obtaining aluminium by other processes from scrap, skimmings or any secondary source aluminium, e.g. recovery of alloy constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/001—Dry processes
    • C22B7/003—Dry processes only remelting, e.g. of chips, borings, turnings; apparatus used therefor

Definitions

  • the invention relates to the remelting in an induction furnace of aluminum alloy coated scrap, preferably scrap recovered from household aluminum packaging, typically used aluminum beverage cans.
  • Aluminum recycling has the advantage of being economical and environmentally friendly.
  • the production of secondary aluminum requires up to 95% less energy than primary aluminum and allows for the reduction of CO2 emissions.
  • the aluminum industry is seeking to reduce the amount of CO2 emitted during the recycling stage during the scrap remelting stage.
  • scrap refers to raw materials for recycling, consisting of aluminium and/or aluminium alloy products resulting from the collection and/or recovery of metals produced at different stages of manufacture or products after use. Unless otherwise stated, reference is made to standard NF EN 12258-3 September 2003 which defines terms relating to aluminium and aluminium alloy scrap. "Coated scrap” means scrap composed of parts with any type of coating, for example paint, varnish, printing ink, plastic, paper, metal.
  • Aluminum alloy beverage cans consist of a can body and a lid; usually the can body is made of AA3104 alloy and the lid is made of AA5182 alloy.
  • the can body and the lid are coated with an organic and/or inorganic coating such as a varnish and/or paint and/or organic material.
  • Used beverage cans also called UBC (Used Beverage Can) made of aluminum belong to the category of coated scrap.
  • food packaging or aerosol cans made of aluminum alloys belong to the category of coated scrap. They are contaminated by the presence of varnish and/or paint and/or printing ink generally. It is also possible that these containers are contaminated by the possible presence of dust, sand, water, beverage residue or other pollution.
  • Household packaging includes used beverage cans, used food packaging, used aerosol cans. These types of products or any other product coated aluminum alloy scrap can be collected. Typically, after collection, these products are compacted to form “bales” or “briquettes” that facilitate storage and transportation. Compaction is also sometimes considered to facilitate submersion of scrap in remelting furnaces as in US application 4,159,907.
  • Scrap is obtained in divided form, consisting of individual entities.
  • the crushing operation allows in particular to shred the products and to prevent liquid from still being present in the containers and thus avoid risks of explosion during the remelting operation. It is possible during this crushing step to sort to separate any contamination such as for example possible pieces of scrap metal, any other metal products not made of aluminum or aluminum alloy or plastic products.
  • the technology used in the profession for recycling coated products, particularly UBCs usually uses a dedicated line consisting of cold preparation steps (crusher, magnetic sorting and air knife separator), hot removal in a "decoater” of inks, varnishes and other organic materials.
  • the coated scrap is then remelted typically in a basin furnace ("side-well” furnace).
  • a treatment of the metal by adding salt (3% to 5%) is necessary to eliminate the oxides contained in the liquid metal (R. Evans, G. Guest, "The aluminium decoating handbook", Stein Atkinston Stordy, Gillespie Powers internet source).
  • the metal is then transported to the foundry workshop to be cast.
  • Another alternative is to carry out the remelting in a rotary furnace. This solution requires a higher salt level than for the side-well furnace (10% to 15%).
  • the combustion of the organic materials and the remelting of the metal are done in this case simultaneously in the furnace enclosure.
  • US 3,999,980 describes a method that does not require pre-treatment in a "decoater" of UBCs. It is carried out in a scrap melting furnace under an inert atmosphere and compares it to typical processes using molten salt.
  • gross metal yield (expressed in %) is the ratio between the mass of liquid metal actually diverted or cast to the mass of material charged in a furnace.
  • net metal yield is the ratio between the mass of liquid metal actually diverted or cast to the net mass of metal charged in a furnace.
  • US2020/0255922 describes a method of treatment in a vacuum induction furnace for recycling lithium aluminum alloy machining scrap. This method is carried out in batch mode, i.e. the lithium aluminum alloy scrap is fed into the furnace in one go to ensure vacuum operation. In order to increase the amount of molten metal in the furnace, US2020/0255922 provides a chip compaction step.
  • WO 2007/015013 describes a method of treatment in an induction furnace for recycling lithium aluminum alloy machining scrap.
  • the lithium aluminum alloy scrap is loaded onto a liquid metal bath foot so as to create a floating scrap mattress of controlled thickness on the surface of the liquid metal bed (loading step).
  • This floating scrap mattress protects the liquid metal from oxidation and avoids the use of an inert atmosphere.
  • This floating mattress consists of divided scrap of which at least one dimension is less than 1 mm and for which no dimension is greater than 25 mm.
  • the density of the scrap is between 0.05 and preferably 0.1 to 0.7 t/m3 (tonne per cubic meter) and even more advantageously between 0.2 to 0.4 t/m3.
  • US 4,159,907 shows the disadvantage of the low density of scrap which tends to remain on the surface of the liquid aluminum and to oxidize and proposes to densify the scrap by compression to solve this problem.
  • Other documents in the state of the technical state propose alternative solutions to the immersion of scrap in melting furnaces.
  • US6,074,455 describes a method of rapid immersion of scrap in liquid aluminum by introducing it into the vortex created by a rotor.
  • US 3,873,305 describes a method of melting scrap from a beverage can in which the scrap is forced to be submerged by the action of a rotating propeller.
  • JP 10147822 describes a furnace used for melting scrap from a beverage can in which the scrap is mixed above the bath of liquid metal using specific equipment.
  • the problem that the present invention seeks to solve is therefore to propose a method for recycling scrap coated with aluminum alloy, preferably recovered scrap from household aluminum packaging, typically used aluminum beverage cans, using an induction remelting furnace without using protective salts.
  • the invention relates to a method for remelting scrap coated with aluminum alloy comprising the following steps:
  • an initial bath base of liquid metal of a first composition is prepared in an induction furnace with a cylindrical crucible of internal radius R equipped with a cover operating at a given frequency, said induction furnace has a supply means allowing the supply of deglazed scrap,
  • the deglazed scrap is loaded into the induction furnace using the feed means directly onto the initial bath foot to be melted, said deglazed scrap falls to the surface of the initial bath foot in a delimited area and forms a bed of loose scrap floating on the surface of the initial bath foot,
  • An inert gas typically argon gas, is injected above the surface of the liquid metal bath by at least one injection means.
  • step (iv) the area of the delimited zone is less than or equal to a quarter of the cross-section of the surface of the liquid metal bath.
  • At least one injection means is configured such that the inert gas outlet is located in the quarter circular section of the furnace containing said delimited zone.
  • At least 50% of the individual entities of the crushed coated scrap supplied in step i) has a particle size of between 5 and 25 mm, preferably between 10 and 25 mm, more preferably between 8 and 25 mm, the particle size being measured by sieving.
  • At least 50% of the individual entities of the crushed coated scrap supplied in step i) have a flatness of less than or equal to 10 mm.
  • the flatness being measured from an individual entity of crushed coated scrap placed on a flatness ruler such that the flatness of the entity corresponds to the maximum distance between the surface of the flatness ruler and the surface of the entity (see Figure 1).
  • the crushed coated scrap is obtained according to a method comprising a step of crushing with a knife crusher, equipped with a grid configured to adjust the particle size such that the grid has a mesh size of less than 50 mm.
  • the mesh size of the grid it is preferable for the mesh size of the grid to be less than or equal to 45 mm, preferably 35 mm, and even more preferably 25 mm.
  • the mesh size is chosen in order to obtain the particle size and flatness required for the invention.
  • the knife crusher used is preferred because it allows a clean cut and avoids "creasing" the scrap, which results in a folding that is prohibitive for obtaining effective decoating and introduction of the scrap into the crucible induction furnace.
  • coated scrap is supplied, then is crushed in a knife crusher.
  • This consists of cutting the coated scrap between knives mounted on a rotating shaft and a row of fixed knives.
  • the knives can be V-shaped or straight.
  • the presence of a grid ensures particle size control at the outlet.
  • This preliminary grinding step in a knife mill corresponds to a process for remelting scrap coated with aluminum alloy comprising the following successive steps: scrap coated with aluminum alloys is supplied, preferably scrap recovered from household aluminum packaging, typically used aluminum beverage cans
  • Said coated scrap is crushed in a knife mill, provided with a grid, such that the grid has a mesh size of less than 50 mm, to obtain crushed coated scrap consisting of individual entities, said crushed coated scrap is deglazed to obtain deglazed scrap, an initial bath base of liquid metal of a first composition is prepared in a crucible induction furnace operating at a given frequency, the deglazed scrap is loaded into the induction furnace directly onto the initial bath base to be melted,
  • the bend ratio parameter makes it possible to account for the flatness, which is an essential parameter for the invention, but also for the “crumpled” appearance of the scrap, which is a characteristic influencing the metal yield during the remelting step.
  • the density of the crushed coated scrap supplied in step i) is between 0.2 and 0.4 t/m3.
  • the stripped scrap obtained after step ii) is introduced into the induction furnace in step iv) at a temperature above 100°C, preferably at a temperature between 200°C and 450°C, more preferably between 300°C and 450°C, even more preferably between 400°C and 450°C.
  • no protective salt is used in the induction furnace.
  • the frequency of the induction furnace during steps iv) to v) is between 50 Hz and 150 Hz. This has the advantage of improving the submersion of the scrap.
  • at least two injection means located in at least two quarter circular sections of the furnace, are used. This has the advantage of being able to reduce the quantity of inert gas used and inert the entire surface of the liquid metal bath.
  • the at least two injection means are arranged in a ring. This has the advantage of being able to homogeneously inert the surface of the liquid metal bath.
  • At least four injection means are used and are located in each quarter circular section of the furnace.
  • the loading in step iv) is carried out discontinuously or continuously, preferably using a worm screw or a hopper or a vibrator system.
  • the feeding means is provided with a weighing system in order to control the loaded weight.
  • the distance between the surface of the liquid metal bath and the inert gas outlet is less than or equal to 1 m, preferably 50 cm, even more preferably 40 cm. This has the advantage of being able to inert effectively without excessive gas consumption.
  • the temperature of the liquid metal bath during step iv) is less than or equal to 750°C, preferably less than or equal to 730°C, or even preferably less than 710°C, and greater than 680°C.
  • the coated scrap supplied in step i) is mainly made from scrap recovered from household aluminum packaging, typically used aluminum beverage cans. That is to say, the crushed coated scrap is obtained from scrap recovered from household aluminum packaging, typically used aluminum beverage cans.
  • Figure 1 shows the method for measuring the flatness of an individual entity of crushed coated scrap.
  • Figure 2 shows the principles of the method for measuring the folding ratio R.
  • Figures 2 a and 2 c respectively show the appearance of an individual entity of supplied crushed coated scrap and the appearance of the same individual entity unfolded.
  • Figure 2 b shows the orthogonal projection of the individual entity 2 a giving a maximum surface area.
  • Figure 2 d shows the outline of the unfolded surface allowing the measurement of the unfolded surface area.
  • FIG. 3 shows the appearance of the crushed coated scrap supplied according to the invention.
  • Figure 4 shows a schematic of a cylindrical crucible induction furnace with stirring movements, containing an initial bath foot.
  • Figure 4a is a front view and 4b is a top view.
  • Figure 5 shows a schematic of an induction furnace during phase iv) of loading with deglazed scrap of the process with stirring movements.
  • Figure 5a is a front view and view 5b is a top view.
  • Figure 6 shows a schematic of an induction furnace during phase v) of melting of the deglazed scrap bed of the process.
  • Figure 6a is a front view and view 6b is a top view.
  • Figure 7 shows a schematic of an induction furnace during the process maintenance phase vi).
  • Figure 7a is a front view and view 7b is a top view.
