FR2850591A1

FR2850591A1 - Separation of cast from rolled, forged or drawn metal alloy pieces using a laser beam to produce differential surface images, notable for sorting scrap aluminum pieces

Info

Publication number: FR2850591A1
Application number: FR0301239A
Authority: FR
Inventors: Serge Terroni; Joseph Pierquin; Bruno Dubost
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-06
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: FR2850591B1; WO2004078368A1

Abstract

The separation of cast, rolled, forged or drawn metal alloy pieces consists of producing an image of the surface of the pieces by a method allowing the differentiation of the surfaces presenting a periodic rugosity profile and/or with a privileged direction of surfaces from an aleatory rugosity profile and sorting the pieces as a function of the image obtained. The method for producing the surface image uses a laser beam to produce a reflected image on a screen that can then be recorded. Independent claims are also included for: (a) a method of sorting metal pieces using a first sort with this method of separation and a second sort with another method such as colorimetric sorting or spectrometry by laser ablation; (b) a device for putting this method of separation into service.

Description

Procédé de séparation d'alliages métalliques corroyés et moulés.Process for separating wrought and cast metal alloys

Domaine de l'invention L'invention concerne la séparation automatique des pièces en alliages métalliques corroyées, c'est-à-dire de pièces fabriquées à partir de demi-produits laminés, filés ou forgés, et de pièces moulées, et plus particulièrement de déchets de telles pièces, 10 comme par exemple les déchets de pièces en alliages d'aluminium provenant du recyclage des véhicules automobiles hors d'usage. FIELD OF THE INVENTION The invention relates to the automatic separation of parts from wrought metal alloys, that is to say from parts made from rolled, extruded or forged half-products, and from molded parts, and more particularly from waste such parts, such as waste aluminum alloy parts from the recycling of used motor vehicles.

Etat de la technique Le recyclage des déchets en alliages d'aluminium est pratiqué depuis de nombreuses années en raison de leur valeur intrinsèque assez élevée et de la facilité relative de ce recyclage. Une source importante de déchets provient des véhicules automobiles en fin de vie, qui sont compactés et broyés. Jusqu'à une date récente, la majeure partie des alliages d'aluminium utilisés dans l'automobile provenait de pièces moulées, 20 notamment des pièces de moteurs (blocs-moteur, culasses, pistons, etc.). Ces pièces sont pour la plupart en alliages d'aluminium à forte teneur en silicium. Depuis quelques années, l'utilisation de pièces en alliages d'aluminium corroyés s'est fortement développée, par exemple des tôles de carrosserie en alliages de la série 6000 (Al-Si-Mg) ou de la série 5000 (alliages Al-Mg, des profilés pour pare-chocs et 25 structures, et des bandes minces pour les échangeurs de chaleur des systèmes de refroidissement du moteur et de climatisation. State of the art The recycling of waste aluminum alloys has been practiced for many years because of their high intrinsic value and the relative ease of recycling. A major source of waste is end-of-life motor vehicles, which are compacted and crushed. Until recently, most of the aluminum alloys used in the automobile came from castings, including engine parts (engine blocks, cylinder heads, pistons, etc.). These parts are mostly aluminum alloys with a high silicon content. In recent years, the use of wrought aluminum alloy parts has developed strongly, for example alloy body panels of the 6000 series (Al-Si-Mg) or the 5000 series (Al-Mg alloys). , bumper profiles and structures, and thin strips for the heat exchangers of the engine cooling and air conditioning systems.

