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WO2000065109A1 - Procede et dispositif ameliores de degazage et de separation des inclusions d'un bain de metal liquide par injection de bulles de gaz - Google Patents

Procede et dispositif ameliores de degazage et de separation des inclusions d'un bain de metal liquide par injection de bulles de gaz Download PDF

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WO2000065109A1
WO2000065109A1 PCT/FR2000/001112 FR0001112W WO0065109A1 WO 2000065109 A1 WO2000065109 A1 WO 2000065109A1 FR 0001112 W FR0001112 W FR 0001112W WO 0065109 A1 WO0065109 A1 WO 0065109A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid metal
gas
bubbles
static
orifice
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.)
Ceased
Application number
PCT/FR2000/001112
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Le Brun
Hervé LESCUYER
Marc Bertherat
Michel Allibert
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.)
Rio Tinto France SAS
Constellium Issoire SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Pechiney Rhenalu SAS
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 Aluminium Pechiney SA, Pechiney Rhenalu SAS filed Critical Aluminium Pechiney SA
Priority to EP00922761A priority Critical patent/EP1192289A1/fr
Priority to CA002372065A priority patent/CA2372065A1/fr
Priority to AU43054/00A priority patent/AU765961B2/en
Priority to JP2000613842A priority patent/JP2002543277A/ja
Publication of WO2000065109A1 publication Critical patent/WO2000065109A1/fr
Priority to NO20015183A priority patent/NO20015183L/no
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/05—Refining by treating with gases, e.g. gas flushing also refining by means of a material generating gas in situ
    • C22B9/055—Refining by treating with gases, e.g. gas flushing also refining by means of a material generating gas in situ while the metal is circulating, e.g. combined with filtration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/48—Bottoms or tuyéres of converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/231—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids by bubbling
    • B01F23/23105—Arrangement or manipulation of the gas bubbling devices
    • B01F23/2312—Diffusers
    • 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
    • C22B21/06—Obtaining aluminium refining
    • C22B21/064—Obtaining aluminium refining using inert or reactive gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22B21/06—Obtaining aluminium refining
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    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/05—Refining by treating with gases, e.g. gas flushing also refining by means of a material generating gas in situ

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for improving the degassing treatment and the separation of inclusions from a bath of liquid metal, in particular aluminum, magnesium or their alloys, by injection and dispersion of a gas in the says liquid metal.
  • This treatment is usually carried out by blowing in a suitable gas, for example an inert gas insoluble in liquid metal, of the Ar type which may contain a few percent of reactive gas of the chlorine type.
  • a suitable gas for example an inert gas insoluble in liquid metal, of the Ar type which may contain a few percent of reactive gas of the chlorine type.
  • the bubbles must be of the smallest possible diameter so that there is a large contact surface between the gas and the metal.
  • the device of the aforementioned application tends to circumvent this difficulty of controlling the diameter of the bubbles and of obtaining bubbles of small diameter, by means of a particular arrangement of the gas emitting devices.
  • the invention is a device for injecting gas bubbles into a liquid metal contained in a treatment volume, said device comprising at least one static injection part (also called emitter) made of substantially inert material, said static part comprising a plurality of orifices, said device being characterized in that the material and / or the location of the orifices are such that the ratio of the diameter of the contact surface between each bubble emitted and the said material at the outlet of the orifice , on the outlet diameter of the orifice, or spread ratio, is less than 5, preferably 3 or better than 1.5.
  • a static injection part also called emitter
  • the treatment volume or container is generally a tank with one or more compartments, a liquid metal circulation chute, an oven, etc.
  • the diameter of the orifice is at most equal to the diameter of the bubble to be obtained and the spreading ratio is all the lower the more one wishes to obtain a small bubble diameter.
  • the device according to the invention is especially useful when it is desired to obtain bubbles having a diameter of at most 20 mm and advantageously at most 10 mm even when the metal is calm or circulates at low speed. When the liquid metal flows at higher speed, the diameter of the bubbles can be even smaller.
  • the desired spreading ratio can be obtained by using a material wettable by liquid metal, that is to say one whose wetting angle is less than 90 °, and / or by geometrically limiting the spreading surface available. around the hole; this latter solution makes it possible to use diffusers made of materials which cannot be wetted by liquid metal.
