Résumé : Le procédé de dégazage en ligne (unité de dégazage) est étudié, et en fonction des caractéristiques de plusieurs types de procédés et d'équipements de dégazage en ligne de l'aluminium et des alliages d'aluminium couramment utilisés à l'heure actuelle, le dégazeur de type caisson, le dégazeur de type goulotte et le dégazeur sous vide sont décrits en détail. Les caractéristiques structurelles et autres particularités notables de ces dégazeurs en ligne typiques pour l’aluminium et les alliages d’aluminium sont présentées, ainsi que les nouveaux développements en matière de dégazage en ligne. unité de dégazage La technologie des dégazeurs à ultrasons et l'évaluation approfondie de ces dégazeurs en ligne typiques pour l'aluminium et les alliages d'aluminium permettront aux ateliers de coulée d'aluminium en fusion de mieux cerner les avantages et les inconvénients de ces équipements, ce qui les aidera à choisir le procédé et l'équipement de dégazage appropriés afin d'améliorer la qualité de l'aluminium et des alliages d'aluminium.
Mots-clés : bain d'aluminium fondu ; procédé de dégazage et d'affinage en continu ; avantages et inconvénients
De nombreux facteurs influent sur la qualité de l'aluminium et de ses alliages, parmi lesquels la teneur en hydrogène, les inclusions et la concentration en métaux alcalins de l'aluminium fondu sont les plus déterminants pour la qualité des alliages d'aluminium. Les principaux fabricants et instituts de recherche, tant en France qu’à l’étranger, ont consacré d’importantes ressources à la recherche visant à réduire la teneur en hydrogène et en inclusions de l’aluminium fondu, et de nombreux nouveaux procédés et équipements ont fait leur apparition sur le marché.
1. Procédé de dégazage en ligne
Le processus de dégazage en ligne peut être globalement divisé en trois méthodes : la méthode par insufflation de gaz, la méthode d'affinage sous vide et la méthode d'affinage par ultrasons. Cet article se concentre sur la méthode par insufflation de gaz.
1.1 Principe de la méthode d'injection de gaz
La méthode d'injection de gaz, également appelée méthode de flottation, consiste principalement à former de nombreuses minuscules bulles après avoir injecté un gaz inerte dans l'aluminium en fusion. La pression initiale de l'hydrogène dans la bulle est nulle, et il existe une différence de pression d'hydrogène à l'interface entre la bulle et l'aluminium en fusion, de sorte que l'hydrogène dissous dans l'aluminium en fusion est continuellement aspiré dans la bulle. Ce processus d’aspiration se poursuit jusqu’à ce que la pression de l’hydrogène dans la bulle et celle de l’aluminium fondu s’équilibrent, ce qui met fin au processus. Une fois les bulles remontées à la surface, l’hydrogène qu’elles contiennent s’échappe et se disperse dans l’atmosphère.
Le schéma illustrant le principe d'élimination de l'hydrogène est présenté à la figure 1.
De plus, lorsque les bulles traversent la masse fondue, elles entrent en contact avec les inclusions d'oxyde présentes dans celle-ci ; ces inclusions sont alors adsorbées à la surface des bulles et remontent à la surface de la masse fondue avec celles-ci, d'où elles sont éliminées. Le schéma illustrant le processus d'élimination des inclusions est présenté à la figure 2.
Par conséquent, la remontée des bulles permet non seulement d'évacuer l'hydrogène, ce qui produit un effet de dégazage, mais aussi d'évacuer les inclusions d'oxydation, ce qui produit un effet d'affinage.
1.2 Méthode d'alimentation en gaz inerte
Dans le procédé de soufflage de gaz, le mode d'introduction du gaz inerte dans l'aluminium fondu a une grande influence sur l'efficacité du dégazage et de l'affinage. À l'heure actuelle, trois méthodes sont couramment utilisées dans les fonderies pour introduire du gaz inerte dans l'aluminium fondu : les tuyaux de dégazage, les briques de dégazage et les dispositifs rotatifs unités de dégazage, comme le montre la figure 3.
La méthode la plus simple parmi les techniques de soufflage de gaz consiste à insérer un tube d’affinage (généralement un tube en acier émaillé) dans l’aluminium fondu, puis à y faire passer un gaz inerte. Cette méthode de dégazage à tube unique et orifice unique présente un effet de dégazage médiocre. Certaines fonderies installent également des briques perméables au fond du four. Le gaz inerte traverse ces briques poreuses pour former de multiples bulles. Par rapport à la méthode de soufflage à orifice unique, l’efficacité du dégazage et de l’affinage obtenue avec la méthode de soufflage par briques poreuses est légèrement supérieure ; toutefois, ces briques présentent des inconvénients tels qu’un risque élevé d’obstruction, des fuites d’aluminium liquide, une maintenance difficile, un fort remous à la surface du bain et une formation accrue de scories.