  • Figure 8 shows the appearance of coated scrap crushed outside the invention obtained by a hammer crushing process.
  • the estimation of the percentage of individual entity of crushed coated scrap having a flatness less than or equal to 50 mm can be carried out on the whole of the scrap or on a part, typically on a number of individual entities at least equal to 20.
  • At least 50% or 60% or 70% or 80% or 90% or 100% of the individual entities of the crushed coated scrap have a particle size of between 5 and 25 mm, preferably between 10 and 25 mm.
  • Preferably at least 50% or 60% or 70% or 80% or 90% or 100% of the individual entities of the crushed coated scrap have a particle size of between 6 mm, or 7 mm or 8 mm or 10 mm, and 25 mm or 24 mm or 23 mm or 22 mm or 21 mm or 20 mm or 19 mm or 18 mm or 17 mm or 16 mm or 15 mm. Any combination of these values is advantageously possible.
  • the estimation of the percentage of individual entity of crushed coated scrap having a given particle size can be carried out on the whole of the scrap or on a part, typically on a number of individual entities at least equal to 20, preferably at least 200, typically around 10 kg.
  • the folding ratio can be measured as follows: take an individual entity of crushed coated scrap (1, Figure 2 a). Use a sheet of paper whose mass mo and surface area So are known. Draw the outline of the individual entity on the sheet in such a way as to obtain the folded surface (10, Figure 2 b), ensuring that the individual entity has been placed on the sheet of paper in such a way as to have the projection of the maximum surface area of the individual entity of coated scrap (10, Figure 2 b). This gives the maximum surface area of the orthogonal projection of the individual entity on a plane. Cut out the outline and weigh the piece mi. Once this step is completed, unfold the same individual entity of crushed coated scrap (2, Figure 2 c). Take another sheet of paper whose mass m'o and surface area S'o are known. Draw the outlines of the individual entity coated scrap thus unfolded (20, Figure 2 d); we cut out the contours and weigh m2.
  • the folding ratio (R) can be deduced according to equation 2
  • Equation 2 The unfolding operation can be done manually. During this operation, it is possible that pieces may come off. Each of the pieces must be taken into account in the measurement of the mass m2.
  • the expression “between .. and ..” may be replaced by the expression “between .. and ..”.
  • the expression of the style "the gain is between A and B” means that the gain is between A and B; the gain may take the value A or B; the limits A and B are included.
  • the size of the grid mesh is less than or equal to 45 mm, 40 mm, 35 mm, 34 mm, 33 mm, 32 mm, 31 mm, 30 mm, 29 mm, 28 mm, 27 mm, 26 mm, 25 mm, 24 mm, 23 mm, 22 mm, 21 mm, 20 mm, 19 mm, 18 mm, 17 mm, 16 mm and greater than 15 mm.
  • the particle size is too small and forms too many fines, which are unacceptable for the remelting process.
  • the particle size is too large and does not allow the desired flatness or density to be obtained.
  • the advantage of the knife crusher is to obtain clean cuts, to avoid deforming the scrap and for it to fold back on itself.
  • the The grinder rotation speed is between 70 rpm and 120 rpm, although it is possible to go to higher speeds.
  • the supply of crushed coated scrap having the geometric characteristics as defined above can be obtained by using a low density compaction process (used for the transport and handling of scrap to the recycling center), followed by a low rotation speed pre-crusher allowing the release of the unit UBCs from the compacted bales, followed by a crusher allowing the clean cutting of the scrap (knife crusher type).
  • Compaction can be useful if the scrap has to be transported to the recycling center.
  • care must be taken to ensure that compaction does not increase the apparent density of the compacted scrap typically care must be taken to ensure that compaction does not increase the apparent density of the compacted scrap beyond a density of approximately 1400 kg/m3. This is called low density compaction.
  • the crushed coated scrap thus supplied is then stripped.
  • Stripping consists of heating the coated scrap to a temperature where moisture and organic matter (e.g. paints, protective varnishes, lid seals and other smoke-producing materials) are eliminated, but without heating to too high a temperature to avoid melting the metal.
  • the temperature is between 450°C and 540°C.
  • the scrap is heated by heat transfer with the atmosphere of the furnace, preferably by the heated gas from the post-combustion of the fumes and which circulates in the stripping chamber. This operation allows on the one hand to dry the scrap and on the other hand to eliminate organic matter.
  • the organic matter can be converted into CO2 in a post-combustion unit for destroy organic molecules. This produces dry, purified scrap without smoke-producing materials.
  • the scrap is removed from the stripping chamber.
  • the stripping operation can also be obtained chemically: the crushed coated scrap can be immersed in different baths allowing the dissolution of organic materials and followed by a drying operation.
  • the inventors have found that the stripping or drying operation does not change the folding ratio, the flatness, the shape of the scrap.
  • the clean scrap therefore has the same folding ratio, the same flatness, the same particle size as the supplied crushed coated scrap.
  • the density of the clean scrap is slightly modified compared to that of the coated scrap and remains between 0.2 and 0.4 t/m 3 .
  • the crushed coated scrap before stripping, has an initial residual carbon quantity typically of at least 1.5% by weight.
  • the scrap after the stripping step, has a residual carbon quantity of less than 0.3% by weight, preferably less than 0.2% by weight, even more preferably less than 0.1% by weight.
  • the residual carbon quantity in % by weight can be measured using a suitable instrument such as those supplied by the company LECO.
  • the analysis consists of maintaining a given mass of scrap in an oven after the stripping step at a temperature between 250°C and 550°C under an argon flow and converting the fumes into CO2 in a catalytic oven.
  • the carbon dosage is evaluated by dosing the proportion of CO2 via an infrared probe.
  • FIG. 4 b is a top view of the cylindrical induction furnace 100 showing the four quarter circular sections of the surface of the liquid bath (I, II, III, IV).
  • the four quarter circular sections of the induction furnace (T, II', III', IV') which are superimposed on the four quarter circular sections of the surface of the liquid bath are also shown.
  • the induction furnace with a cylindrical crucible is equipped with at least one injection means (160). This injection means makes it possible to inject gas in order to inert the atmosphere of the furnace. It is advantageous to have at least two injection means (160) in two separate quarter circular sections of the furnace.
  • At least one injection means (160) is arranged in each quarter circular section of the furnace (I', II', III', IV').
  • the injection means are arranged in a ring. They can be arranged on the walls of the furnace or on the cover of the furnace.
  • the crucible induction furnace consists essentially of one or two induction coils cooled by circulation of heat transfer fluid 101, surrounding a refractory lining of rammed earth or a pre-baked refractory shell, forming the crucible 102 in which the metal mass to be melted is placed.
  • a liquid metal bath base 50 of a first composition is prepared (figure 4) into which the clean scrap obtained after stripping and/or drying will be poured.
  • the clean scrap obtained after stripping is poured onto the surface 52 of the liquid metal bath.
  • the initial liquid metal bath base can be obtained from the clean scrap obtained after the stripping step or from massive waste, such as cutting offcuts or cutting skeletons of thin or thick sheets, said massive waste being made of an alloy of composition compatible with the clean scrap, and preferably purer, the composition of which will not harm the final composition.
  • the massive waste is aluminum alloys of the 3XXX series, typically an alloy of the AA3104 type.
  • the liquid metal bath base can also be obtained by melting remelting ingots of an alloy of type lxxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, 8xxx compatible with the clean scrap.
  • the liquid metal bath base can advantageously be made up of the remainder of the previous casting.
  • the volume of the bath foot represents approximately 30% to 60% of the total volume of the induction furnace, typically half of the capacity of the induction furnace. If the volume of the bath foot is too low, there is a risk that the bath foot will not have sufficient heat capacity to remain in the liquid state and will solidify in the furnace. Operation with a bath foot allows advantageous melting rates of 2t/h to 4t/h to be obtained.
  • the step of loading (figure 5) the clean scrap, obtained after stripping and/or drying, consists of introducing the stripped scrap using a feed means 150 allowing the feed of stripped scrap into the crucible induction furnace which previously contains a bath base.
  • a cover (170) is used to cap the furnace and limit the quantity of inert gas used for inerting.
  • the feed means is configured to pass through the cover 170. It is advantageous for the cover to be retractable or to have an opening 1700 allowing the feed means 150 to pass through. No protective salt is used in the induction furnace.
  • the loading step is carried out continuously or semi-continuously.
  • the scrap is loaded onto the liquid metal bath base by a means suitable 150 feeder, for example an auger or hopper or vibrator system.
  • the stripped scrap falls to the surface of the initial metal bath foot in a delimited area (10) whose surface is less than or equal to a quarter of a circular section of the surface of the liquid metal bath.
  • the surface of the liquid metal bath is equal to nR 2 where R is the inner radius of the cylindrical induction furnace.
  • the delimited area (10) is less than or equal to nR 2 /4.
  • the surface of the retractable part of the cover or opening 1700 is approximately equal to the surface of the delimited area.
  • the inert gas is injected into a single circular quarter section of the induction furnace. This means that during phase iv), at least one injection means (160) located in this quarter section injects inert gas and the other injection means arranged in the other circular quarter sections do not inject gas. If other injection points were used in addition to the one used in the quarter section of the furnace containing the delimited area, this would not bring any additional effect and would have the disadvantage of consuming more gas.
  • the flow rate of inert gas to be injected must be adapted.
  • the flow rate of inert gas preferably the flow rate of argon
  • the flow rate of inert gas is between 12 and 18 Nm 3 /h per m 3 to be inerted during the loading phase iv).
  • the flow rate of inert gas preferably the flow rate of argon, is between 6 and 9 Nm 3 /h per m 3 to be inerted during the loading phase iv).
  • the stripped scrap, clean after stripping is loaded at a temperature above 100°C for safety reasons in order to avoid any risk of explosion associated with the presence of residual moisture contained in the load.
  • the dried and stripped scrap is immediately loaded after stripping, at a scrap temperature of between 200°C and 450°C, preferably between 300°C and 450°C, even more preferably between 400°C and 450°C.
  • the residence time of the clean scrap above the liquid metal bath it is advantageous for the residence time of the clean scrap above the liquid metal bath to be short in order to limit their oxidation.
  • the inventors have found that it is advantageous for the bath to be covered by a floating bed of deglazed scrap 4 on the surface of the liquid bath 52 ( Figure 5) for most of the duration of the loading step iv) and part of the duration of the remelting step v).
  • the presence of a floating bed of scrap is ensured by regulating the scrap feed rate with the scrap remelting rate. This regulation can be done visually or with weighing means.
  • the presence of a floating bed of deglazed scrap makes it possible to protect the surface of the liquid metal bath from oxidation.
  • Most of the duration of step iv) corresponds to a duration of at least 70% or 80% or 90% of the duration of step iv).
  • the duration of step iv) is defined by the moment when loading of the scrap begins and the end of loading.
  • the end of loading is defined by the moment when the quantity of molten metal in the induction furnace reaches its maximum filling level.
  • the thickness of the floating delamination scrap bed is at least 300 mm, advantageously 1000 mm (t, figure 5).
  • the submersion of the scrap is improved by acting on the circulation velocity field of the liquid metal bath in such a way as to obtain a velocity field descending 51 along the walls of the crucible ( Figures 5, 6).
  • This descending circulation velocity field results from electromagnetic forces, called Laplace forces, well known in the design of crucible induction furnaces.
  • the descending velocity field along the walls of the crucible facilitates the submersion of the individual entities of delamination present in the floating delamination scrap bed.
  • the inventors attribute the rapid submersion in the liquid metal bath to the particular shape of the individual entities used according to the invention. Indeed, due to their grain size and flatness, they are organized in the form of stacked layers, like stacked cards arranged parallel according to their largest face. This effectively protects the liquid metal bath and facilitates the introduction of the individual entities into the liquid metal bath. These slide over each other and dive along the wall of the crucible.