  • Figure 1 illustrates the difference in behavior of a wettable and non-wettable material in the context of the invention.
  • (1) we see the body of the static emitter, in (2) the gas inlet orifice where a bubble (9) is formed on the surface of the emitter, the said orifice (2) being supplied with gas using a small channel in the transmitter.
  • the wetting angle (10) defined by the tangent to the bubble (9) at its point of contact with the emitter and by the emitter is less than 90 °. It can be seen that the metal wetting the material of the emitter well counteracts the spreading of the bubble (9) and limits its diameter. This mechanism, which occurs even if the surface surrounding the orifice (2) forms an angle different from 90 ° with the internal surface of the orifice, allows the gas to exit through protuberances made of material wettable by the metal having the shape , for example, drilled cones whose orifice passes through the axis of symmetry, that is to say that the orifices can be located at the top of conical protuberances.
  • the use of a static emitter without protuberance has the advantage of simplifying the construction of the device, of reducing the risks of evolution of the geometry by erosion and of limiting the fouling of the device.
  • the protrusions may possibly be formed from separate parts which are fixed in place by mechanical means, such as by screws, which allows them to be easily changed in the event of damage.
  • the wetting angle (10) is greater than 90 °.
  • the metal having difficulty wetting the emitter allows the bubble to spread; in this case it is important to mechanically or geometrically limit the spreading surface of said bubble, as will be seen below, so that it has a small diameter.
  • Said contact surface means the maximum contact surface A between each bubble emitted and said material at the outlet of the orifice. During the development of a bubble, the contact surface generally evolves fairly quickly towards its maximum value. The maximum contact surface can be measured using any means which allows the formation of gas bubbles, such as X-rays, to be visualized.
  • the wettable material of the diffuser can be chosen from certain refractory metals substantially inert with respect to said liquid metals, such as Mo, W, V, Ti, Cr, Fe, steels, ..., or their alloys, or among ceramics such as TiB, nitrides (AIN, BN), carbides (A1 4 C 3 , TiC ⁇ _ x ), ....
  • refractory metals substantially inert with respect to said liquid metals such as Mo, W, V, Ti, Cr, Fe, steels, ..., or their alloys, or among ceramics such as TiB, nitrides (AIN, BN), carbides (A1 4 C 3 , TiC ⁇ _ x ), ....
  • ZrO and SiC are also non-wetting materials for aluminum and its alloys.
  • the wetting behavior of a material also depends on the roughness and the oxidation state of its surface. The material is preferably wetting because it is then easier to obtain a low spreading ratio.
  • the diffuser may include a plurality of small protuberances, the top surface of which corresponds to said contact or spreading surface of the bubble and comprises at least one gas emission orifice.
  • protrusions preferably have a height at least equal to their diameter and a shape which can be that of a straight or inclined or frustoconical cylindrical stud.
  • the protrusions (32), or a part thereof, may be removable, that is to say that they form inserts, which makes it possible to replace them in the event of wear or damage.
  • the removable protrusions (or studs) can be fixed to the body of the static part (21) by screws or any other means which allows easy replacement of the protrusions.
  • the diffuser may be in the form of a single piece or of an assembly of elementary pieces, generally of small thickness in which small channels have been drilled.
  • the upper end of these channels constitutes the injection orifice, located on the surface of said diffuser in contact with the liquid metal, and their lower end constitutes the orifice receiving the flow of feed gas to be injected into the metal. liquid.
  • the distance between two neighboring injection orifices is typically slightly greater than that corresponding to the diameter of the spreading surface and is such that the bubbles being formed do not touch.
  • the channels can correspond to a pore system or communicate through a network of feed channels dug in the mass.
  • the gas pressure at the outlet orifice, at the interface between the metal and the surface of the emitter be substantially constant regardless of the gas flow rate. , especially during the formation and detachment of the bubble.
  • the buffer volume located between the gas outlet orifice and the nearest regulator of the gas supply (valve, flow meter, ...) is also reduced as possible, and / or to use a suitable mass flow meter, and / or to introduce a local pressure drop just upstream of the outlet orifice using for example a porous material.
