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i LABORATOIRE DE LA TECHNOLOGIE DES MATÉRIAUX RAPPORT MTL 2003-21(CF) RAPPORT FINAL SUR LES TECHNIQUES DE RAFFINAGE DE L’ALUMINIUM par S. Bell,* B. Davis*, A. Javaid** et E. Essadiqi** RÉSUMÉ Il existe trois procédés servant à raffiner une fonte d’aluminium afin d’en éliminer diverses impuretés et de permettre au métal en fusion de respecter les exigences actuelles des centres de coulée. Il s’agit du fluxage, de la flottation et de la filtration, qui ont lieu dans le creuset de prétraitement ou le four de coulée, le dégazeur et la cellule filtrante, respectivement. On élimine les métaux alcalins de la fonte d’aluminium en fluxant celle-ci soit avec un sel réactif, soit avec un gaz réactif. Ce sont les flux de sel de chlorure d’aluminium qui constituent le réactif ayant servi le plus longtemps à éliminer les éléments alcalins et leur incorporation dans une fonte d’aluminium s’est toujours faite à l’aide d’un puddler mécanique. Selon le procédé, il était très important d’agiter la fonte, puisqu’il fallait qu’il y ait contact physique entre les particules de sel et les éléments alcalins pour que les deux espèces réagissent et forment un chlorure alcalin. Le puddlage était toutefois relativement inefficace et les pertes d’aluminium étaient importantes à cause de l’accumulation massive d’écume à la surface de la fonte. Cela a mené à apporter de nombreuses améliorations à la technique et au matériel utilisé dans le raffinage à l’aide de flux solides. Dans le procédé de traitement de l’aluminium en creuset (TAC) d’Alcan, un rotor de conception spéciale remplace le puddler mécanique et le sel de fluorure d’aluminium est substitué au sel de chlorure d’aluminium. Il a été démontré que le composé fluoré favorisait l’agglomération des impuretés oxydes, ce qui en facilite grandement l’élimination. De nos jours, le procédé TAC est utilisé couramment comme première étape de la purification des fontes d’aluminium à fortes concentrations d’impuretés et il est appliqué dans un creuset de prétraitement. Son efficacité globale en matière d’élimination des impuretés alcalines de la fonte d’aluminium n’est toutefois pas assez grande pour que le métal puisse respecter les normes commerciales et il est essentiel de procéder à un fluxage supplémentaire à l’aide d’un traitement gazeux. Le chlore est la seule espèce gazeuse qu’on utilise comme flux pour éliminer les impuretés alcalines; il réagit directement avec le métal alcalin pour former un chlorure alcalin. On l’utilise * Davis Laboratories, Kingston (Ontario). **Laboratoire de la technologie des matériaux – CANMET, 568, rue Booth, Ottawa (Ontario). __________________________________________________________ ii également dans les alliages contenant du magnésium, où il réagit avec ce métal pour former un chlorure de magnésium, qui réagit alors avec le métal alcalin pour former un chlorure alcalin. Dans les deux cas, le chlorure alcalin se sépare de la fonte en remontant à la surface, où il flotte. Le chlore est ajouté à l’aluminium soit à l’état de gaz pur, soit mélangé à un gaz inerte tel que l’argon ou l’azote, puisqu’il n’est pas nécessaire d’utiliser un gaz fait uniquement de chlore pour obtenir un nettoyage efficace de la fonte. La lance et le système rotatif d’injection de gaz (SRIG) sont les deux méthodes utilisées le plus souvent pour diffuser le gaz sous la surface de la fonte et le disperser dans tout le creuset. Le fluxage à la lance est inefficace en comparaison avec le SRIG parce que les bulles de gaz sont trop grosses et la population trop petite pour que la méthode soit efficace. Sa capacité de brassage est elle aussi limitée et oblige à recourir à une méthode supplémentaire de brassage de la fonte. Avec le SRIG, on n’utilise qu’une fraction du chlore gazeux utilisé pour le fluxage à la lance, ce qui contribue à faire diminuer les émissions et la nécessité d’utiliser des épurateurs alcalins. L’utilisation de chlore gazeux abaisse également la concentration d’hydrogène et d’oxydes dans la fonte d’aluminium en flottant ces impuretés et en les amenant à la surface du métal en fusion. Comme la réglementation environnementale régissant l’utilisation du chlore gazeux est maintenant plus stricte, certains centres de coulée d’aluminium sont en train d’évoluer vers la mise en place d’un système rotatif d’injection de flux (SRIF) pour le fluxage de la fonte d’aluminium. Le SRIF utilise un sel réactif, soit du chlorure de magnésium fondu, soit du fluorure d’aluminium fondu, et un rotor conçu pour injecter le sel solide sous la surface de la fonte tout en brassant le produit. Les forces de cisaillement produites par la giration rapide du rotor font que les particules de sel sont immédiatement cisaillées, ce qui en réduit la grosseur et en augmente la dispersion dans l’aluminium. En outre, le rotor brasse adéquatement tout le volume d’aluminium et fait en sorte que toute la fonte est traitée. La méthode offre l’avantage de ne produire pratiquement aucune émission de chlore gazeux ou de gaz chlorhydrique et son efficacité en matière d’élimination des impuretés alcalines est égale ou supérieure à celle du SRIG. Le fluorure d’aluminium collabore lui aussi à l’élimination des oxydes de la fonte puisqu’il favorise le mouillage, l’agglomération et l’élimination de ces impuretés. Le fluxage à la lance, par SRIG ou par SRIF a lieu dans un four de coulée et les trois méthodes permettent de réduire de façon adéquate les concentrations de métaux alcalins dans les fontes d’aluminium. Le SRIG et le SRIF sont les deux procédés les plus fréquemment utilisés dans les centres de coulée d’aluminium parce qu’ils