  • a channel induction furnace does not provide favorable conditions for remelting scrap according to the invention: the absence of a vortex on the surface of the bath means that if the scrap according to the invention is introduced, they will pile up on top of each other, form an insulating mattress and will not be immersed in the liquid metal bath. If the scrap is kept above the liquid metal bath for a long time, the scrap can oxidize and reduce the metal yield.
  • the downward velocity field along the walls of the crucible is obtained by selecting the frequency of the induction furnace. Selecting a frequency of 50 Hz to 150 Hz, preferably 50 Hz to 70 Hz, typically about 60 Hz, allows a downward velocity field to be obtained. The inventors have found that this downward velocity field induces the formation of a dome on the upper surface of the liquid metal bath. This dome shape accelerates the melting of the scrap in the liquid. It is also possible to act on the power of the furnace to modify the downward velocity field. It is possible to adapt the frequency and/or the power of the furnace according to the filling level of the furnace as magneto-hydrodynamic calculations can show.
  • the fusion of scrap allows to form a bath of liquid metal of a second composition.
  • the second composition is generally different from the first composition but could also be identical if the scrap has the same composition as the initial bath base.
  • the reflow step consists of melting the scrap bed.
  • the reflow step lasts for the entire time during which there is a floating scrap bed on the surface of the liquid metal bath. It is advantageous that during this reflow step, the feed means is removed such that there is no longer a passage zone 1700.
  • step v) the same inerting conditions as those operated during the loading phase iv) are preferably achieved.
  • the inert gas is injected into a single quarter circular section of the induction furnace.
  • the temperature of the liquid metal bath is less than or equal to 750°C, preferably less than or equal to 730°C or even preferably less than 710°C, and greater than 680°C.
  • the bath is typically at a temperature between 690°C and 710°C. Its temperature tends to increase during the remelting step.
  • this holding phase is to maintain the liquid metal thus produced before transferring it to another furnace or casting it in the form of an intermediate product, such as a rolling plate, a spinning billet, a forging block or an ingot or a bowl in which a step of casting the liquid metal obtained by the melting process according to the invention is carried out.
  • the surface of the liquid metal it is advantageous for the surface of the liquid metal to continue to be inerted. According to the invention, it is advantageous to modify the inerting conditions with respect to the loading step iv).
  • at least two injection means are used and are located in at least two different circular quarter sections of the furnace. Even more preferably, during the holding phase vi), at least four injection means are used and are located in each circular quarter section of the furnace ( Figure 7).
  • the flow rate of inert gas to be injected must be adapted.
  • the flow rate of inert gas preferably the flow rate of argon, is between 6 and 10 Nm 3 /h per m 3 to be inerted during the holding phase vi).
  • the operating frequency of the furnace can be increased.
  • the frequency is between 100 Hz and 250 Hz.
  • the frequency during phase iv) is lower than the frequency during the holding phase vi).
  • the invention also relates to a method of manufacturing an intermediate product such as a rolling plate, a spinning billet, a forging block or an ingot or a bowl in which a step of casting the liquid metal obtained by the melting method according to the invention is carried out.
  • the metal is degassed and/or filtered and/or treated so as to remove any oxides present and/or reduce the hydrogen content and/or eliminate any undesirable impurities.
  • the coated scrap comes from used beverage cans (UBC).
  • UBC used beverage cans
  • the grinding was carried out with a knife grinder with a calibration grid of less than 35 mm.
  • Figure 3 shows the appearance of the scrap obtained in the knife grinder which is representative of the scrap according to the invention.
  • This scrap thus ground is characterized in such a way as to determine the folding ratio (Table 2), their particle size by sieving (Table 2), the flatness of the scrap by measuring the height (Table 3), their apparent density (Table 1). 75% of the individual features measured have a folding ratio less than or equal to 0.6. 74% of the individual features measured have a grain size between 8 and 25 mm. 100% of the individual features measured have a height less than or equal to 10 mm. [Table 1]
  • the coated scrap crushed according to the invention characterized in the previous example was supplied and de-lacquered in an IDEX type de-lacquering furnace.
  • the de-lacquering was carried out at a loading rate of 500 kg/h, a furnace rotation speed of 1 rpm, and a smoke outlet temperature of 440°C to 540°C. These conditions made it possible to obtain a residual carbon varying from 0.1% -0.2%.
  • the delacquered scrap was introduced into a crucible induction furnace previously filled with a liquid bath base.
  • the initial bath base was made from 3104 scrap, its volume is approximately 40% of the maximum capacity of the crucible. No protective salt was used.
  • the delacquered scrap was introduced into the furnace at a temperature above 100°C, typically at a temperature of 200°C.
  • the furnace frequency was set at 62 Hz.
  • the furnace power was set at the beginning of the cycle at 50%. Selecting a frequency close to 60 Hz accelerates the submersion of the ground material in the liquid.
  • a mattress of delacquered scrap was maintained on the surface of the liquid bath in order to reduce air penetration and protect the bath surface against oxidation.
  • Argon blowing using a single injection method was carried out to reinforce the protection of the metal at a flow rate of 40 Nm3/h, the volume to be inerted being approximately 2.8 m3 .
  • the loading of the stripped scrap is carried out at a rate of approximately 4000 kg/h. Given the oxidation kinetics of the alloy in the temperature range measured in the mattress (220°C to 250°C), the stripped scrap does not have time to oxidize on the surface of the bath. It does not stay there for longer than 1 minute.
  • the geometry of the individual entities of the scrap and their organization in layers facilitates their flow on the surface of the bath as well as along the crucible.
  • the metal was held for 30 minutes before being cast in the form of a bowl.
  • the surface of the metal was inerted using argon blowing carried out at four injection points, located in each quarter of the circular section of the furnace.
  • the flow rate was 20 Nm 3 /h for a volume to be inerted of 0.6 m 3 .
  • the folding ratio obtained on crushed coated scrap obtained by hammer milling was determined according to the same principle as that described in Example 1.
  • the particle size and flatness were measured: it can be seen that the majority of scrap obtained with a hammer mill does not allow a particle size of between 5 and 25 mm (see Table 5) and a flatness of less than 10 mm to be obtained.
  • the folding ratio was measured on 25 samples. It can be seen that the crushed scrap obtained by hammer grinding does not allow a folding ratio ⁇ 0.6 to be obtained (see table 7): 100% of the scrap has a folding ratio greater than 0.6.
  • the grid consists of holes of diameter D.
  • the diameter of the holes in the grid which corresponds to the grid mesh, was varied between 25 mm and 50 mm. For all cases, each hole in the grid is approximately 15 - 20 mm from its nearest neighbor.
  • the rotation speed was varied between approximately 80 rpm and approximately 163 rpm.
  • the knives have V-shaped blades or straight blades.
  • Table 8 The operating conditions are summarized in Table 8.
  • the particle size and flatness of the crushed scrap were measured (Tables 9 and 10). It can be seen that using a grid with a diameter of less than 50 mm makes it possible to obtain crushed scrap such that 50% of the crushed scrap has a particle size of between 5 and 25 mm and a flatness of less than 10 mm. It can be seen that by increasing the rotation speed of the knife crusher drum, this tends to obtain a finer particle size and a lower flatness. However, the inventors have found that by increasing the rotation speed, this tends to form more fines, which can be unfavorable for the remelting process.
  • the shape of the knives, V-shaped or straight can influence the morphology of the crushed scrap. According to the inventors, both types of knife shape are suitable.

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Abstract

Procédé de refusion de scrap revêtu en alliage d'aluminium dans un four à induction à creuset cylindrique comprenant des étapes d' approvisionnement en scrap revêtu broyé, de délaquage, de chargement, de refusion et de maintien revêtu broyé à base d'alliages d'aluminium, tel que au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente une granulométrie comprise entre 5 et 25 mm, et une planéité inférieure ou égale à 10 mm, et où pendant la phase de chargement, le four à induction est inerté et où la sortie de gaz inerte est localisée dans le quart de section circulaire du four contenant la zone délimitée où chute le scrap.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : PROCÉDÉ DE RECYCLAGE DE SCRAP EN ALLIAGE D'ALUMINIUM ECO- RESPONSABLE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne la refusion dans un four à induction de scrap revêtus en alliage d'aluminium, de préférence de scrap de récupération issu d'emballage ménager en aluminium, typiquement des boîtes de boisson usagées en aluminium.
ART ANTERIEUR
Le recyclage de l'aluminium présente l'avantage d'être économique et écologique. La production de l'aluminium secondaire requière jusqu'à 95 % moins d'énergie que l'aluminium primaire et permet la réduction des émissions en CO2. Dans un souci d'améliorer l'impact environnemental de la production de l'aluminium, l'industrie de l'aluminium cherche à réduire la quantité de CO2 émise lors de l'étape du recyclage durant l'étape de refusion des scrap.
Dans le présent texte, on désigne sous la formule générique « scrap » les matières premières pour le recyclage, constitués de produits en aluminium et/ou en alliage d'aluminium résultant de la collecte et/ou de la récupération de de métaux produits à différentes étapes de fabrication ou de produits après utilisation. Sauf mention contraire, on se réfère à la norme NF EN 12258-3 Septembre 2003 qui définit des termes en rapport avec le scrap d'aluminium et d'alliages d'aluminium. On appelle « scrap revêtu » scrap composé de pièces ayant n’importe quel type de revêtement, par exemple peinture, vernis, encre d’impression, plastique, papier, métal.
Les boites de boisson en alliage d'aluminium sont constituées d'un corps de boite et d'un couvercle ; usuellement le corps de boîte est réalisé en alliage AA3104 et le couvercle en alliage AA5182. Le corps de boîte et le couvercle sont revêtus d'un revêtement organique et/ou inorganique comme un vernis et/ou une peinture et/ou matière organique.
Les boites de boissons usagées, aussi appelées UBC (Used Beverage Can) en aluminium appartiennent à la catégorie des scrap revêtus. De même, les emballages alimentaires ou les boîtiers d'aerosols en alliages d'aluminium appartiennent à la catégorie des scrap revêtus. Ils sont contaminés par la présence de vernis et/ou de peinture et/ou d'encre d'impression généralement. Il est possible aussi que ces contenants soient contaminés par la présence éventuelle de poussière, de sable, d'eau, de résidus de boisson ou d'autres pollutions.
Parmi les emballages ménagers, on peut citer les boites de boissons usagées, les emballages alimentaires usagés, les boîtiers d'aérosols usagés. Ces types de produits ou tout autre produit revêtu en alliage d'aluminium peuvent être collectés. Usuellement, après collecte, ces produits sont compactés de façon à former des « balles » ou « briquettes » qui facilitent le stockage et le transport. La compaction est aussi parfois envisagée pour faciliter la submergence des scraps dans les fours de refusion comme dans la demande US 4, 159,907.
Il est toutefois aussi possible de les broyer. On obtient du scrap sous forme divisée, constitué d'entité individuelle. L'opération de broyage permet notamment de déchiqueter les produits et d'éviter que du liquide ne soit encore présent dans les contenants et ainsi éviter des risques d'explosion durant l'opération de refusion. Il est possible durant cette étape de broyage de procéder à un tri pour séparer toute contamination comme par exemple d'éventuels morceaux de ferraille, tout autre produits métallique n'étant pas en aluminium ou en alliage d'aluminium ou des produits en plastiques.