  • the injection device according to the invention is advantageously used for the treatment of volumes of aluminum, magnesium or their liquid alloys. It can for example be installed in the bottom of liquid metal treatment tanks or of compartments of these same tanks, but also in the bottom of circulation channels of said liquid metal.
  • the size of the bubbles (1 1, 31) can be measured by a method consisting in irradiating the liquid metal bath (3, 23) in which the bubbles are emitted using X-rays, in visualizing said bubbles after recovery of the image by a camera and to measure them after calibration of the acquisition chain and to determine the spread ratio.
  • the invention also relates to any process for treating liquid metal using gas bubbles with a diameter of at most 20 mm, or preferably at most 10 mm, generated by a static diffuser, the products obtained by this process and the corresponding device.
  • the tests carried out with the device according to the invention have shown that it is possible to achieve degassing efficiencies of up to 50% with bubbles with a diameter of the order of 5 mm, while they remained below 5 % with bubbles with a diameter of around 40 mm.
  • the invention also relates to any method of treatment of liquid metal by gas injection using the static injection device of the present invention.
  • the material and / or the implantation of the orifices of the static part (1, 21) can be chosen according to the nature of the liquid metal and, possibly, according to the composition of the gas and / or liquid metal temperature.
  • the method may include measuring the size of the bubbles being processed, for example using X-rays, sound probes or ultrasound.
  • FIG. 2 represents a partial view, in section, of an example of a diffuser making it possible to obtain the spreading ratio according to the invention
  • FIG. 3 a view under the same conditions of another diffuser according to the invention.
  • the static diffuser in the form of a piece of material wettable by liquid metal, generally installed in the bottom of a liquid aluminum treatment volume (not shown), comprising a plurality injection ports (2) in contact with the liquid metal (3).
  • On the lower face (4) of the part (1) opens an orifice (5) for supplying treatment gas, which will be conveyed to the injection orifice (2) via the buffer volume (8) .
  • the diffuser rests on supports not shown and several diffusers can be installed in the same treatment volume as indicated in application FR 2727432 cited above.
  • the bubble in formation (9) shows a wetting angle (10) of approximately 70 ° and a spreading ratio of approximately 1.
  • the diameter of the bubbles formed (1 1) was measured by an X-ray method consisting essentially in irradiating the metal bath liquid, in which the gas bubbles are emitted, and to visualize the said bubbles in clear on a dark background after recovery of the image by a camera; their diameter is then measured after a calibration of the acquisition chain. The diameter is 5 mm while the metal is calm and without any external shearing energy.
  • FIG 3 shows the detail of another means for limiting the spread ratio.
  • the static diffuser (21) placed in the bottom of a liquid metal treatment volume (23) is in the form of a part comprising injection orifices (22) through which the treatment gas is diffused in the liquid metal (23). These orifices are located at the top of protuberances (32) whose apex diameter, in combination with the diameter of the orifice, is used to calculate said spread ratio.
  • the injection orifices (22) are connected to the supply orifice (25) located on the underside (24) of the part (21) via the buffer volume (28) as small as possible. Upstream of said bottom face (24) is, as before, the constant pressure supply device (26).
  • the device for supplying gas at constant pressure (6, 26) comprising, for example, a felt graphite introducing a pressure drop between the feed gas flow (7, 27) and the buffer volume as small as possible (8, 28).

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Abstract

Dispositif d'injection de bulles de gaz dans un métal liquide (3, 23) contenu dans un volume de traitement, de préférence une cuve de traitement, une goulotte de circulation du métal liquide ou un four, ledit dispositif comprenant au moins une pièce statique (1, 21) d'injection en matériau inerte, ladite pièce statique (1, 21) comportant une pluralité d'orifices (2, 22) et le matériau et/ou l'implantation des orifices étant tels que le rapport du diamètre de la surface de contact entre chaque bulle émise et ledit matériau à la sortie de l'orifice (2, 22) sur le diamètre de l'orifice, ou rapport d'étalement, est inférieur à 5, de préférence à 3 ou plus avantageusement à 1,5, au moment où ladite bulle se détache du matériau.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF AMELIORES DE DEGAZAGE ET DE
SEPARATION DES INCLUSIONS D'UN BAIN DE METAL LIQUIDE
PAR INJECTION DE BULLES DE GAZ
Domaine technique
L'invention concerne un procédé et un dispositif pour améliorer le traitement de dégazage et la séparation des inclusions d'un bain de métal liquide, en particulier l'aluminium, le magnésium ou leurs alliages, par injection et dispersion d'un gaz dans le dit métal liquide.