La valeur des déchets est d'autant plus importante qu'ils sont plus homogènes quant à leur composition chimique. Pour cette raison, des techniques de séparation ont été développées récemment. L'article " Scrap Separation Advances to boost Secondary 30 Business ", paru dans Aluminium Today de juillet-aot 2001 (pages 22-23) décrit la problématique technique et économique du recyclage des déchets d'alliages d'aluminium. L'augmentation de l'utilisation d'alliages corroyés dans l'automobile risque de conduire à un surplus d'aluminium de deuxième fusion par rapport aux besoins des alliages de moulage, et, pour que les déchets de pièces moulées aillent en priorité aux alliages de moulage de deuxième fusion, il est intéressant de faire un premier tri entre les déchets de pièces moulées et celles issues de demi-produits filés, forgés ou laminés. Les principales techniques de tri mentionnées dans l'article sont: - le tri calorimétrique, qui permet de distinguer les différentes catégories d'alliages grâce à la couleur obtenue par un traitement chimique de surface approprié, comme décrit dans le brevet EP 0861910 (Alcoa). Le tri peut alors être effectué à l'aide d'une caméra placée au- dessus de la bande transporteuse des déchets à trier, comme indiqué dans la demande de brevet WO 95/17974 (Huron Valley Steel Corp.). 1o L'utilisation de certains produits chimiques peut poser des problèmes d'évacuation des effluents. The value of the waste is all the more important as they are more homogeneous in terms of their chemical composition. For this reason, separation techniques have been developed recently. The article "Scrap Separation Advances to Boost Secondary 30 Business", published in Aluminum Today from July-August 2001 (pages 22-23) describes the technical and economic problem of recycling waste aluminum alloys. The increase in the use of wrought alloys in the automobile may lead to a surplus of secondary aluminum over the requirements of the casting alloys, and in order for the castings waste to go primarily to the alloys. Secondly, it is interesting to make a first sorting between molded parts waste and those from semi-finished products, forged or rolled. The main sorting techniques mentioned in the article are: - calorimetric sorting, which makes it possible to distinguish the different categories of alloys by virtue of the color obtained by a suitable surface chemical treatment, as described in patent EP 0861910 (Alcoa) . The sorting can then be carried out using a camera placed above the conveyor belt of the waste to be sorted, as indicated in the patent application WO 95/17974 (Huron Valley Steel Corp.). 1o The use of certain chemicals can pose problems of evacuation of effluents.

- la spectrométrie par ablation laser, en anglais " laser induced breakdown spectroscopy " ou LIBS. Cette technique est décrite notamment dans le brevet EP 0293983 (Metalgesellschaft). Cette méthode est particulièrement sensible à l'état de 15 surface. laser ablation spectrometry, or "laser induced breakdown spectroscopy" or LIBS. This technique is described in particular in patent EP 0293983 (Metalgesellschaft). This method is particularly sensitive to the state of the surface.

D'autres méthodes de tri ont également été proposées, par exemple dans l'article de A. Gesing et al. " Separation of Wrought Fraction of Aluminum Recovered from Automobile Shredder Scrap " TMS Annual Meeting & Exhibition, 12/02/2001, comme les rayons X ou les courants de Foucault multifréquence, cette dernière 20 technique étant assez sensible à la forme des objets à reconnaître. Other sorting methods have also been proposed, for example in the article by A. Gesing et al. In fact, the X-ray or multi-frequency eddy currents, the latter technique is quite sensitive to the shape of the objects to be recognized. .

Le but de la présente invention est de fournir une méthode de tri entre les pièces en alliages métalliques moulées et celles provenant de demiproduits laminés ou filés, qui soit fiable, simple et économique. The object of the present invention is to provide a method of sorting between the cast metal alloy parts and those from rolled or spun half-products, which is reliable, simple and economical.

Objet de l'invention L'invention a pour objet un procédé de séparation de pièces en alliages métalliques, notamment en alliages d'aluminium, moulées ou obtenues à partir de produits laminés, filés ou forgés, consistant à produire une image de la surface des pièces par 30 une méthode permettant de différencier les surfaces présentant un profil de rugosité périodique et/ou à direction privilégiée des surfaces à profil de rugosité aléatoire, et à trier les pièces en fonction de l'image obtenue. OBJECT OF THE INVENTION The object of the invention is a process for separating parts made of metal alloys, especially aluminum alloys, molded or obtained from rolled, spun or forged products, consisting in producing an image of the surface of the parts by a method for differentiating the surfaces having a periodic roughness profile and / or preferred direction of random roughness profile surfaces, and sorting the parts according to the image obtained.

Elle a en particulier pour objet un procédé de ce type dans lequel la méthode permettant de différencier les surfaces consiste à produire sur un écran, à l'aide d'un faisceau laser, une image réfléchie de la surface de la pièce, et à enregistrer cette image. It relates in particular to a method of this type in which the method for differentiating surfaces consists of producing on a screen, using a laser beam, a reflected image of the surface of the part, and to record this image.

Elle a également pour objet un procédé de tri de pièces métalliques comportant un premier tri par le procédé précédent, et un second tri par un autre procédé de l'art antérieur tel que le tri colorimétrique ou la spectrométrie par ablation laser. It also relates to a method for sorting metal parts comprising a first sorting by the above method, and a second sorting by another method of the prior art such as colorimetric sorting or laser ablation spectrometry.