Au fur et à mesure que la recherche s'approfondit, différentes méthodes de dégazage rotatif ont vu le jour. Le principe de base consiste à injecter un gaz inerte dans l'aluminium fondu à l'aide d'un rotor en rotation afin de former un grand nombre de petites bulles dispersées, ce qui permet d'effectuer un traitement de dégazage et d'affinage. Afin d'améliorer l'efficacité du dégazage, le nombre de bulles de gaz inerte doit être aussi élevé que possible, leur diamètre doit être faible, leur temps de séjour dans l'aluminium en fusion doit être long et la surface de l'aluminium en fusion doit être aussi stable que possible.
Afin d'atteindre l'objectif susmentionné, chaque fabricant de dégazeurs présente des caractéristiques propres en matière de conception du rotor ou de la tige rotative, du revêtement intérieur du boîtier et du mode d'étanchéité de ce dernier, ce qui explique la diversité des types de dégazeurs actuellement disponibles sur le marché. En fonction du procédé de dégazage et des caractéristiques structurelles du dégazeur, on peut distinguer, de manière générale, les dégazeurs de type caisson, les dégazeurs de type goulotte, les dégazeurs sous vide et les dégazeurs à ultrasons.
D'après des statistiques incomplètes, 99% des dégazeurs en ligne actuellement disponibles sur le marché sont des dégazeurs rotatifs de type caisson. Parmi les dégazeurs de type caisson, on trouve notamment les modèles SNIF et ILDU de la société américaine PYROTEK, les dégazeurs Reveot de la société américaine Apogee, les dégazeurs APLUR de la société française Novelis, les dégazeurs Fujiko GBF au Japon et les dégazeurs Mitsui (Japon). Le dégazeur TKR et le dégazeur 622 d’Alcoa (Alcoa) sont les plus courants ; le dégazeur de type goulotte est le modèle ACD le plus courant, produit par la société canadienne STAS ; le dégazeur sous vide est le modèle Hycast produit par Hydro. Le modèle I-60Sir est le plus courant.
Ces dernières années, la société américaine Southwire Co., Ltd. (Southwire) a mis au point un nouveau dégazeur à ultrasons.
2. En ligne unité de dégazage
2.1 Dégazeur à caisson
La structure du dégazeur de type « SNIF box » fabriqué par la société américaine Pilotec est illustrée à la figure 4.
L'aluminium fondu s'écoule dans la chambre de dégazage et reste dans le revêtement réfractaire. La cuve est équipée d’un dispositif de chauffage destiné à maintenir l’aluminium fondu à l’état liquide. Une fois que le gaz inerte est pulvérisé par le rotor en rotation, il est fragmenté en d’innombrables petites bulles par la rotation à grande vitesse du rotor ; ces petites bulles se diffusent et remontent dans le bain d’aluminium fondu, éliminant ainsi l’hydrogène. Au cours de la remontée des petites bulles, sous l’effet de la tension superficielle, une partie des inclusions est entraînée hors de l’aluminium fondu vers la surface du liquide, formant une écume qui permet d’éliminer les inclusions présentes dans l’aluminium fondu ; parallèlement, grâce à l’agitation provoquée par le rotor, la composition de l’alliage d’aluminium fondu devient plus homogène.
La caractéristique la plus remarquable du dégazeur de type caisson réside dans sa structure composée d’un stator en graphite et d’un rotor en graphite. Le stator en graphite ne tourne pas dans l’aluminium en fusion et sert de couche de protection externe à l’ensemble stator-rotor en graphite. Les tiges et les rotors en graphite sont assemblés afin de brasser l’aluminium en fusion. Le gaz inerte traverse l'interstice entre le stator et la tige en graphite, puis est injecté dans l'aluminium fondu depuis le bord inférieur du stator et la rainure située sur le bord supérieur du rotor en graphite. Le mode de circulation de l'aluminium fondu avec tige et rotor en graphite du système SNIF est illustré à la figure 5.
Grâce à la force de cisaillement exercée par le rotor en graphite, l'aluminium fondu circule vers le bas, ce qui compense l'effet de la flottabilité naturelle, de sorte que les bulles d'air expulsées du rotor et du stator sont injectées radialement et dispersées uniformément dans l'aluminium fondu afin d'obtenir le meilleur effet de dégazage et d'affinage. Dans une autre série de dégazeurs de type caisson ILDU fabriqués par la société américaine Parrotec, la caractéristique remarquable réside dans la tige rotative/le rotor (voir figure 6).
Le matériau de la tige rotative/du rotor est le nouveau BTS. À l'heure actuelle, les matériaux utilisés pour les rotors des autres dégazeurs sont généralement le graphite, le carbure de silicium et le nitrure de silicium. Le graphite s'enflamme et s'oxyde facilement à haute température (environ 750 °C), ce qui provoque des fractures ou un écaillage, contaminant ainsi l'aluminium en fusion ; le rotor moulé en carbure de silicium ne résiste pas aux chocs thermiques et se brise facilement en cas de refroidissement rapide ou de choc thermique ; le coût de la tige rotative ou du rotor en nitrure de silicium est trop élevé. En revanche, l’intérieur du rotor BST est constitué de graphite et l’extérieur est fritté avec un matériau réfractaire, ce qui permet justement de pallier les inconvénients des trois matériaux susmentionnés. Selon les statistiques, sa durée de vie atteint plus d’un an sur les lignes de coulée continue et de laminage.