Etat de la technique
On sait qu'avant d'obtenir par coulée des produits métallurgiques semi finis, tels que l'aluminium, le magnésium ou leurs alliages, il est nécessaire de traiter le métal brut liquide pour le débarrasser des gaz dissous (en particulier l'hydrogène), des impuretés dissoutes (en particuliers les alcalins) et des inclusions solides ou liquides qui nuiraient à la qualité des pièces coulées.
Ce traitement est habituellement effectué par insufflation d'un gaz approprié, par exemple un gaz inerte et insoluble dans le métal liquide, du type Ar pouvant contenir quelques pour-cents de gaz réactif du type chlore.
Pour que ce traitement soit efficace les bulles doivent être du plus petit diamètre possible afin qu'il y ait une surface de contact importante entre le gaz et le métal.
Il est connu, par exemple de la demande FR 2727432 de la demanderesse, d'insuffler le gaz à l'aide d'un matériau poreux inerte vis-à-vis du métal liquide généralement à base de graphite ou d'alumine.
Mais une telle façon de procéder ne permet pas de contrôler le débit et la taille des bulles de gaz émises. En effet quand les pores sont trop gros, d'une part les bulles sont trop grosses, manquent d'efficacité, le gaz étant insuffisamment dispersé dans le métal liquide, et provoquent des remous de surface préjudiciables, d'autre part il est nécessaire de ne pas arrêter le passage du gaz dans les pores pour empêcher le métal liquide d'y pénétrer, en particulier pendant les périodes de repos entre deux coulées. Par contre quand les pores sont trop petits les bulles s'étalent et restent grosses; de plus il est difficile d'introduire un débit de gaz élevé dans le métal liquide.
Ainsi le dispositif de la demande précitée tend à contourner cette difficulté de contrôler le diamètre des bulles et d'obtenir des bulles de petit diamètre, à l'aide d'un agencement particulier des dispositifs émetteurs de gaz.
De même un procédé pour réduire le diamètre des bulles émises par un milieu poreux est décrit dans le brevet US 4714494. Ce procédé consiste à traiter le métal liquide dans une goulotte de grande longueur dont la sole est en matériau poreux servant à introduire le gaz et dans laquelle le dit métal liquide circule à une vitesse d'au moins 0,1 cm/sec et de préférence d'au moins 2,5 cm/sec. Même si ce procédé permet de réduire le diamètre des bulles celui-ci demeure néanmoins important. Par ailleurs la mise en œuvre du métal liquide à grande vitesse n'est pas simple, peut présenter des risques pour la sécurité et peut ne pas être compatible avec une bonne qualité du métal liquide compte tenu des remous qui se produisent en son sein.
Ainsi plusieurs procédés connus utilisant des diffuseurs poreux permettent au mieux d'obtenir des bulles de l'ordre de 30 à 50 mm de diamètre même avec des porosités très fines, par exemple inférieures à 1 mm, ou des vitesses de circulation du métal liquide de l'ordre de grandeur de celles décrites dans le brevet US 4714494.
Le brevet américain US 4 290 590 décrit un dispositif d'injection de bulles de gaz comprenant une plaque en matériau inerte et une série de protubérances munies d'un orifice dans leur partie supérieure et alimentées par une source de gaz dans leur partie inférieure. L'orifice des protubérances doit être aussi petit que possible, ce qui présente l'inconvénient de nécessiter un grand nombre de protubérances pour obtenir un débit de gaz suffisant. La demanderesse a poursuivi ses efforts pour essayer de contrôler et diminuer le diamètre des bulles émises par un dispositif statique d'insufflation de gaz et le rendre ainsi plus efficace.