Description des figuresDescription of figures

La figure 1 est un schéma de montage expérimental illustrant le principe de la réflectométrie laser. Figure 1 is an experimental circuit diagram illustrating the principle of laser reflectometry.

Les figures 2a, 2b, 2c et 2d représentent respectivement le type d'image en réflexion laser obtenues à partir d'une surface parfaitement polie, d'une surface rugueuse 1 5 isotrope et d'une surface rugueuse anisotrope sans ou avec diffusion de surface. FIGS. 2a, 2b, 2c and 2d respectively show the type of laser reflection image obtained from a perfectly polished surface, an isotropic rough surface and an anisotropic rough surface with or without surface diffusion .

Les figures 3a et 3b sont des photographies obtenues par réflexion laser pour une pièce laminée et une pièce moulée. Figures 3a and 3b are photographs obtained by laser reflection for a rolled part and a molded part.

Les figures 4a et 4b représentent en perspective, respectivement à partir du dessus et du dessous, un schéma de principe d'une installation de tri utilisant le procédé selon 20 l'invention. Figures 4a and 4b show in perspective, respectively from above and below, a schematic diagram of a sorting installation using the method according to the invention.

Description de l'inventionDescription of the invention

L'invention est basée sur la constatation que les rugosités de surface des pièces 25 moulées et des pièces issues de demi-produits corroyés présentent des profils différents. Le profil de rugosité des pièces moulées est isotrope, avec des fluctuations de hauteur aléatoires, tandis que celui des pièces issues de produits laminés ou filés présente une direction privilégiée et/ou une certaine périodicité. Si on produit, par une méthode déterminée, une image de la surface des pièces qui soit différente selon 30 que le profil de rugosité est isotrope ou anisotrope, et qu'on sépare les pièces en fonction de cette image, on dispose ainsi d'un moyen de séparer d'une part les pièces moulées et d'autre part les pièces issues de produits laminés, forgés ou filés. The invention is based on the finding that the surface roughnesses of the molded parts and the pieces from the wrought half-products have different profiles. The roughness profile of the molded parts is isotropic, with random height fluctuations, while that of the rolled or extruded products has a preferred direction and / or a certain periodicity. If, by a given method, an image of the surface of the parts is produced which is different depending on whether the roughness profile is isotropic or anisotropic, and the parts are separated according to this image, then a means to separate on the one hand the molded parts and on the other hand the parts from rolled products, forged or spun.

Ce principe de séparation s'applique à tous les métaux et alliages qu'on peut transformer par laminage, forgeage, filage ou moulage, puisque ces techniques de transformation génèrent le même type de rugosité superficielle quel que soit le métal. This principle of separation applies to all metals and alloys that can be transformed by rolling, forging, spinning or molding, since these transformation techniques generate the same type of surface roughness whatever the metal.

Une méthode particulièrement appropriée pour obtenir une image représentative du 5 type de rugosité de la surface est la réflectométrie laser. Le principe de la méthode est illustré par le montage expérimental de la figure 1. On dirige sur l'échantillon à identifier le faisceau d'un laser de faible puissance. L'image réfléchie est récupérée sur un écran et photographiée. A particularly suitable method for obtaining an image representative of the type of roughness of the surface is laser reflectometry. The principle of the method is illustrated by the experimental setup of Figure 1. It directs on the sample to identify the beam of a low power laser. The reflected image is recovered on a screen and photographed.

Une surface métallique parfaitement polie, et donc non rugueuse, réfléchit les 10 rayonnements de manière spéculaire, c'est-à-dire qu'on a une réflexion totale selon une direction symétrique par rapport à la normale de celle du rayon incident. Dans le cas d'un miroir parfait, l'image obtenue est un point, comme indiqué à la figure 2a. A perfectly polished, and therefore non-rough, metal surface reflects the radiation specularly, i.e., there is total reflection in a direction symmetrical with respect to the normal of that of the incident ray. In the case of a perfect mirror, the image obtained is a point, as shown in Figure 2a.

Si, au contraire, la surface de l'échantillon présente une certaine rugosité, chaque élément de cette surface va se comporter comme une source de lumière émettant une 15 onde sphérique. Le déphasage entre ces ondes est à l'origine d'interférences qui, selon les cas, vont conduire soit à une tache lumineuse, soit à une tache sombre. On obtient ainsi une image granuleuse, souvent appelée " speckle " caractérisée par une multitude de taches brillantes sur un fond sombre. If, on the contrary, the surface of the sample has a certain roughness, each element of this surface will behave as a light source emitting a spherical wave. The phase difference between these waves is at the origin of interference which, depending on the case, will lead to either a bright spot or a dark spot. This gives a granular image, often called "speckle" characterized by a multitude of bright spots on a dark background.