La technologie utilisée dans la profession pour le recyclage des produits revêtus, en particulier des UBC, utilise usuellement une ligne dédiée constituée d'étapes de préparation à froid (broyeur, tri magnétique et séparateur à lame d'air), élimination à chaud dans un « decoater » des encres, vernis et autres matières organiques. Le scrap revêtu est ensuite refondu typiquement dans un four à bassin (four « side-well »). Un traitement du métal par ajout de sel (3% à 5%) est nécessaire pour éliminer les oxydes contenus dans le métal liquide (R. Evans, G. Guest, "The aluminium decoating handbook", Stein Atkinston Stordy, Gillespie Powers internet source). Le métal est ensuite transporté vers l'atelier de fonderie pour être coulé. Une autre alternative est de réaliser la refusion dans en four rotatif. Cette solution requiert un taux de sel plus élevé que pour le four side-well (10% à 15%). La combustion des matières organiques et la refusion du métal se font dans ce cas en simultané dans l'enceinte du four.
US 3,999,980 décrit une méthode ne nécessitant pas le traitement préalable dans un « decoater » des UBC. Elle est réalisée dans un four de fusion de scrap sous atmosphère inerte et la compare à des procédés typiques utilisant un sel fondu.
Une autre alternative est la refusion en four multi chambres (« multi-chamber ») (« Aluminium recycling » M. Schlesinger, CRC Press, (2007)). Le scrap revêtu est chargé, préchauffé et délaqué dans une chambre séparée (tunnel vertical ou rampe horizontale). La combustion des matières organiques contribue à chauffer l'installation. C'est un procédé sans sel. Cette solution présente l'inconvénient de devoir être effectuée dans un four à gaz, qui n'est pas adapté pour réduire les émissions de CO2.
Une solution pour réduire les émissions de CO2 est d'utiliser des fours électriques. La technologie de four induction est mentionnée pour le recyclage des UBC dans les ouvrages de référence (R. Evans, G. Guest, "The aluminium decoating handbook", Stein Atkinston Stordy, Gillespie Powers internet source). Le four électrique à induction à creuset présente l'avantage d'un bon rendement énergétique et génère peu de perte métal. Le four électrique à canal de grande capacité est parfois utilisé pour la refusion de chutes neuves de fabrication ou de boîtes boisson après délaquage (F. Herbulot - Récupération et recyclage de l'aluminium - Techniques de l'ingénieur - Mars 2001). Toutefois ces types de four n'ont pas connu un essor industriel importants. Ils exigent des matières premières propres pour éviter l'encrassage progressif des parois du creuset par les oxydes ou la formation d'oxydes dans le métal.
Il existe, en ce qui concerne le traitement de scrap revêtus en four à induction, un préjugé de l'homme du métier indiquant que le recyclage de scrap revêtus, en particulier le scrap de récupération issu de boite boisson usagée n'est pas possible en four électrique à induction à l'échelle industrielle sans l'utilisation de sels fondus (Verran et al. Ressources, Conservation and Recycling 52 (2008) 731-736). Les sels fondus jouent le rôle de collecteur des oxydes et permettent de constituer une scorie saline pâteuse qui se sépare du métal liquide et flotte sur celui-ci. La présence de scories salines présente l'inconvénient de réduire le rendement métal brut ou net. On appelle « rendement métal brut » (exprimé en %) le ratio entre la masse de métal liquide effectivement détourné ou coulé sur la masse de matière chargée dans un four. On appelle « rendement métal net » le ratio entre la masse de métal liquide effectivement détourné ou coulé sur la masse nette de métal chargé dans un four.
Il existe donc un besoin d'une solution économique et fiable permettant l'utilisation de fours à induction sans sels fondus dans le traitement des scrap revêtus, en particulier de scrap de récupération issu de boîtes de boisson usagées en aluminium.
US2020/0255922 décrit une méthode de traitement dans un four à induction sous vide pour le recyclage de scrap d'usinage en alliage d'aluminium lithium. Cette méthode est réalisée en batch, c'est-à-dire que le scrap en alliage d'aluminium lithium est enfourné en une seule fois afin d'assurer le fonctionnement sous vide. Afin d'accroître la quantité de métal fondu dans le four, US2020/0255922 prévoit une étape de compactage des copeaux.
WO 2007/015013 décrit une méthode de traitement dans un four à induction pour le recyclage de scrap d'usinage en alliage d'aluminium lithium. Le scrap en alliage d'aluminium lithium est chargé sur un pied de bain de métal liquide de manière à créer un matelas flottant de scrap d’épaisseur contrôlée à la surface du lit de métal liquide (étape de chargement). Ce matelas flottant de scrap protège le métal liquide de l'oxydation et évite l'utilisation d'une atmosphère inerte. Ce matelas flottant est constitué de scrap divisés dont au moins une dimension est inférieure à 1 mm et pour lesquels aucune dimension n'est plus grande que 25 mm. La masse volumique du scrap est comprise entre 0,05 et préférentiellement 0,1 à 0,7 t/m3 (tonne par mètre cube) et de façon encore plus avantageuse entre 0,2 à 0,4 t/m3. Les inventeurs ont constaté qu'il n'était pas possible d'obtenir un bon rendement métal brut avec du scrap revêtu avec ces seules considérations géométriques.
US 4, 159,907 montre l’inconvénient de la faible masse volumique du scrap qui a tendance à rester en surface de l’aluminium liquide et à s'oxyder et propose de densifier le scrap par compression pour résoudre ce problème. D'autres documents dans l'état de l'état technique proposent des solutions alternatives à l'immersion des scrap dans des fours de fusion. US6,074,455 décrit une méthode d’immersion rapide du scrap dans l’aluminium liquide grâce à son introduction dans le vortex créé par un rotor. US 3,873,305 décrit une méthode de fusion de scrap de boite boisson dans lequel on force le scrap à être submergé par l’action d’une hélice tournante. JP 10147822 décrit un four utilisé pour la fusion de scrap de boite boisson dans lequel le scrap est mélangé au-dessus du bain de métal liquide à l’aide d’un équipement spécifique. Ces solutions d'immersion utilisant des moyens mécaniques pour immerger le scrap présentent l'inconvénient de favoriser l'oxydation du bain ce qui n'est pas favorable pour le rendement métal brut.
Le problème que la présente invention cherche à résoudre est donc de proposer une méthode de recyclage du scrap revêtu en alliage d'aluminium, de préférence de scrap de récupération issu d'emballage ménager en aluminium, typiquement des boîtes de boisson usagées en aluminium, utilisant un four de refusion par induction sans utiliser de sels de protection.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention a pour un objet un procédé de refusion de scrap revêtu en alliage d'aluminium comprenant les étapes suivantes :
(i) on approvisionne du scrap revêtu broyé à base d'alliages d'aluminium, constitué d'entités individuelles,
(ii) on réalise un délaquage dudit scrap revêtu broyé pour obtenir du scrap délaqué,
(iii) on prépare un pied de bain initial de métal liquide d'une première composition dans un four à induction à creuset cylindrique de rayon intérieur R équipé d'un couvercle fonctionnant à une fréquence donnée, ledit four à induction dispose d'un moyen d'alimentation permettant l'alimentation en scrap délaqué,
(iv) on charge le scrap délaqué dans le four à induction à l'aide du moyen d'alimentation directement sur le pied de bain initial pour être fondu, ledit scrap délaqué chute à la surface du pied de bain initial dans une zone délimitée et forme un lit de scrap délaqué flottant à la surface du pied de bain initial,
(v) on refond le lit de scrap délaqué flottant pour former un bain de métal liquide refondu de seconde composition,
(vi) on maintient à l'état liquide le bain de métal liquide refondu.
Un gaz inerte, typiquement du gaz argon, est injecté au-dessus de la surface du bain de métal liquide par au moins un moyen d'injection.
Lors de l'étape (iv), la surface de la zone délimitée est inférieure ou égale à un quart de la section de la surface du bain de métal liquide.
Au moins un moyen d'injection est configuré de telle sorte que la sortie de gaz inerte est localisée dans le quart de section circulaire du four contenant ladite zone délimitée.
Selon l'invention, au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) présente une granulométrie comprise entre 5 et 25 mm, préférentiellement entre 10 et 25 mm, plus préférentiellement entre 8 et 25 mm, la granulométrie étant mesurée par tamisage.
Selon l'invention, au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) présente une planéité inférieure ou égale à 10 mm. La planéité étant mesurée à partir d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé posée sur une règle de planéité de telle sorte que la planéité de l'entité correspond à la distance maximale entre la surface de la règle de planéité et la surface de l'entité (voir figure 1).
Avantageusement, le scrap revêtu broyé est obtenu selon un procédé comprenant une étape de broyage avec un broyeur à couteaux, équipé d'une grille configurée pour ajuster la granulométrie telle que la grille a une taille de maille inférieure à 50 mm. Selon l'invention, il est préférable que la taille de maille de la grille soit inférieure ou égale à 45 mm, de préférence 35 mm, et même plus préférentiellement 25 mm. La taille de maille est choisie afin d'obtenir la granulométrie et la planéité requise pour l'invention. Selon l'invention, le broyeur à couteaux utilisé est préféré car il permet une coupe franche et évite de « froisser » le scrap ce qui entraîne un pliage rédhibitoire pour obtenir un délaquage efficace et une introduction du scrap dans le four à induction à creuset. De manière préféré, avant l'étape d'approvisionnement de scrap revêtu broyé, du scrap revêtu est approvisionné, puis est broyé dans un broyeur à couteaux. Cela consiste à découper le scrap revêtu entre des couteaux montés sur un arbre en rotation et une rangée de couteaux fixe. Les couteaux peuvent avoir une forme en V ou une forme droite. La présence d'une grille assure un contrôle granulométrique à la sortie. Cette étape préalable de broyage dans un broyeur à couteaux correspond à un procédé de refusion de scrap revêtu en alliage d'aluminium comprenant les étapes suivantes successives on approvisionne du scrap revêtu à base d'alliages d'aluminium, préférentiellement du scrap de récupération issus d'emballage ménager en aluminium, typiquement des boîtes de boisson usagées en aluminium
On broie ledit scrap revêtu dans un broyeur à couteaux, muni d'une grille, telle que la grille a une taille de maille inférieure à 50 mm, pour obtenir du scrap revêtu broyé constitué d'entités individuelles on réalise un délaquage dudit scrap revêtu broyé pour obtenir du scrap délaqué, on prépare un pied de bain initial de métal liquide d'une première composition dans un four à induction à creuset fonctionnant à une fréquence donnée, on charge le scrap délaqué dans le four à induction directement sur le pied de bain initial pour être fondu,
Avantageusement au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé a un rapport de pliage (R) inférieur ou égal à 0.6, préférentiellement inférieure ou égal à 0.4, où le rapport de pliage (R) d'une entité individuelle est défini par l'expression surface dépliée — surface pliée rapport de pliage = R = - - - , , , , - surface depliee où la surface pliée est la surface maximale de la projection orthogonale de l'entité individuelle sur un plan et la surface dépliée est la surface totale de la même entité individuelle après avoir été dépliée.
Le paramètre de rapport de pliage permet de rendre compte de la planéité, qui est un paramètre essentiel à l'invention, mais aussi de l'aspect « chiffonné » du scrap, qui est une caractéristique influant le rendement métal lors de l'étape de refusion.
Avantageusement, la masse volumique du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) est comprise entre 0.2 et 0.4 t/m3.
Avantageusement, le scrap délaqué obtenu après l'étape ii) est introduit dans le four à induction à l'étape iv) à une température supérieure à 100°C, préférentiellement à une température comprise entre 200°C et 450°C, plus préférentiellement entre 300°C et 450°C, encore plus préférentiellement entre 400°C et 450°C.
Avantageusement, aucun sel de protection n'est utilisé dans le four à induction.
Avantageusement, la fréquence du four à induction lors des étapes étape iv) à v) est comprise entre 50 Hz et 150 Hz. Cela a pour avantage d'améliorer la submergence des scrap. Avantageusement, lors de l'étape vi) au moins deux moyens d'injection, localisés dans au moins deux quart de section circulaire du four, sont utilisés. Cela a pour avantage de pouvoir diminuer la quantité de gaz inerte utilisé et inerter la surface complète du bain de métal liquide Avantageusement, les au moins deux moyens d'injection sont disposés en couronne. Cela a pour avantage de pouvoir inerter de façon homogène la surface du bain de métal liquide.