Description de l'invention
L'invention est un dispositif d'injection de bulles de gaz dans un métal liquide contenu dans un volume de traitement, le dit dispositif comprenant au moins une pièce statique d'injection (appelé aussi émetteur) en matériau substantiellement inerte, ladite pièce statique comportant une pluralité d'orifices, ledit dispositif étant caractérisé en ce que le matériau et/ou l'implantation des orifices sont tels que le rapport du diamètre de la surface de contact entre chaque bulle émise et le dit matériau à la sortie de l'orifice, sur le diamètre de sortie de l'orifice, ou rapport d'étalement, est inférieur à 5, de préférence à 3 ou mieux à 1,5.
Le volume, ou conteneur, de traitement est généralement une cuve à un ou plusieurs compartiments, une goulotte de circulation de métal liquide, un four, etc.
Le diamètre de l'orifice est au plus égal au diamètre de la bulle à obtenir et le rapport d'étalement est d'autant plus faible que l'on veut obtenir un petit diamètre de bulle. Le dispositif selon l'invention est surtout utile dès que l'on veut obtenir des bulles ayant un diamètre d'au plus 20 mm et avantageusement d'au plus 10 mm même lorsque le métal est calme ou circule à faible vitesse. Quand le métal liquide circule à vitesse plus élevée, le diamètre des bulles peut être encore plus petit.
Le rapport d'étalement recherché peut être obtenu en utilisant un matériau mouillable par le métal liquide, c'est-à-dire dont l'angle de mouillage est inférieur à 90°, et/ou en limitant géométriquement la surface d'étalement disponible autour de l'orifice ; cette dernière solution permet d'utiliser des diffuseurs en matériaux non mouillables par le métal liquide.
La figure 1 (a et b) illustre la différence de comportement d'un matériau mouillable et non mouillable dans le cadre de l'invention. En (1) on voit le corps de l'émetteur statique, en (2) l'orifice d'arrivée du gaz où se forme une bulle (9) en surface de l'émetteur, le dit orifice (2) étant alimenté en gaz à l'aide d'un petit canal pratiqué dans l'émetteur.
Quand le matériau est mouillable par le métal liquide (cas de la fig. la), l'angle de mouillage (10) défini par la tangente à la bulle (9) à son point de contact avec l'émetteur et par l'émetteur est inférieur à 90°. On voit que le métal mouillant bien le matériau de l'émetteur contrarie l'étalement de la bulle (9) et en limite le diamètre. Ce mécanisme, qui survient même si la surface entourant l'orifice (2) forme un angle différent de 90° avec la surface interne de l'orifice, permet de faire sortir le gaz par des protubérances en matériau mouillable par le métal ayant la forme, par exemple, de cônes percés dont l'orifice passe par l'axe de symétrie, c'est-à-dire que les orifices peuvent être situés au sommet de protubérances de forme conique. L'utilisation d'un émetteur statique sans protubérance présente toutefois l'avantage de simplifier la réalisation du dispositif, de réduire les risques d'évolution de la géométrie par érosion et de limiter l'encrassement du dispositif. Les protubérances peuvent éventuellement être formées de pièces distinctes qui sont fixées en place par les moyens mécaniques, tels que par visserie, ce qui permet de les changer aisément en cas d'endommagement.
Quand le matériau n'est pas mouillable par le métal liquide (cas de la fig. lb), l'angle de mouillage (10) est supérieur à 90°. On voit que le métal ayant de la difficulté à mouiller l'émetteur permet à la bulle de s'étaler ; dans ce cas il est important de limiter mécaniquement ou géométriquement la surface d'étalement de la dite bulle, comme cela sera vu plus loin, pour qu'elle ait un petit diamètre.
Ladite surface de contact s'entend de la surface de contact maximale A entre chaque bulle émise et le dit matériau à la sortie de l'orifice. Lors du développement d'une bulle, la surface de contact évolue en général assez rapidement vers sa valeur maximale. La surface de contact maximale peut être mesurée à l'aide de tout moyen permettant de visualiser la formation des bulles de gaz, tel que des rayons X.