Les avantages évidents du dégazeur de type caisson sont les suivants : 1) Augmentation du temps de séjour des bulles, améliorant ainsi l'efficacité du dégazage et de l'affinage ; 2) Maintien de la température de l'aluminium fondu dans la cuve à un niveau égal ou supérieur à la température de coulée, ce qui permet de réduire la température du four de maintien ; 3) Réduction des variations de la température de coulée. L'inconvénient réside dans l'espace d'installation relativement important requis par l'appareil.
2.2 Dégazeur de type « Launder »
Le dégazeur de type auge utilise un rotor/une tige pour faire tourner le dégazeur et affiner son action. La principale différence de structure entre le dégazeur à goulotte et le dégazeur à caisson réside dans le fait que la paroi interne du dégazeur à goulotte affleure celle de la goulotte de la ligne de production de pièces moulées, ce qui permet d’obtenir un dégazeur ne présentant aucun résidu d’aluminium. Le schéma de structure du dégazeur de type goulotte est présenté à la figure 7.
Le couvercle d'étanchéité et la cuve de dégazage du dégazeur à goulotte forment un espace relativement étanche. Au début de la coulée, l’aluminium fondu pénètre dans la cuve de dégazage par un écoulement submergé. Lorsque le niveau d’aluminium fondu dans la cuve de dégazage dépasse 200 mm, le rotor commence à agiter l’aluminium fondu et à injecter du gaz inerte dans celui-ci afin de le dégazer et de l’affiner. Par rapport au dégazeur traditionnel de type caisson, le dégazeur de type auge présente l’avantage de ne laisser aucun résidu d’aluminium et d’occuper un encombrement réduit. Ses inconvénients sont également évidents : en raison de la faible profondeur de l’aluminium fondu dans le dégazeur de type auge, le temps de séjour des bulles dans l’aluminium fondu est plus court, de sorte que son efficacité de dégazage est légèrement inférieure à celle du dégazeur de type caisson. En l’absence de système de chauffage, la température de l’aluminium fondu diminue (généralement de 10 à 35 °C) lorsqu’il traverse le unité de dégazage, ce qui aura une incidence sur le processus de coulée qui suivra.
La vitesse de rotation de la tige ou du rotor en graphite du dégazeur à goulotte est très élevée (> 1 000 tr/min), ce qui réduit la durée de vie de la tige ou du rotor en graphite et entraîne une production accrue de scories. Comme les bulles ne restent que peu de temps dans l'aluminium fondu, ce qui nuit à l'efficacité du dégazage, l'opérateur compense généralement cet effet indésirable en augmentant le débit de gaz inerte, ce qui entraîne une forte consommation de ce dernier.
(filtre en céramique poreuse)
2.3 Dégazeur sous vide
La structure du dégazeur sous vide est similaire à celle du dégazeur à goulotte, qui se compose de deux parties : l'unité de dégazage et la chambre de dégazage sous vide (voir figure 8).
La chambre de dégazage sous vide peut être classée en trois types : à chambre unique, à double chambre et à chambres multiples, en fonction du débit d’aluminium liquide. La différence entre les dégazeurs de type « boîte » et de type « goulotte » réside dans le fait que le rotor en graphite du dégazeur sous vide est installé au fond de la chambre de dégazage. Le fond de la chambre de dégazage est muni de fentes afin que celle-ci communique avec l'unité de dégazage (voir figure 9). Lorsque l’aluminium fondu s’écoule à travers l’unité de dégazage, la chambre de dégazage crée une dépression sous l’action d’une pompe à vide ou d’autres méthodes, ce qui augmente ainsi le niveau de l’aluminium liquide dans la chambre de dégazage sous vide. Une fois que le niveau de l’aluminium fondu atteint une certaine hauteur, le rotor en graphite commence à tourner et injecte un gaz inerte pour dégazer et affiner l’aluminium fondu. Une fois le dégazage terminé, la dépression dans la chambre sous vide est relâchée, et le niveau de l’aluminium fondu dans la chambre sous vide baisse jusqu’à ce qu’il soit égal au niveau de l’unité de dégazage.
Le dégazeur sous vide présente l'avantage de ne laisser aucun résidu d'aluminium et d'occuper un faible encombrement. De plus, comme l'aluminium fondu est dégazé et agité sous vide, il contient moins d'oxydes et est relativement propre. Inconvénients du dégazeur sous vide : 1) Exigences élevées en matière de propreté de l'aluminium liquide ; 2) Le rotor en graphite étant installé au fond, et les scories s'accumulant davantage au fond de l'aluminium liquide, le rotor en graphite s'use facilement. À l'heure actuelle, les dégazeurs sous vide ne sont pas largement utilisés sur le marché.
2.4 Dégazeur à ultrasons
Le dégazeur à ultrasons est un nouveau type de dégazeur mis au point avec succès par la société South Line Co., Ltd. aux États-Unis. Ce dégazeur à ultrasons se distingue du dégazeur traditionnel à rotor rotatif ; sa structure comprend un émetteur d'ultrasons et une sonde à ultrasons (voir figure 10).