Avantageusement, au moins quatre moyens d'injection sont utilisés et sont localisés dans chaque quart de section circulaire du four
Avantageusement, le chargement à l'étape iv) est réalisé de manière discontinue ou continue, de préférence à l'aide d'une vis sans fin ou une trémie ou un système de vibreur. De manière avantageuse, le moyen d'alimentation est muni d’un système de pesage afin de contrôler le poids chargé.
Avantageusement, la distance entre la surface du bain de métal liquide et la sortie de gaz inerte est inférieure ou égale à 1 m, préférentiellement 50 cm, encore plus préférentiellement 40 cm. Cela a pour avantage de pouvoir inerter efficacement sans consommation excessive de gaz.
Avantageusement, la température du bain de métal liquide lors de l'étape iv) est inférieure ou égale à 750°C, préférentiellement inférieure ou égale à 730°C, ou encore préférentiellement inférieure à 710°C, et supérieure à 680°C
Avantageusement, le scrap revêtu approvisionné à l'étape i) est constitué majoritairement à partir de scrap de récupération issu d'emballage ménager en aluminium, typiquement des boîtes de boisson usagées en aluminium. C'est-à-dire que le scrap revêtu broyé est obtenu à partir de scrap de récupération issu d'emballage ménager en aluminium, typiquement des boîtes de boisson usagées en aluminium.
FIGURES
[Fig. 1] La figure 1 représente la méthode permettant de mesurer la planéité d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé.
[Fig. 2] La figure 2 représente les principes de la méthode permettant de mesurer le rapport de pliage R. Les figures 2 a et 2 c représentent respectivement l'aspect d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé approvisionné et l'aspect de la même entité individuelle dépliée. La figure 2 b représente la projection orthogonale de l'entité individuelle 2 a donnant une surface maximale. La figure 2 d représente le contour de la surface dépliée permettant la mesure de la surface dépliée.
[Fig. 3] La figure 3 représente l'aspect des scrap revêtus broyés approvisionnés selon l'invention. [Fig. 4] La figure 4 représente un schéma d'un four à induction à creuset cylindrique avec les mouvements de brassage, contenant un pied de bain initial. La figure 4 a est une vue de face et la vue 4b est une vue de dessus.
[Fig.5] La figure 5 représente un schéma d'un four à induction pendant la phase iv) de chargement en scrap délaqué du procédé avec les mouvements de brassage. La figure 5 a est une vue de face et la vue 5b est une vue de dessus.
[Fig.6] La figure 6 représente un schéma d'un four à induction pendant la phase v) de fusion du lit de scrap délaqué du procédé. La figure 6 a est une vue de face et la vue 6b est une vue de dessus.
[Fig.7] La figure 7 représente un schéma d'un four à induction pendant la phase vi) de maintien du procédé. La figure 7 a est une vue de face et la vue 7b est une vue de dessus.
[Fig. 8] La figure 8 représente l'aspect des scrap revêtus broyés hors invention obtenus par un procédé de broyage à marteaux.
[Fig. 9] La figure 9 représente l'aspect des scrap revêtus broyés obtenus dans l'exemple 4 par un procédé de broyage à couteaux.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Le procédé selon l'invention comprend six étapes : premièrement une étape d'approvisionnement du scrap revêtu broyé, deuxièmement une étape de délaquage du scrap revêtu broyé, troisièmement une étape de préparation d'un pied de bain de métal liquide dans un four induction, quatrièmement le chargement du scrap délaqué dans le four à induction, cinquièmement une étape de refusion des scrap délaqué pour former un bain de métal liquide, sixièmement une phase de maintien du bain de métal liquide.
1/Approvisionnement du scrap revêtu broyé
Le scrap revêtu susceptible d’être recyclé par le procédé selon la présente l’invention se présente sous forme broyée. Il est important selon l'invention que le scrap revêtu soit broyé et approvisionné sous forme divisée. Le scrap revêtu broyé selon l'invention est constitué d'entités individuelles (1). Elles sont de plus petites dimensions comparées à celle des déchets initiaux tels que des boites boissons ou des boites de conserve.
Dans la suite, sauf mention contraire, les proportions en % d'entités individuelles correspondent à des % numérique d'entités individuelles. Il est avantageux que les entités individuelles de scrap revêtu broyé soient sensiblement planes afin de pouvoir facilement se superposer entre elles et être facilement immergées dans le bain de métal liquide. Pour mesurer la planéité, une entité individuelle de scrap revêtu broyé 1 est posée sur une règle de planéité 3. Une entité individuelle de scrap revêtu broyé peut s'inscrire dans un volume fictif défini par une longueur L, une largeur I et une hauteur h, où la hauteur h est la dimension la plus petite parmi la longueur et la largeur. L'entité individuelle 1 est posée sur la règle de planéité 3 de telle sorte à ce que la hauteur du volume fictif soit sensiblement perpendiculaire à la surface de la règle de planéité. La planéité p de l'entité correspond à la distance maximale entre la surface de la règle de planéité et la surface de l'entité telle que posée sur la règle de planéité (voir figure 1). La règle de planéité peut être toute surface plane, telle qu'un marbre de mesure.
Avantageusement au moins 50% ou 60% ou 70% ou 80% ou 90% ou 100% des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente une planéité inférieure ou égale à 10 mm ou 5 mm. Les inventeurs ont constaté que la planéité d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé n'est pas modifiée par l'opération de délaquage. Les inventeurs pensent que disposer d'une majorité d'entités individuelles de scrap revêtu broyé présentant une planéité inférieure ou égale à 10 mm ou 5 mm, favorise leur arrangement sous forme de strates empilées et améliore leur submergence dans le bain de métal liquide du four à induction.
L'estimation du pourcentage d'entité individuelle de scrap revêtu broyé ayant une planéité inférieure ou égale à 50 mm peut être réalisé sur l'ensemble du scrap ou sur une partie, typiquement sur un nombre d'entité individuelle au moins égale à 20.
Avantageusement, au moins 50% ou 60% ou 70% ou 80% ou 90% ou 100% des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente une granulométrie comprise entre 5 et 25 mm, préférentiellement entre 10 et 25 mm. Préférentiellement au moins 50% ou 60% ou 70% ou 80% ou 90% ou 100% des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente une granulométrie comprise entre 6 mm, ou 7 mm ou 8 mm ou 10 mm, et 25 mm ou 24 mm ou 23 mm ou 22 mm ou 21 mm ou 20 mm ou 19 mm ou 18 mm ou 17 mm ou 16 mm ou 15 mm. Toute combinaison de ces valeurs est avantageusement possible.
La granulométrie des entités individuelles du scrap revêtu broyé peut être mesurée par tamisage. Pour mesurer la granulométrie des entités individuelles du scrap revêtu broyé, on peut utiliser une série de tamis emboîtés les uns dans les autres. Les dimensions des mailles des tamis sont décroissantes du haut vers le bas. Les entités individuelles constitutives du scrap sont placés sur le tamis le plus haut et par vibrations ; on répartit le scrap sur les différents tamis selon leur grosseur. On peut utiliser des tamis à mailles carrées ou ronde par leur ouverture ; la dimension nominale d’un tamis correspond à la longueur du côté de la maille ou son diamètre (en mm). On peut utiliser 7 tamis de taille 35, 25, 16, 8, 4, 2, 1 mm. La durée de tamisage est préférablement d'au moins 10 minutes. Les inventeurs ont constaté que la granulométrie des entités individuelles du scrap revêtu n'était pas modifiée par l'opération de délaquage. Une granulométrie des entités individuelles comprise entre 1 et 25 mm, préférentiellement entre 5 et 25 mm permet une amélioration de la submergence du scrap dans le bain de métal liquide du four à induction.
L'estimation du pourcentage d'entité individuelle de scrap revêtu broyé ayant une granulométrie donnée peut être réalisé sur l'ensemble du scrap ou sur une partie, typiquement sur un nombre d'entité individuelle au moins égale à 20, préférentiellement au moins 200, typiquement environ 10 kg.
Il est avantageux selon l'invention que la majorité des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente un rapport de pliage inférieur ou égal à 0.6. Avantageusement, au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente un rapport de pliage (R) inférieur ou égal à 0.6. Préférentiellement, au moins 60%, ou 70% ou 80% des entités individuelles du scrap revêtu broyé présente un rapport de pliage (R) inférieur ou égal à 0.6. Le rapport de pliage d'une entité individuelle est défini par l'équation 1. surface dépliée-surface pliée rapport de pliage = R = surface dépliée
(Équation 1)
Préférablement, au moins 50% ou 60% ou 70% ou 80% ou 90% ou 100% des entités individuelles du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) a un rapport de pliage (R) inférieur ou égal à 0.6, ou 0.5, encore plus préférablement inférieur ou égal à 0.4.
Le rapport de pliage d'une entité individuelle du scrap revêtu broyé quantifie la façon dont cette entité individuelle a été pliée lors des étapes précédentes. Plus ce rapport est élevé, plus l'entité individuelle a été pliée et est donc compacte ou ramassée, sous forme globulaire notamment. Plus le rapport est faible plus l'entité individuelle est plane. Les inventeurs ont constaté qu'il était nécessaire d'avoir un rapport de pliage inférieur ou égal à 0.6 pour éviter l'utilisation de sels, dit flux de recyclage, pour séparer les oxydes du métal liquide, lors de l'étape de refusion dans le four à induction à creuset. La surface pliée est la surface apparente d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé. La surface pliée est définie comme la surface maximale de la projection orthogonale sur un plan de l'entité individuelle.
La surface dépliée correspond à la surface développée d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé. La surface dépliée est définie comme la surface totale de l'entité individuelle de scrap revêtu broyé après avoir été déplié. Il est à noter que connaissant l'épaisseur et la masse et la masse volumique moyenne de l'entité individuelle on peut aisément déterminer la surface dépliée. On peut également obtenir la surface dépliée en dépliant l'entité individuelle.
A titre d'exemple, si on considère une entité individuelle de scrap revêtu broyé ayant typiquement la dimension d'un timbre-poste et ayant une surface dépliée de 1 cm2, elle présente un rapport de pliage de 0.5 si cette entité est repliée en deux. Cette même entité présente un rapport de pliage de 0 si elle n'a pas été pliée.
Les inventeurs ont constaté que le nombre de plis ou de recouvrement de surface détériore la planéité de l'entité individuelle. D'autre part, ils ont constaté qu'il est important que le scrap revêtu soit le moins replié sur lui-même pour que les surfaces revêtues soient en contact direct avec l'atmosphère du four de délaquage et que par conséquent les échanges de masses et de chaleur à la surface du scrap intervenant lors de l'opération de délaquage puissent se faire le plus efficacement possible.
Le rapport de pliage peut être mesuré de la façon suivante : on prend une entité individuelle de scrap revêtu broyé (1, figure 2 a). On utilise une feuille de papier dont la masse mo et la surface So sont connues. On dessine le contour de l'entité individuelle sur la feuille de telle sorte à obtenir la surface pliée (10, figure 2 b), en s'assurant que l'entité individuelle a été placée sur la feuille de papier de telle sorte à avoir la projection de la surface maximale de l'entité individuelle de scrap revêtu (10, Figure 2 b). On obtient ainsi la surface maximale de la projection orthogonale de l'entité individuelle sur un plan. On découpe le contour et on pèse le morceau mi. Une fois cette étape réalisée, on déplie la même entité individuelle de scrap revêtu broyé (2, figure 2 c). On reprend une feuille de papier dont la masse m'o et sa surface S'o sont connues. On dessine les contours de l'entité individuelle scrap revêtu ainsi dépliée (20, Figure 2 d) ; on découpe les contours et on pèse m2. Le rapport de pliage (R) peut être déduit selon l'équation 2
(Équation 2) L'opération de dépliage peut être faite manuellement. Lors de cette opération, il est possible que des morceaux se détachent. Chacun des morceaux doit être pris en compte dans la mesure de la masse m2.