Dans le cas de l'aluminium ou du magnésium ou de leurs alliages liquides, le matériau mouillable du diffuseur peut être choisi parmi certains métaux réfractaires substantiellement inertes vis-à-vis des dits métaux liquides, comme Mo, W, V, Ti, Cr, Fe, aciers,..., ou leurs alliages, ou parmi des céramiques comme TiB , nitrures (AIN, BN), carbures (A14C3, TiCι_x), .... On peut noter à ce sujet que normalement le graphite ou l'alumine ne sont pas mouillables par ces métaux liquides. Le ZrO et le SiC sont aussi des matériaux non mouillants de l'aluminium et de ses alliages. Le comportement mouillant d'un matériau dépend aussi de la rugosité et de l'état d'oxydation de sa surface. Le matériau est de préférence mouillant car on obtient alors plus facilement un rapport d'étalement faible.
Pour limiter physiquement la surface d'étalement, le diffuseur peut comporter une pluralité de petites protubérances dont la surface sommitale correspond à la dite surface de contact ou d'étalement de la bulle et comprend au moins un orifice d'émission de gaz.
Avec un tel diffuseur on voit qu'il est alors possible d'utiliser des matériaux non mouillables par le métal liquide ; dans ce cas il est préférable de ne disposer qu'un seul orifice à la surface supérieur de la protubérance. Ces protubérances ont de préférence une hauteur au moins égale à leur diamètre et une forme qui peut être celle d'un plot cylindrique droit ou incliné ou tronconique. Les protubérances (32), ou une partie de celles-ci, peuvent être amovibles, c'est-à-dire qu'elles forment des inserts, ce qui permet de les remplacer en cas d'usure ou d'endommagement. Les protubérances (ou plots) amovibles peuvent être fixés au corps de la pièce statique (21) par visserie ou tout autre moyen qui permette un remplacement aisé des protubérances.
Le diffuseur peut se présenter sous forme d'une seule pièce ou d'un assemblage de pièces élémentaires, généralement de faible épaisseur dans laquelle ont été percés de petits canaux. L'extrémité supérieure de ces canaux constitue l'orifice d'injection, situé à la surface du dit diffuseur en contact avec le métal liquide, et leur extrémité inférieure constitue l'orifice recevant le flux de gaz d'alimentation à injecter dans le métal liquide. La distance entre deux orifices d'injection voisins est typiquement légèrement supérieure à celle correspondant au diamètre de la surface d'étalement et est telle que les bulles en cours de formation ne se touchent pas. Les canaux peuvent correspondre à un système de pores ou communiquer par un réseau de canaux d'alimentation creusés dans la masse. Pour mieux contrôler le diamètre des bulles, il est important que la pression du gaz au niveau de l'orifice de sortie, à l'interface entre le métal et la surface de l'émetteur, soit sensiblement constante quel que soit le débit de gaz, en particulier lors de la formation et du détachement de la bulle. Pour cela il est avantageux de concevoir le dispositif de façon à ce que le volume tampon situé entre l'orifice de sortie de gaz et le plus proche organe de réglage de l'alimentation en gaz (vanne, débitmètre,...) soit aussi réduit que possible, et/ou d'utiliser un débitmètre massique adapté, et/ou d'introduire une perte de charge locale juste en amont de l'orifice de sortie à l'aide par exemple d'un matériau poreux.
En vue de diminuer encore le diamètre des bulles, on peut avantageusement introduire dans le métal liquide une énergie de cisaillement, par exemple à l'aide d'ultrasons ou d'un agitateur rotatif, pour favoriser le décollage des bulles.
Le dispositif d'injection selon l'invention est avantageusement utilisé pour le traitement de volumes d'aluminium, de magnésium ou de leurs alliages liquides. Il peut par exemple être installé dans le fond de cuves de traitement du métal liquide ou de compartiments de ces mêmes cuves, mais également dans le fond de goulottes de circulation du dit métal liquide.
La taille des bulles (1 1 , 31) peut être mesurée par une méthode consistant à irradier le bain de métal liquide (3, 23) dans lequel les bulles sont émises à l'aide de rayons X, à visualiser les dites bulles après récupération de l'image par une caméra et à les mesurer après étalonnage de la chaîne d'acquisition et à déterminer le rapport d'étalement.
