Raffinage sous gaz inerte à l'aide d'une unité de dégazage de l'aluminium fondu

L'affinage par gaz inerte consiste à injecter en continu des bulles de gaz inerte dans la masse fondue, afin d'extraire les inclusions oxydées et l'hydrogène de la surface du liquide pendant que les bulles remontent à la surface. L'injection de gaz inerte dans la masse fondue permet d'éliminer les scories, car les bulles de gaz inerte injectées absorbent les inclusions oxydées présentes dans la masse fondue et les extraient de la surface du liquide au cours du processus de remontée. Cette méthode est ce qu’on appelle la méthode de désscorification par flottation. Étant donné que la bulle de gaz inerte adsorbe les inclusions oxydées présentes dans le bain fondu, elle peut réduire l’énergie libre superficielle totale du système, ce qui permet à cette adsorption de se produire automatiquement. Plus la tension superficielle entre le gaz inerte et les inclusions est faible, et plus la tension superficielle entre le bain fondu et le gaz inerte ainsi que la tension interfaciale entre le bain fondu et les inclusions sont élevées, plus la capacité de déscorillage du gaz inerte est importante.

Lorsqu'on utilise un gaz inerte pour le raffinage, le flux de raffinage doivent être réparties uniformément à la surface du liquide. En effet, une fois que les bulles de gaz inerte ont fait remonter les inclusions à la surface du liquide, s’il y a à ce moment-là une couche de fondant à la surface du liquide, les inclusions vont pénétrer dans le fondant et se transformer en scories, qui sont faciles à retirer. Sinon, les inclusions ayant une densité plus élevée retomberont dans l’aluminium fondu, tandis que celles ayant une densité plus faible formeront une écume à la surface du liquide, difficile à séparer de l’aluminium fondu. Lorsque ces écumes sont retirées, une grande quantité de métal fondu est emportée, ce qui entraîne une perte importante de métal.

L'injection d'un gaz inerte dans la masse fondue permet de la dégazer, car la bulle de gaz inerte injectée dans la masse fondue ne contient pas d'hydrogène et sa pression partielle d'hydrogène est nulle, tandis que la pression partielle d'hydrogène dans la masse fondue à proximité de la bulle est bien supérieure à zéro ; il existe donc une différence de pression partielle d'hydrogène entre l'intérieur et l'extérieur de la bulle. Sous l’effet de cette différence de pression partielle, les atomes d’hydrogène présents dans la masse fondue se diffusent vers l’interface de la bulle et se recombinent en molécules à cette interface pour pénétrer dans la bulle. Ce processus ne s’arrête que lorsque la pression partielle d’hydrogène à l’intérieur et à l’extérieur de la bulle s’équilibre. L’hydrogène qui pénètre dans les bulles s’échappe dans l’atmosphère lorsque celles-ci remontent à la surface. De plus, pendant la remontée des bulles, les minuscules bulles d’hydrogène moléculaire en suspension dans la masse fondue ainsi que le gaz présent dans les inclusions peuvent également être entraînés hors de la surface du liquide par flottation, ce qui permet d’atteindre l’objectif de dégazage.

Facteurs influant sur le raffinage des gaz inertes

1) La nature des gaz inertes. La densité, la viscosité, la mouillabilité et la capacité thermique du gaz inerte ont une influence sur l'effet d'affinage. Plus la densité et la viscosité du gaz sont élevées, plus la vitesse de flottement dans la masse fondue est faible et plus le temps de séjour est long, ce qui contribue à améliorer l’effet d’affinage ; cependant, plus la densité du gaz est faible, plus le volume de gaz par unité de masse est important. Plus la surface de contact est grande, plus cela contribue également à améliorer l’effet d’affinage. Des expériences ont démontré que le facteur déterminant dans le processus de dégazage n’est pas la qualité du gaz de raffinage, mais son volume et son degré de dispersion dans la masse fondue. Plus le gaz présente une bonne capacité de mouillage vis-à-vis des inclusions, plus sa capacité de flottation est élevée. La capacité thermique influe sur l’effet de raffinage en agissant sur la température de la masse fondue.

2) La pureté du gaz inerte. La pureté du gaz inerte fait principalement référence à la teneur en oxygène et en humidité de ce gaz. Plus la teneur en oxygène et en eau du gaz inerte est élevée, moins l’effet d’affinage est satisfaisant. En effet, l’oxygène et la vapeur d’eau pénétrant dans la masse fondue avec le gaz d’affinage réagissent chimiquement avec celle-ci, formant un film d’oxyde à la surface de la bulle et augmentant la pression partielle d’hydrogène à l’intérieur de celle-ci. Cela retarde non seulement considérablement le processus de diffusion et d’élimination de l’hydrogène, mais augmente également la teneur en inclusions oxydées dans la solution. Lorsque la teneur en humidité et en oxygène du gaz inerte dépasse une certaine valeur, non seulement celui-ci ne peut plus jouer son rôle d’affinage, mais il peut même provoquer un processus d’absorption d’hydrogène par la masse fondue, entraînant une pollution plus grave.

3) La taille des bulles. Plus la taille des bulles est petite, plus l'effet de dégazage est efficace. En effet, plus les bulles sont petites, plus elles sont nombreuses pour un même volume de gaz, et plus leur surface est importante ; de plus, plus leur vitesse de flottement dans la masse d'aluminium en fusion est faible, plus le temps de contact avec la masse en fusion est long.

4) L'uniformité du contact entre les bulles et la masse fondue. Plus le contact est complet et uniforme, meilleur est l'effet d'affinage. L'affinage par insufflation d'air reposant sur le dégazage par diffusion due à une différence de pression partielle et sur l'élimination des scories par flottation, seule la zone en contact avec le gaz d'affinage peut produire un effet d'affinage. Afin d’augmenter les chances de contact, il est préférable d’utiliser un traitement combiné associant l’affinage par transfert en ligne, la filtration et l’injection d’air, de sorte que chaque partie de la masse fondue soit soumise à l’affinage. Dans le cas d’un affinage en four, le dispositif d’affinage doit être déplacé doucement le long du fond du four afin d’éviter les zones mortes.

5) Autres paramètres du procédé de raffinage. L'ajustement des paramètres du processus d'affinage, tels que la durée de soufflage, la pression de soufflage, la température de soufflage et le temps de repos de la masse fondue après affinage, a des effets évidents sur l'efficacité de l'affinage de la masse fondue.