L'estimation du pourcentage d'entité individuelle de scrap revêtu broyé ayant un rapport de pliage inférieur à 0.6 peut être réalisé sur l'ensemble du scrap ou sur une partie, typiquement sur un nombre d'entité individuelle au moins égale à 20.
Dans la suite, sauf mention contraire, l'utilisation de l'expression « compris entre ..et .. » peut être remplacée par l'expression « compris de .. à .. ». Dans la suite, sauf mention contraire, l'expression du style « le gain est compris entre A et B » signifie que le gain est compris de A à B ; le gain peut prendre la valeur A ou B ; les bornes A et B sont comprises.
Avantageusement, la masse volumique du scrap revêtu est comprise de 0.2 à 0.4 t /m3(tonne par mètre cube). La masse volumique du scrap est mesurée de la façon suivante : un récipient cylindrique d’une capacité de 1 litre est rempli de scrap, une vibration est produite sous la forme de petits chocs de façon à tasser le scrap. L’opération est répétée jusqu'à ce que le récipient soit rempli à ras bord. Le poids du récipient rempli auquel est soustrait le poids du récipient vide permet de déterminer la masse volumique du scrap.
L'approvisionnement de scrap revêtu broyé ayant les caractéristiques géométriques telles que définies précédemment peut être obtenu en utilisant un procédé comprenant une étape de broyage à l'aide d'un broyeur à couteaux, équipé d'une grille. La maille de la grille est avantageusement inférieure ou égale à 50 mm de façon à obtenir la granulométrie et la planéité souhaitée ainsi que la densité. Dans un broyeur à couteaux, le scrap revêtu est découpé entre des couteaux montés sur un arbre en rotation rapide et une rangée de couteaux fixe. La présence d'une grille permet d'assurer un contrôle granulométrique à la sortie du broyeur. L'obtention de la granulométrie souhaitée peut être réalisée séparément sur un outil dédié. La grille se caractérise par une dimension de mailles. Préférentiellement, la dimension de la maille de la grille est inférieure ou égale à 45 mm, 40 mm, 35 mm, 34 mm, 33 mm, 32 mm, 31 mm, 30 mm, 29 mm, 28 mm, 27 mm, 26 mm, 25 mm, 24 mm, 23 mm, 22 mm, 21 mm, 20 mm, 19 mm, 18 mm, 17 mm, 16mm et supérieure à 15 mm. En dessous de 15 mm, on obtient une granulométrie trop faible qui forme trop de fines, rédhibitoires pour le procédé de refusion. Au- dessus de 50 mm, on obtient une granulométrie trop grande qui ne permet pas d'obtenir la planéité ou la densité souhaitée. L'intérêt du broyeur à couteaux est d'obtenir des coupes franches, d'éviter de déformer le scrap et qu'il se replie sur lui-même. Avantageusement, la vitesse de rotation du broyeur est comprise entre 70 rpm et 120 rpm, même s'il est possible d'aller à des vitesses plus élevées.
L'approvisionnement de scrap revêtu broyé ayant les caractéristiques géométriques telles que définies précédemment peut être obtenu en utilisant un procédé de compactage basse densité (utilisé pour le transport et la manutention des scrap jusqu'au centre de recyclage), suivi d'un pré-broyeur à basse vitesse de rotation permettant la libération des UBC unitaires des balles compactées, suivi d'un broyeur permettant la coupure franche du scrap (type broyeur couteaux). Le compactage peut s'avérer utile si on doit transporter le scrap jusqu'au centre de recyclage. Cependant, il faut veiller à ce que le compactage n'augmente pas la densité apparente des scrap compactés, typiquement il faut veiller à ce que le compactage n'augmente pas la densité apparente des scrap compactés au-delà d'une densité d'environ 1400 kg/m3. On parle ainsi de compactage basse densité. En effet, si on compacte de façon trop dense, il n'est pas possible de libérer unitairement le scrap constitutifs des paquets (aussi appelés balles ou ballots) compactés. Les inventeurs ont constaté qu'il serait nécessaire de viser une granulométrie inférieure à 5 mm pour obtenir le rapport de pliage souhaité avec une autre technique que le broyage à couteaux. Cela aurait alors pour conséquence d'augmenter la perte métal au moment de la refusion.
Le pré-broyage à basse vitesse, qui peut être aussi appelé « déballeur » consiste à faire éclater les ballots sans modifier la forme des scrap unitaire compactés. Cette étape est bien sûr facultative si le scrap n'a pas été compacté.
Les inventeurs ont constaté que l'utilisation de broyeurs à marteaux ou de broyage par centrifugation ou par impact n'est pas avantageuse pour obtenir les géométries souhaitées.
2/ Etape de délaquage
Le scrap revêtu broyé ainsi approvisionné est ensuite délaqué. Le délaquage consiste à chauffer le scrap revêtu à une température où l’humidité et les matières organiques par exemple, les peintures, les vernis de protection, les joints des couvercles et autres matières fumigènes) sont éliminées, mais sans chauffer à trop forte température pour éviter la fusion du métal. Typiquement, la température est comprise entre 450°C et 540°C. Le scrap est chauffé par transfert thermique avec l'atmosphère du four, préférentiellement par le gaz chauffé issu de la post-combustion des fumées et qui circule dans la chambre de délaquage. Cette opération permet d'une part de sécher le scrap et d'autre part d'éliminer les matières organiques. Les matières organiques peuvent être converties en CO2 dans une unité de post combustion pour détruire des molécules organiques. On obtient ainsi un scrap sec, purifié, et sans matières fumigènes.
Après qu'un temps suffisant se soit écoulé, le scrap est retiré de la chambre de délaquage.
L'opération de délaquage peut aussi être obtenue par voie chimique : le scrap revêtu broyé peut être immergé dans différents bains permettant la dissolution des matières organiques et suivi d'une opération de séchage.
Les inventeurs ont constaté que L'opération de délaquage ou de séchage ne modifie pas le rapport de pliage, la planéité, la forme du scrap. Le scrap propre présente donc le même rapport de pliage, la même planéité, la même granulométrie que le scrap revêtu broyé approvisionné. La masse volumique du scrap propre est légèrement modifiée par rapport à celle du scrap revêtu et reste comprise entre 0.2 et 0.4 t/m3.
Le scrap revêtu broyé, avant délaquage, a une quantité de carbone résiduelle initiale typiquement d'au moins 1.5% en poids. Avantageusement, le scrap, après l'étape de délaquage, présente une quantité de carbone résiduelle inférieure à 0.3% en poids, préférentiellement inférieure à 0.2% en poids, encore plus préférentiellement inférieure à 0.1% en poids. La quantité de carbone résiduelle en % en poids peut être mesurée à l'aide d'un instrument approprié tel que ceux fournis par la société LECO. L'analyse consiste à maintenir dans un four une masse donnée de scrap après l'étape de délaquage à une température comprise entre 250°C à 550 °C sous débit d'argon et de convertir les fumées en CO2 dans un four catalyse. Le dosage du carbone est évalué en dosant la proportion de CO2 via une sonde infra-rouge.
3/ Préparation d'un pied de bain initial de métal liquide dans un four à induction
On dispose d'un four à induction à creuset cylindrique 100 de rayon intérieur R équipé d'un couvercle (170) fonctionnant à une fréquence donnée, (figure 4, 5, 6, 7). La figure 4 b est une vue de dessus du four à induction cylindrique 100 montrant les quatre quarts de section circulaire de la surface du bain liquide (I, II, III, IV). On a aussi représenté les quatre quarts de section circulaire du four à induction (T, II', III', IV') qui se superposent aux quatre quarts de section circulaire de la surface du bain liquide. Le four à induction à creuset cylindrique est équipé d'au moins un moyen d'injection (160). Ce moyen d'injection permet d'injecter du gaz afin d'inerter l'atmosphère du four. Il est avantageux de disposer d'au moins deux moyens d'injection (160) dans deux quarts de section circulaire distincts du four. De manière préférée, au moins un moyen d'injection (160) est disposé dans chaque quart de section circulaire du four (I', II', III', IV'). De manière préférée, les moyens d'injection sont disposés en couronne. Ils peuvent être disposés sur les parois du four ou sur le couvercle du four. Le four à induction à creuset se compose essentiellement d'une ou deux bobines inductrices refroidies par circulation de fluide caloporteur 101, entourant un garnissage réfractaire en pisé damé ou une coque réfractaire précuite, formant le creuset 102 dans lequel est placée la masse métallique à fondre.
On prépare (figure 4) un pied de bain de métal liquide 50 d'une première composition dans lequel sera déversé le scrap propre obtenu après délaquage et/ou séchage. Le scrap propre obtenu après délaquage est déversé à la surface 52 du bain de métal liquide. Le pied de bain de métal liquide initial peut être obtenu à partir des scrap propres obtenus après l'étape de délaquage ou à partir de déchets massifs, tels que des chutes de découpe ou des squelettes de découpe de tôles minces ou épaisses, lesdits déchets massifs étant constitués d'un alliage de composition compatible avec le scrap propre, et de préférence plus pur, dont la composition ne nuira pas à la composition finale. Typiquement, les déchets massifs sont des alliages d'aluminium de la série 3XXX, typiquement un alliage du type AA3104. Le pied de bain de métal liquide peut également être obtenu par la fusion de lingots de refusion d'un alliage de type lxxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx, 8xxx compatibles avec le scrap propre. Dans le cas de coulées successives, le pied de bain de métal liquide pourra avantageusement être constitué par le reliquat de la coulée précédente.
Le volume du pied de bain représente environ 30% à 60% du volume total du four à induction, typiquement la moitié de la capacité du four à induction. Si le volume de pied de bain est trop faible, le risque est que le pied de bain n'ait pas la capacité thermique suffisante pour se maintenir à l'état liquide et se solidifie dans le four. Le fonctionnement avec un pied de bain permet d'obtenir des taux de fusion avantageux de 2t/h à 4 t/h.
4/ et 5/ Etape de chargement des scrap obtenus après l'étape 3 et refusion
L’étape de chargement (figure 5) du scrap propre, obtenu après délaquage et/ou séchage consiste à introduire le scrap délaqué à l'aide d'un moyen d'alimentation 150 permettant l'alimentation en scrap délaqué dans le four à induction à creuset qui contient au préalable un pied de bain. Un couvercle (170) est utilisé pour chapeauter le four et limiter la quantité de gaz inerte utilisée pour inerter. Le moyen d'alimentation est configuré pour passer à travers le couvercle 170. Il est avantageux que le couvercle soit escamotable ou dispose d'une ouverture 1700 permettant de faire passer le moyen d'alimentation 150. Aucun sel de protection n'est utilisé dans le four à induction. L'étape de chargement est effectuée de manière continue ou semi-continue. Le scrap est chargé sur le pied de bain de métal liquide par un moyen d'alimentation 150 approprié, par exemple une vis sans fin ou une trémie ou un système de vibreur.
Un gaz inerte, typiquement de l'argon, est utilisé pendant cette étape afin de protéger la surface de métal liquide. Le gaz inerte est injecté au-dessus de la surface du bain de métal liquide par au moins un moyen d'injection 160.
Le scrap délaqué chute à la surface du pied de bain de métal initial dans une zone délimitée (10) dont la surface est inférieure ou égale à un quart de section circulaire de la surface du bain de métal liquide. Typiquement, la surface du bain de métal liquide est égale à nR2 où R est le rayon intérieur du four à induction cylindrique. Ainsi selon l'invention, la zone délimitée (10) est inférieure ou égale à nR2/4. La surface de partie escamotable du couvercle ou de l'ouverture 1700 est environ égale à la surface de la zone délimitée.