L'invention concerne également tout procédé de traitement de métal liquide à l'aide de bulles de gaz de diamètre d'au plus 20 mm, ou de préférence d'au plus 10 mm générées par un diffuseur statique, les produits obtenus par ce procédé et le dispositif correspondant. Les essais réalisés avec le dispositif selon l'invention ont montré qu'il était possible d'atteindre des efficacités de dégazage atteignant 50 % avec des bulles d'un diamètre de l'ordre de 5 mm, alors qu'elles restaient inférieures à 5 % avec des bulles d'un diamètre de l'ordre de 40 mm. L'invention concerne également tout procédé de traitement de métal liquide par injection de gaz utilisant le dispositif statique d'injection de la présente invention. Pour la mise en œuvre du procédé de traitement, le matériau et/ou l'implantation des orifices de la pièce statique (1, 21) peuvent être choisis en fonction de la nature du métal liquide et, éventuellement, en fonction de la composition du gaz et/ou de la température du métal liquide.
Le procédé peut comprendre la mesure de la taille des bulles en cours de traitement, par exemple à l'aide de rayons X, de sondes sonores ou d'ultrasons.
Les dessins et les exemples suivants illustrent l'invention.
La figure 2 représente une vue partielle, en coupe, d'un exemple de diffuseur permettant d'obtenir le rapport d'étalement selon l'invention et la figure 3 une vue dans les mêmes conditions d'un autre diffuseur selon l'invention.
Sur la figure 2 on voit en (1) le diffuseur statique sous forme d'une pièce en matériau mouillable par le métal liquide, généralement installé dans le fond d'un volume de traitement d'aluminium liquide (non représenté), comportant un pluralité d'orifices d'injection (2) en contact avec le métal liquide (3). Sur la face inférieure (4) de la pièce (1) débouche un orifice (5) d'alimentation en gaz de traitement, lequel sera acheminé vers l'orifice d'injection (2) par l'intermédiaire du volume tampon (8). Le diffuseur repose sur des supports non représentés et plusieurs diffuseurs peuvent être installés dans un même volume de traitement comme cela est indiqué dans la demande FR 2727432 citée ci-dessus. Avec une pièce (1) en Ti (mouillable par l'aluminium) d'épaisseur 0,2 cm et des orifices (2) de diamètre 1 ,0 mm espacés les uns des autres de 15 mm, la bulle en formation (9) montre un angle de mouillage (10) d'environ 70° et un rapport d'étalement d'environ 1. Le diamètre des bulles formées (1 1) a été mesuré par une méthode aux rayons X consistant essentiellement à irradier le bain de métal liquide, dans lequel les bulles de gaz sont émises, et à visualiser les dites bulles en clair sur fond sombre après récupération de l'image par une caméra; leur diamètre est alors mesuré après un étalonnage de la chaîne d'acquisition. Le diamètre est de 5 mm alors que le métal est calme et sans apport d'énergie de cisaillement extérieure.
La figure 3 montre le détail d'un autre moyen permettant de limiter le rapport d'étalement. Le diffuseur statique (21) placé dans le fond d'un volume de traitement du métal liquide (23), se présente sous forme d'une pièce comportant des orifices d'injection (22) par où est diffusé le gaz de traitement dans le métal liquide (23). Ces orifices sont situés au sommet de protubérances (32) dont le diamètre sommital, en combinaison avec le diamètre de l'orifice, sert à calculer le dit rapport d'étalement. Les orifices d'injection (22) sont reliés à l'orifice d'alimentation (25) situé sur la face inférieure (24) de la pièce (21) par l'intermédiaire du volume tampon (28) aussi réduit que possible. En amont de la dite face inférieure (24) se trouve comme précédemment le dispositif d'alimentation à pression constante (26).
Avec une pièce en graphite (non mouillable par l'aluminium) ayant des orifices (22) de diamètre 2 mm situés au sommet de petits cylindres de diamètre 10 mm, représentant ainsi un rapport d'étalement de 5, ayant une hauteur de 10 mm au dessus de la surface du reste du diffuseur et espacés les uns des autres de 40 mm, il est possible d'obtenir des bulles (31) ayant un diamètre d'environ 10 mm. On voit que la bulle en cours de formation (29) ne dépasse pas la périphérie du plot cylindrique (32) bien individualisé, non mouillable, sur lequel elle se forme.