Si la rugosité de surface est isotrope, c'est-à-dire présente des fluctuations de hauteur 20 aléatoires, comme c'est le cas pour les produits métalliques moulés, on obtient une image réfléchie avec un halo de diffusion et une faible réflexion spéculaire, comme indiqué à la figure 2b. Si la rugosité de surface est anisotrope, c'est-à-dire présente une direction privilégiée et/ou des motifs répétitifs avec un pas à peu près régulier, comme c'est le cas pour les produits métalliques laminés, forgés ou filés, le faisceau 25 réfléchi est discrétisé, l'énergie lumineuse étant concentrée selon des directions particulières appelées ordres de diffraction. Dans ce cas, l'image réfléchie associe à la réflexion spéculaire un trait de diffraction appelé " comète ", comme illustré à la figure 3c. If the surface roughness is isotropic, i.e., exhibits random height fluctuations, as is the case with cast metal products, a reflected image with a diffusion halo and low specular reflection is obtained. as shown in Figure 2b. If the surface roughness is anisotropic, that is to say it has a preferred direction and / or repetitive patterns with a fairly regular pitch, as is the case for rolled, forged or spun metal products, the reflected beam is discretized, the light energy being concentrated in particular directions called diffraction orders. In this case, the reflected image associates with the specular reflection a diffraction line called "comet", as illustrated in Figure 3c.

Les images obtenues sont suffisamment différenciées pour pouvoir utiliser pour le tri 30 proprement dit des techniques d'analyse d'image relativement simples, par exemple une reconnaissance de forme pour identification de la comète, une mesure de flux lumineux ou une mesure d'intensité maximale pour évaluation de la réflectance spéculaire. The images obtained are sufficiently differentiated to be able to use relatively simple image analysis techniques for sorting, for example a form recognition for comet identification, a luminous flux measurement or a maximum intensity measurement. for evaluation of specular reflectance.

Le procédé selon l'invention s'applique à la séparation de pièces moulées d'une part et de pièces forgées ou issues de produits laminés (tôles) ou filés (profilés, barres et tubes) d'un grand nombre de métaux et alliages, puisque la discrimination se fait non pas par la composition chimique, mais par l'état de surface résultant de son mode de 5 transformation. Bien qu'il ne s'applique pas aux produits revêtus, comme les produits peints ou laqués, cette restriction n'est guère limitative pour les déchets résultant du broyage. En effet, le broyage enlève, au moins partiellement, la couche de peinture, et l'échantillon peut alors être reconnu. Il en est de même pour les pièces sales ou grasses. Le balayage laser, ou le passage des échantillons devant un faisceau 10 laser fixe, est une opération continue, de sorte que la probabilité pour que le faisceau ne rencontre pas une zone de surface présentant la rugosité typique du mode de transformation est très faible. Ceci rend le procédé plus fiable que les méthodes ponctuelles comme la spectrométrie à partir d'un tir laser. Il en résulte une très faible pollution du gisement de déchets corroyés récupérés. The process according to the invention is applicable to the separation of castings on the one hand and forged parts or pieces of rolled products (sheets) or extruded products (profiles, bars and tubes) from a large number of metals and alloys, since the discrimination is made not by the chemical composition, but by the surface condition resulting from its mode of transformation. Although it does not apply to coated products, such as painted or lacquered products, this restriction is hardly restrictive for waste resulting from grinding. Indeed, the grinding removes, at least partially, the paint layer, and the sample can then be recognized. It is the same for dirty or greasy parts. Laser scanning, or passing samples past a fixed laser beam, is a continuous operation, so that the probability that the beam will not encounter a surface area having the typical roughness of the transformation mode is very small. This makes the process more reliable than point methods like spectrometry from a laser shot. This results in very low pollution of the pool of recovered wrought waste.