Il est intéressant de limiter la zone délimitée de chute des scrap à moins d'un quart de la section circulaire du four pour limiter la consommation de gaz inerte. Les inventeurs ont constaté qu'il était intéressant de localiser l'injection de gaz inerte au niveau de l'endroit où chute le scrap pour obtenir le meilleur inertage tout en limitant la quantité de gaz utilisé. Cela a pour effet de créer une sur-pression au niveau de la zone de passage du moyen d'alimentation à travers le couvercle et de réduire la quantité d'air qui pourrait rentrer. En limitant la zone délimitée à moins d'un quart de section de la surface du bain de métal liquide, et en la faisant correspondre à moins d'un quart de section du four (Figure 4, 1, II, III ou IV), il est possible de localiser l'injection de gaz inerte. Cela rend plus efficace l'inertage. La sortie de gaz inerte est localisée dans le quart de section du four contenant ladite zone délimitée.
Durant la phase de chargement iv), le gaz inerte est injecté dans un seul quart de section circulaire du four à induction. Cela veut dire que pendant la phase iv), au moins un moyen d'injection (160) localisé dans ce quart de section injecte du gaz inerte est utilisé et les autres moyens d'injection disposés dans les autres quarts de section circulaire n'injectent pas de gaz. Si d'autres points d'injection étaient utilisés en plus de celui utilisé dans le quart de section du four contenant la zone délimitée, cela n'apporterait aucun effet supplémentaire et cela aurait l'inconvénient de consommer plus de gaz.
En fonction du volume à inerter pendant la phase iv), le débit de gaz inerte à injecter est à adapter. Typiquement, s'il y a un seul moyen d'injection, localisé dans le quart de section circulaire du four contenant la zone délimitée (10), le débit de gaz inerte, préférablement le débit d'argon, est compris de 12 à 18 Nm3/h par m3 à inerter pendant la phase de chargement iv). Dans le cas où il y aurait deux moyens d'injection, localisé dans le quart de section circulaire du four contenant la zone délimitée (10), le débit de gaz inerte, préférablement le débit d'argon, est compris de 6 à 9 Nm3/h par m3 à inerter pendant la phase de chargement iv).
Avantageusement, lors de l'étape de chargement, le scrap délaqué, propre après délaquage est chargé à une température supérieure à 100°C pour des raisons de sécurité afin de d'éviter tout risque d'explosion associée à la présence d'humidité résiduelle contenue dans la charge.-Selon un mode préféré, pour augmenter le taux de fusion et réduire la consommation énergétique, le scrap séché et délaqué est immédiatement chargé après délaquage, à une température du scrap comprise entre 200°C et 450°C, préférentiellement entre 300°C et 450°C, encore plus préférentiellement entre 400°C et 450°C. Dans le cas où le scrap propre est enfourné à une température comprise entre 300°C et 450°C, il est avantageux que la durée de séjour du scrap propre au-dessus du bain de métal liquide soit courte afin de limiter leur oxydation.
Les inventeurs ont constaté qu'il est avantageux que le bain soit couvert par un lit de scrap délaqué flottant 4 à la surface du bain liquide 52 (Figure 5) pendant l'essentiel de la durée l'étape iv) de chargement et une partie de la durée de l'étape v) de refusion. La présence d'un lit de scrap flottant est assurée en régulant le débit d'alimentation en scrap avec le débit de refusion du scrap. Cette régulation peut être faite visuellement ou avec des moyens de pesée. La présence d'un lit de de scrap délaqué flottant permet de protéger la surface du bain de métal liquide de l'oxydation. L'essentiel de la durée de l'étape iv) correspond à une durée d'au moins 70% ou 80% ou 90% de la durée de l'étape iv). La durée de l'étape iv) est définie par le moment où on commence le chargement des scrap et la fin du chargement. La fin du chargement étant définie par le moment où la quantité de métal fondu dans le four à induction atteint son niveau de remplissage maximum.
Avantageusement, l'épaisseur du lit de scrap délaqué flottant est d'au moins 300 mm, avantageusement 1000 mm (t, figure 5).
Pendant la phase de refusion, le lit de scrap délaqué flottant permet l'alimentation en continu du bain de métal liquide jusqu'à sa complète dissolution. La phase de chargement iv) et la phase de refusion v) se chevauchent dans le temps. En effet, les inventeurs ont constaté qu'il est avantageux qu'une entité individuelle de scrap délaqué soit maintenue à la surface du bain de métal liquide pendant une durée d'au plus 2 min, de préférence entre 30 s et 90 s, ceci pour éviter son oxydation. Il est donc important de favoriser leur submergence dans le bain de métal liquide.
Avantageusement, la submergence des scrap est améliorée en agissant sur le champ de vitesse de circulation du bain de métal de liquide de telle sorte à obtenir un champ de vitesse descendant 51 le long des parois du creuset (figures, 5, 6). Ce champ de vitesse de circulation descendant résulte des forces électromagnétiques, dites forces de Laplace, bien connues dans la conception des fours à induction à creuset. Le champ de vitesse descendant le long des parois du creuset facilite la submergence des entités individuelles de scrap délaqué présentes dans le lit de scrap délaqué flottant. Les inventeurs attribuent la rapide submergence dans le bain de métal liquide à la forme particulière des entités individuelles utilisées selon l'invention. En effet, de par leur granulométrie et leur planéité, elles s'organisent sous forme de strates empilées, comme des cartes empilées arrangées parallèlement selon leur plus grande face. Cela protège efficacement le bain de métal liquide et facilite l'introduction des entités individuelles dans le bain de métal liquide. Celles-ci glissent les unes sur les autres et plongent le long de la paroi du creuset.
Il est avantageux de favoriser un champ de vitesse descendant pendant l'étape d'élaboration du pied de bain, l'étape de chargement et l'étape de refusion.
Par la présence de bobines inductrices 101 à la périphérie du creuset 102, il est possible d'obtenir un champ de vitesse descendant 51, le long des parois du creuset permettant d'améliorer la submergence des scrap selon l'invention. Ce champ de vitesse descendant 51 créée un vortex qui facilite l'immersion des scrap.
La création d'un vortex à la surface du bain n'est pas possible si on utilise un four à induction à canal. Selon les inventeurs, un four à induction à canal ne permet pas d'obtenir les conditions favorables pour refondre des scrap selon l'invention : l'absence de vortex à la surface du bain fait que si on introduit le scrap selon l'invention, ceux-ci vont s'empiler les uns sur les autres, faire un matelas isolant et ne vont pas être immergés dans le bain de métal liquide. Si le scrap est maintenu longtemps au-dessus du bain de métal liquide, le scrap peut s'oxyder et diminuer le rendement métal.
Le champ de vitesse descendant le long des parois du creuset est obtenu en sélection la fréquence du four à induction. La sélection d'une fréquence de 50 Hz à 150 Hz, préférentiellement de 50 Hz à 70 Hz, typiquement à environ 60 Hz permet d'obtenir un champ de vitesse descendant. Les inventeurs ont constaté que ce champ de vitesse descendant induit la formation d'un dôme à la surface supérieure de bain de métal liquide. Cette forme en dôme permet d'accélérer la fusion du scrap dans le liquide. Il est aussi possible d'agir sur la puissance du four pour modifier le champ de vitesse descendant. Il est possible d'adapter la fréquence et/ou la puissance du four en fonction du niveau de remplissage du four comme des calculs magnéto-hydrodynamiques peuvent le montrer. L'empilement des entités individuelles du scrap délaqué associé à un champ de vitesse descendant est particulièrement avantageux pour la submergence des scrap dans le métal liquide et leur immersion dans le métal liquide. Avantageusement, les paramètres de puissance et de fréquence du four sont adaptés en fonction de l'épaisseur du lit de scrap délaqué et de la phase du cycle (début, fin refusion, montée en température et maintien).
Les inventeurs ont constaté que pour une masse volumique comprise entre 0.2 et 0.4 t/m3, le scrap est rapidement submergé dans le bain de métal liquide. Cela évite ainsi l'oxydation du scrap et permet de maximiser le rendement métal lors de la fusion.
La fusion des scrap permet de former un bain de métal liquide d'une seconde composition. La seconde composition est généralement différente de la première composition mais pourrait également être identique si le scrap a la même composition que le pied de bain initial.
L'étape de refusion consiste à fondre le lit de scrap. L'étape de refusion dure pendant tout le temps pendant lequel il y a à la surface du bain de métal liquide un lit de scrap flottant. Il est avantageux que pendant cette étape de refusion, le moyen d'alimentation soit retiré de telle sorte à ce qu'il n'y ait plus de zone de passage 1700.
Pendant l'étape de refusion du lit de scrap (étape v)), les mêmes conditions d'inertage que celles opérées pendant la phase de chargement iv) sont de préférence réalisées. Le gaz inerte est injecté dans un seul quart de section circulaire du four à induction. Les inventeurs ont en effet constaté que malgré le vortex initié par le champ de vitesse descendant, la majorité des entités individuelles de scrap ont tendance à s'immerger du côté de la zone délimitée. C'est pourquoi il est avantageux de maintenir l'inertage du côté de la zone délimitée.
Selon un autre mode préféré, il peut être intéressant de passer progressivement d'un mode d'inertage dans un seul quart de section circulaire à un mode d'inertage dans un au moins deux sections circulaires du four à la fin de l'étape de chargement iv).
Pendant la durée de chargement et après refusion complète du scrap, la température du bain de métal liquide est inférieure ou égale à 750°C, préférentiellement inférieure ou égale à 730°C ou encore préférentiellement inférieure à 710°C, et supérieure à 680°C. Au début de la refusion le bain est typiquement à une température comprise entre 690°C et 710°C. Sa température tend à augmenter pendant l'étape de refusion.
6/ Phase de maintien
A la fin de l'étape de refusion, on passe à la phase de maintien. Cette phase de maintien a pour objet de maintenir le métal liquide ainsi élaboré avant de le transférer dans un autre four ou de le couler sous forme d'un produit intermédiaire, tel qu’une plaque de laminage, une billette de filage, un bloc de forge ou un lingot ou un bol dans lequel on effectue une étape de coulée du métal liquide obtenu par le procédé de fusion selon l'invention.
Pendant l'étape de maintien, il est intéressant que la surface du métal liquide continue d'être inertée. Selon l'invention, il est intéressant de modifier les conditions d'inertage par rapport à l'étape de chargement iv). De manière préférée, lors de l'étape de maintien vi) au moins deux moyens d'injection sont utilisés et sont localisés dans au moins deux quarts de section circulaire différents du four. De manière encore plus préférée, pendant la phase de maintien vi), au moins quatre moyens d'injection sont utilisés et sont localisés dans chaque quart de section circulaire du four (Figure 7).
En fonction du volume à inerter pendant la phase vi), le débit de gaz inerte à injecter est à adapter. Typiquement, il est préférable que s'il y a quatre moyens d'injection, localisés dans chaque quart de section circulaire du four, le débit de gaz inerte, préférablement le débit d'argon, est compris de 6 à 10 Nm3/h par m3 à inerter pendant la phase de maintien vi).
Pendant la phase de maintien, il n'est pas nécessaire de créer un champ de vitesse descendant. Pour cela, la fréquence de fonctionnement du four peut être augmentée. Préférentiellement, pendant la phase de maintien v) la fréquence est comprise de 100 Hz à 250 Hz. Préférentiellement la fréquence pendant la phase iv) est inférieure à la fréquence pendant la phase vi) de maintien.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d’un produit intermédiaire tel qu’une plaque de laminage, une billette de filage, un bloc de forge ou un lingot ou un bol dans lequel on effectue une étape de coulée du métal liquide obtenu par le procédé de fusion selon l'invention.