En amont de la face inférieure (4, 24), et typiquement au niveau de l'orifice (5, 25), se trouve le dispositif d'alimentation en gaz à pression constante (6, 26) comportant, par exemple, un feutre en graphite introduisant une perte de charge entre le flux de gaz d'alimentation (7, 27) et le volume tampon aussi réduit que possible (8, 28).
Les essais réalisés avec le dispositif de l'invention ont montré que le choix du matériau et de l'implantation des orifices permet à lui seul de contrôler efficacement la taille des bulles, même si ce choix peut être fait en fonction de la nature du métal à traiter et/ou, dans certains cas, en fonction de la composition du gaz et/ou de la température du métal liquide.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'injection de bulles de gaz dans un métal liquide (3, 23) contenu dans un volume de traitement, de préférence une cuve de traitement, une goulotte de circulation du métal liquide ou un four, le dit dispositif comprenant au moins une pièce statique (1, 21) d'injection en matériau inerte, ladite pièce statique (1, 21) comportant une pluralité d'orifices (2, 22), ledit dispositif étant caractérisé en ce que le matériau et/ou l'implantation des orifices sont tels que le rapport du diamètre de la surface de contact entre chaque bulle émise et le dit matériau à la sortie de l'orifice (2, 22) sur le diamètre de l'orifice, ou rapport d'étalement, est inférieur à 5, de préférence à 3 ou plus avantageusement à 1,5.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport d'étalement est obtenu en utilisant une pièce statique (1, 21) en un matériau mouillable par le métal liquide (3, 23).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, quand le métal liquide (3, 23) est l'aluminium, le magnésium ou leurs alliages, le matériau mouillable est choisi parmi les métaux réfractaires, tels que W, Mo, Ti, V, Cr, Fe ou les aciers, ou leurs alliages, ou parmi les céramiques réfractaires, tels que TiB2, les nitrures (AIN, BN) ou les carbures (A14C , TiC].x).
4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les orifices sont situés au sommet de protubérances de forme conique.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le rapport d'étalement est obtenu en limitant mécaniquement ou géométriquement la dite surface de contact.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que, pour obtenir géométriquement la limitation de la surface de contact, les orifices (2, 22) sont situés au sommet de protubérances (32) situées sur la pièce statique (1 , 21).
7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que, quand le matériau de la pièce statique (21) est en matériau non mouillable, chaque protubérance (32) ne comporte qu'un orifice (22) d'émission de gaz.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'au moins une des 5 protubérances (32) est amovible.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que la pression du gaz au niveau de l'orifice de sortie soit essentiellement constante quel que soit le débit de gaz.
10. Dispositif selon la revendications 9, caractérisé en ce que les dits moyens o comportent un volume tampon situé entre l'orifice de sortie du gaz et le plus proche organe de réglage de l'alimentation en gaz aussi réduit que possible, et/ou un débitmètre massique adapté et/ou un moyen poreux introduisant une perte de charge locale juste en amont de l'orifice de sortie du gaz.
1 1. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on 5 introduit dans le métal liquide (3, 23) une énergie de cisaillement, de préférence à l'aide d'ultrasons ou d'un agitateur rotatif.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce que les orifices (2, 22) sont séparés les uns des autres part une distance telle que les bulles en formation n'entrent pas en contact.
0 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la pièce statique d'injection (1, 21) est en un seul ou plusieurs éléments assemblés.
14. Procédé de traitement d'un métal liquide (3, 23) par injection d'un gaz à l'aide d'un dispositif d'injection de gaz statique (1, 21) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les bulles (1 1, 31) du gaz de traitement 5 introduites dans le métal liquide (3, 23) ont un diamètre inférieur à 20 mm et de préférence à 10 mm, le métal liquide (3, 23) étant au repos. 11
15. Procédé de traitement d'un métal liquide (3, 23) par injection d'un gaz mettant en œuvre le dispositif d'injection de gaz statique de l'une quelconque des revendications 1 à 13.
16. Procédé de traitement de l'une quelconque des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que la taille des bulles (11, 31) est mesurée par une méthode consistant à irradier le bain de métal liquide (3, 23) dans lequel les bulles sont émises à l'aide de rayons X, à visualiser les dites bulles après récupération de l'image par une caméra et à les mesurer après étalonnage de la chaîne d'acquisition.
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