Le procédé selon l'invention a un cot de mise en oeuvre faible, grâce à l'utilisation de lasers de faible puissance, et de moyens d'acquisition et de traitement d'images peu sophistiqués. Si l'on souhaite un tri plus poussé, par exemple par type d'alliage, on peut faire suivre le procédé selon l'invention d'autres procédés de tri de l'art antérieur, comme le tri calorimétrique ou la spectrométrie par ablation laser. 20 The method according to the invention has a low cost of implementation, thanks to the use of low power lasers, and means of acquisition and processing of unsophisticated images. If it is desired to further sort, for example by alloy type, the method according to the invention can be followed by other sorting methods of the prior art, such as calorimetric sorting or laser ablation spectrometry. . 20

ExempleExample

On a soumis un certain nombre de déchets d'alliages d'aluminium, provenant du broyage de véhicules hors d'usage, et séparés par flottation, au dispositif 25 expérimental décrit à la figure 1. On a utilisé comme source un laser de faible puissance (10 mW) de type hélium-néon, de longueur d'onde 632 nm, dont le faisceau est dirigé vers les déchets. L'image réfléchie sur écran est photographiée à l'aide d'un appareil Polarod E600 muni d'un objectif de 127 mm. La distance entre l'objectif et l'écran était de 1,60 m et le temps de pose de 1/2 s. La figure 3a est la 30 photographie obtenue pour un échantillon de pièce laminée en alliage 5182, et la figure 3b pour un échantillon de pièce moulée en alliage A-S7G (alliage à 7% de silicium). On retrouve bien une forme de comète dans le premier cas, et de halo dans le second cas, suffisamment différenciées pour permettre un tri entre les deux types d'alliages. A number of aluminum alloy scrap from the crushing of spent and flotation-separated vehicles was subjected to the experimental device described in FIG. 1. A low power laser was used as the source. (10 mW) helium-neon type, wavelength 632 nm, whose beam is directed towards the waste. The image reflected on the screen is photographed using a Polarod E600 camera with a 127mm lens. The distance between the lens and the screen was 1.60 m and the exposure time was 1/2 s. Figure 3a is the photograph obtained for a 5182 alloy rolled piece sample, and Figure 3b for an A-S7G alloy casting sample (7% silicon alloy). We find a form of comet in the first case, and halo in the second case, sufficiently differentiated to allow a sorting between the two types of alloys.

Si on diminue le temps de pose à 1/8 s, on obtient toujours une comète pour la pièce laminée, mais, pour la pièce moulée, le flux lumineux réfléchi est insuffisant pour 5 imprimer un film photographique de sensibilité 300 ASA. On peut donc utiliser une simple mesure de flux lumineux pour faire le tri. If the exposure time is decreased to 1/8 sec, a comet is still obtained for the rolled part, but for the molded part, the reflected light flux is insufficient to print a photographic film of 300 ASA sensitivity. We can therefore use a simple measurement of luminous flux to sort.

Les figures 4a et 4b montrent un schéma de principe d'un dispositif expérimental de tri pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Il comporte une source laser (1) réglable en hauteur et en rotation, deux platines (2) et (3) pour recevoir les 10 échantillons, qui simulent le convoyeur d'une installation industrielle, deux plaques en verre dépoli (4) surmontées d'un capot en forme de pyramide tronquée, au sommet duquel se trouve une caméra (5) de position réglable en longueur et en hauteur. En fonction de la position et de la forme de l'échantillon, le faisceau laser se réfléchit sur l'une ou l'autre des plaques (4). L'image réfléchie peut alors être saisie 1 5 et traitée par la caméra (5). Figures 4a and 4b show a block diagram of an experimental sorting device for carrying out the method according to the invention. It comprises a laser source (1) adjustable in height and rotation, two plates (2) and (3) to receive the 10 samples, which simulate the conveyor of an industrial installation, two frosted glass plates (4) surmounted by a truncated pyramid-shaped hood, at the top of which is a camera (5) of position adjustable in length and height. Depending on the position and shape of the sample, the laser beam is reflected on one or other of the plates (4). The reflected image can then be captured and processed by the camera (5).

Claims

claims

A process for separating cast metal alloys or parts obtained from rolled, forged or spun products, which consists in producing an image of the surface of the parts by a method making it possible to differentiate the surfaces having a periodic roughness profile and / or preferred direction of the random roughness profile surfaces, and sorting the pieces according to the image obtained.

2. Method according to claim 1, characterized in that the metal alloys are aluminum alloys.

3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the method for differentiating surfaces consists of producing on a screen, with the aid of a laser beam, a reflected image of the surface of the piece, and save this image.

4. Process for sorting metal parts comprising a first sorting by the method according to one of claims 1 to 3, and a second sorting by another method such as calorimetric sorting or laser ablation spectrometry.

5. Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 3, comprising a laser source (1), at least one plate (4) of frosted glass for receiving the reflected image, and a camera (5) to process this image.