Avantageusement, avant l'étape de coulée, le métal est dégazé et/ou filtré et/ou traité de manière à enlever les oxydes éventuellement présents et/ou diminuer la teneur en hydrogène et/ou éliminer toute impureté indésirable.
Exemple 1- Caractéristiques du scrap revêtus broyés
Dans cet exemple, le scrap revêtu provient de boites de boisson usagées (UBC). Dans cet exemple le broyage a été effectué avec un broyeur à couteaux avec une grille de calibration inférieure à 35 mm. La figure 3 représente l'aspect du scrap obtenu dans le broyeur à couteaux qui est représentatifs du scrap selon l'invention. Ce scrap ainsi broyé est caractérisé de telle sorte à déterminer, le rapport de pliage (Tableau 2), leur granulométrie par tamisage (Tableau 2), la planéité du scrap en mesurant la hauteur (Tableau 3), leur densité apparente (Tableau 1). 75% des entités individuelles mesurées présentent un rapport de pliage inférieur ou égal à 0.6. 74% des entités individuelles mesurées présentent une granulométrie comprise entre 8 et 25 mm. 100% des entités individuelles mesurées présentent une hauteur inférieure ou égale à 10 mm. [Tableau 1]
[Tableau 2]
[Tableau 3]
[Tableau 4] Exemple 2
Le scrap revêtu broyé selon l'invention caractérisé dans l'exemple précédent a été approvisionné et délaqué dans un four de délaquage de type IDEX. Le délaquage a été réalisé à un débit de chargement de 500 kg/h, une vitesse de rotation de four 1 tr/min, et une température de sortie fumées de 440°C à 540°C. ces conditions ont permis d'obtenir un carbone résiduel variant de 0,1% -0,2%.
Après délaquage, le scrap délaqué a été introduit dans un four à induction à creuset préalablement rempli d'un pied de bain liquide. Le pied de bain initial a été réalisé à partir de scrap de 3104, son volume est d'environ 40% de la capacité maximale du creuset. Aucun sel de protection a été utilisé. Le scrap délaqué a été introduit dans le four à une température supérieure à 100°C, typiquement à une température de 200°C. La fréquence du four a été fixée à 62 Hz. La puissance du four a été fixée en début de cycle à 50%. La sélection de la fréquence voisine de 60 Hz permet d'accélérer la submergence du broyât dans le liquide. Un matelas de scrap délaqué a été maintenu à la surface du bain liquide afin de réduire la pénétration de l'air et protéger la surface du bain contre l'oxydation. Un soufflage d'argon à l'aide d'un seul moyen d'injection a été réalisé pour renforcer la protection du métal à un débit de 40 Nm3/h, le volume à inerter étant d'environ 2.8 m3 . Le chargement du scrap délaqué est réalisé à une cadence d'environ 4000 kg/h. Compte tenu de la cinétique d'oxydation de l'alliage dans la gamme de température mesurée dans le matelas (220°C à 250°C), le scrap délaqué n'a pas le temps de s'oxyder à la surface du bain. Il n'y séjourne pas plus longtemps que 1 minute. La géométrie des entités individuelles du scrap et leur organisation en strates facilite leur écoulement à la surface du bain ainsi que le long du creuset.
A l'issue de la phase de refusion, le métal a été maintenu pendant 30 minutes avant d'être coulé sous forme d'un bol. Pendant la phase de maintien, la surface du métal est inertée à l'aide d'un soufflage argon réalisé en quatre points d'injection, localisés dans chaque quart de section circulaire du four. Le débit était de 20 Nm3/h pour un volume à inerter de 0.6 m3.
Un rendement de métal net de 97.8 % a pu être obtenu en utilisant le procédé selon l'invention. En particulier, le rendement net sur l'élément Mg est de 94%. Les inventeurs pensent que cet excellent rendement est rendu possible par le choix de la géométrie des entités individuelles du scrap revêtu broyés, en particulier le rapport de pliage, la granulométrie et la planéité. Exemple 3 - Référence
A titre de comparaison, le rapport de pliage obtenus sur des scrap revêtus broyés obtenus par broyage à marteaux (voir figure 8) a été déterminé selon le même principe que celui décrit dans l'exemple 1. De la même façon que précédemment, la granulométrie et la planéité ont été mesurées : on constate que majoritairement le scrap obtenu avec un broyeur à marteaux ne permet pas d'obtenir majoritairement une granulométrie comprise entre 5 et 25 mm (voir tableau 5) et une planéité inférieure à 10 mm.
[Tableau 5]
[Tableau 6]
Le rapport de pliage a été mesuré sur 25 échantillons. On observe ainsi que le scrap broyé obtenu par broyage à marteaux ne permet pas d'obtenir un rapport de pliage <0.6 (voir tableau 7) : 100% du scrap a un rapport de pliage supérieur à 0.6.
Les inventeurs considèrent que cela est lié au fait que le broyage à couteaux permet d'avoir une découpe plus tranchante et donc d'éviter que le scrap ne se replie sur lui-même.
[Tableau 7] Exemple 4 - Paramètres de broyages
Des essais de broyage ont été effectués sur des scrap revêtus avec des broyeuses équipées de couteaux et d'une grille. La grille est constituée de trous de diamètre D. Le diamètre des trous de la grille, qui correspond à la maille de grille, a été fait varier entre 25 mm et 50 mm. Pour tous les cas, chaque trou de la grille est distant de son plus proche voisin d'environ 15 - 20 mm. La vitesse de rotation a été fait varier entre 80 rpm environ et 163 rpm environ Selon les cas, les couteaux ont des lames en V ou des lames droites. Les conditions opératoires sont résumées dans le Tableau 8
[Tableau 8]
Pour chacun des cas, la granulométrie et la planéité des scrap broyés ont été mesurées (tableaux 9 et 10). On constate qu'utiliser une grille de diamètre inférieure à 50 mm permet d'obtenir du scrap broyé tel que 50 % des scrap broyé présentent une granulométrie comprise entre 5 et 25 mm et une planéité inférieure à 10 mm. On constate qu'en augmentant la vitesse de rotation du tambour de la broyeuse à couteaux, cela tend à obtenir une granulométrie plus fine et une planéité plus faible. Toutefois, les inventeurs ont constaté qu'en augmentant la vitesse de rotation, cela avait tendance à former plus de fines, ce qui peut être défavorable pour le procédé de refusion. La forme des couteaux, en V ou droit, peut influer sur la morphologie des scrap broyés. Selon les inventeurs, ces deux types de forme de couteaux conviennent.
Le rapport de pliage (tableau 11) et la densité (tableau 12) ont été mesurés pour chacun des essais A, B et C. On constate que la densité est inférieure à 0.2 t/m3 dans le cas d'un broyage à couteau utilisant une grille de 50 mm alors qu'elle est comprise entre 0.2 et 0.4 t/m3 selon des conditions de broyage considérées par l'invention. Dans tous les cas, au moins 50% des entités individuelles présentent un rapport de pliage inférieur à 0.6. La figure 9 illustre l'aspect des scrap A, B, C. [Tableau 9]
[Tableau 10] [Tableau 11]
[Tableau 12]

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de refusion de scrap revêtu en alliage d'aluminium comprenant les étapes suivantes
(i) on approvisionne du scrap revêtu broyé à base d'alliages d'aluminium, constitué d'entités individuelles (1),
(ii) on réalise un délaquage dudit scrap revêtu broyé pour obtenir du scrap délaqué,
(iii) on prépare un pied de bain initial de métal liquide d'une première composition dans un four à induction à creuset cylindrique de rayon intérieur R équipé d'un couvercle (170) fonctionnant à une fréquence donnée, ledit four à induction dispose d'un moyen d'alimentation (150) permettant l'alimentation en scrap délaqué,
(iv) on charge le scrap délaqué dans le four à induction à l'aide du moyen d'alimentation (150) directement sur le pied de bain initial, ledit scrap délaqué chute à la surface du pied de bain initial dans une zone délimitée (10) et forme un lit de scrap délaqué flottant (4) à la surface du pied de bain initial,
(v) on refond le lit de scrap délaqué flottant pour former un bain de métal liquide refondu de seconde composition,
(vi) on maintient à l'état liquide le bain de métal liquide refondu, un gaz inerte, typiquement du gaz argon, est injecté au-dessus de la surface du bain de métal liquide par au moins un moyen d'injection (160), caractérisé en ce que lors de l'étape (iv) la surface de la zone délimitée (10) est inférieure ou égale à un quart de la section de la surface du bain de métal liquide, et que le au moins un moyen d'injection (160) est configuré de telle sorte que la sortie de gaz inerte soit localisée dans le quart de section circulaire du four contenant ladite zone délimitée, et en ce que , au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) présente une granulométrie comprise entre 5 et 25 mm, la granulométrie étant mesurée par tamisage, et une planéité (p) inférieure ou égale à 10 mm, la planéité étant mesurée à partir d'une entité individuelle de scrap revêtu broyé posée sur une règle de planéité de telle sorte que la planéité de l'entité correspond à la distance maximale entre la surface de la règle de planéité et la surface de l'entité. Tl
?. Procédé de refusion de scrap revêtu selon la revendication 1 caractérisé en ce que le scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) est obtenu en utilisant un procédé comprenant une étape de broyage à l'aide d'un broyeur à couteaux, équipé d'une grille configurée pour ajuster la granulométrie et telle que la taille de maille de la grille est inférieure à 50 mm, de préférence inférieure ou égale à 45 mm.
3. Procédé de refusion de scrap revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que au moins 50% des entités individuelles du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) a un rapport de pliage (R) inférieur ou égal à 0.6, où le rapport de pliage (R) d'une entité individuelle est défini par l'expression surface dépliée — surface pliée rapport de pliage = R = - - - , , , , - surface depliee où la surface pliée est la surface maximale de la projection orthogonale de l'entité individuelle sur un plan et la surface dépliée est la surface totale de la même entité individuelle après avoir été dépliée
4. Procédé de refusion de scrap d'aluminium revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la masse volumique du scrap revêtu broyé approvisionné à l'étape i) est comprise entre 0.2 et 0.4 t/m3.
5. Procédé de refusion de scrap revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le scrap délaqué obtenu après l'étape ii) est introduit dans le four à induction à l'étape iv) à une température supérieure à 100°C, préférentiellement à une température comprise entre 200°C et 450°C, plus préférentiellement entre 300°C et 450°C, encore plus préférentiellement entre 400°C et 450°C.
6. Procédé de refusion de scrap revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la fréquence du four à induction lors des étapes iv) à v) est comprise entre 50 Hz-et 150 Hz.
7. Procédé de refusion de scrap revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que lors de l'étape vi) au moins deux moyens d'injection (160) sont utilisés et localisés dans au moins deux quart de section circulaire du four.
8. Procédé de refusion de scrap revêtu selon la revendication 7 caractérisé en ce que les au moins deux moyens d'injection sont disposés en couronne.
9. Procédé de refusion de scrap revêtu selon la revendication 7 ou 8 caractérisé en ce que lors de l'étape vi) au moins quatre moyens d'injection (160) sont utilisés et localisés dans chaque quart de section circulaire du four.
10. Procédé de refusion de scrap revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le chargement à l'étape iv) est réalisé de manière discontinue ou continue, de préférence à l'aide d'une vis sans fin ou une trémie ou un système de vibreur.
11. Procédé de refusion de scrap revêtu selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation (150) est muni d’un système de pesage afin de contrôler le poids chargé.
12. Procédé de refusion de de scrap revêtu selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que la distance entre la surface du bain de métal liquide et la sortie de gaz inerte est inférieure ou égale à lm.
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