permettent d’obtenir un métal plus pur et de réduire les émissions de chlore. On prévoit que, dans un proche avenir, tous les centres de coulée adopteront le système rotatif d’injection de flux à mesure que les lois environnementales deviendront plus sévères. Cependant, aucun de ces procédés de fluxage ne permet de respecter les normes de propreté du métal désignées à la plupart des fins commerciales et certaines étapes supplémentaires de traitement sont nécessaires. Après avoir quitté le four de coulée, la fonte est transférée au dégazeur, où l’aluminium en fusion est soumis à de multiples rotors d’injection de gaz semblables à ceux utilisés dans le SRIG. Le procédé de dégazage vise à réduire par flottation le niveau d’hydrogène global dans la fonte fondu et il est appliqué dans un récipient fermé. Le gaz utilisé consiste en du chlore mélangé avec de l’azote ou de l’argon. La présence de chlore dans le gaz d’alimentation est très importante puisqu’il est impossible d’obtenir un faible niveau d’hydrogène sans le produit et que celui-ci iii déclenche l’élimination plus poussée des métaux alcalins. Les deux principaux défis auxquels sont confrontés les ensembles de dégazage actuellement en usage sont leur dépendance du chlore gazeux et les pertes élevées de fonte causées par la rétention de métal dans le récipient entre les coulées ou les changements d’alliage. À l’heure actuelle, il n’existe aucun substitut pour le chlore gazeux utilisé dans les pratiques de dégazage et, lorsqu’on utilise celui-ci dans les alliages d’aluminium-magnésium, il se forme de petites gouttelettes de chlorure de magnésium qui contaminent la fonte. La mise au point du dégazeur compact d’Alcan (DCA) a contribué à régler le problème de l’importante rétention de métal dans les dégazeurs normaux en permettant d’appliquer le procédé dans un système fermé de goulottes de coulée. La méthode s’adresse aux centres où l’on coule divers alliages et produits puisque la quantité de métal retenue dans le DCA est minime. La production d’impuretés de chlorure de magnésium, en même temps que la présence de petites particules ou films d’oxyde, a entraîné des variations sporadiques du niveau d’impuretés dans l’aluminium après le dégazage. Pour aider à prévenir ces impuretés, on utilise la filtration comme dernière étape de traitement avant la coulée de l’aluminium. Le filtre en mousse de céramique et le filtre à lit épais sont les deux filtres les plus souvent utilisés dans le traitement des alliages d’aluminium. Le filtre en mousse de céramique utilise une combinaison de filtration par sédimentation (de gâteau) et de filtration en profondeur pour retirer les petites impuretés de la fonte. Ce type de filtre est à usage unique et on l’enlève après chaque coulée. Cela en fait le filtre idéal pour les entreprises qui utilisent un certain nombre d’alliages différents pour fabriquer des produits moulés. Tant les dimensions du filtre que le coût d’investissement connexe sont faibles, ce qui en fait un filtre bien adapté aux opérations de coulée de faible envergure. Par ailleurs, les petites dimensions du filtre entraînent effectivement des inconvénients notables, notamment des vitesses élevées d’écoulement du métal, le peu de profondeur de la filtration et de grands pores. Ces trois facteurs contribuent tous à réduire l’efficacité du filtre. Les filtres à lit épais sont reconnus comme le moyen le plus efficace d’éliminer ou de réduire les inclusions fines dans les fontes d’aluminium. Ce sont de très grands filtres qui favorisent l’écoulement lent du métal en fusion et une bonne filtration en profondeur. Cependant, leurs dimensions, la dépense connexe et leur utilisation avec un seul alliage en font des filtres peu pratiques et peu économiques pour la plupart des petites fonderies. __________________________________________________________ iv TABLE DES MATIÈRES Page RÉSUMÉ i INTRODUCTION 1 ÉTAPES DU RAFFINAGE DE L’ALUMINIUM EN FUSION 2 FLUXAGE À base de sel Fluxage à la lance Système rotatif d’injection de gaz Système rotatif d’injection de flux 2 3 3 4 5 FLOTTATION 7 FILTRATION Théorie de la filtration 10 10 CONCLUSIONS 13 BIBLIOGRAPHIE 14 1 INTRODUCTION Au cours des trois dernières décennies, les utilisations de l’aluminium ont augmenté de façon remarquable à cause des progrès réalisés récemment dans le marché de l’automobile. En 1976, l’automobile nord-américaine moyenne contenait grosso modo 40 kg d’aluminium, tandis que, de nos jours, une automobile en contient près de 115 kg1. On prévoit que cette quantité continuera de croître à mesure que les alliages d’aluminium corroyé seront de plus en plus acceptés comme alternative aux panneaux de carrosserie en acier. Pour que les producteurs d’aluminium puissent respecter les exigences de performance de produit de plus en plus grandes de l’industrie automobile, il faut que le métal en fusion soit exempt de toute impureté, notamment de métaux alcalins (sodium, calcium et lithium), d’inclusions non métalliques et d’hydrogène dissous. Ces impuretés ont été une préoccupation majeure pour tous les centres de coulée d’aluminium au cours des 20 dernières années et elles ont nécessité la mise au point de divers nouveaux traitements de l’aluminium en fusion. Le métal de première fusion et le métal de seconde fusion représentent les deux principales sources de l’aluminium en fusion fourni aux centres de coulée pour traitement. Le métal en fusion obtenu par électrolyse s’appelle l’aluminium de première fusion, tandis que l’aluminium de seconde fusion provient d’une installation de recyclage ou de refonte. La différence fondamentale entre ces deux types d’aluminium, c’est la concentration de chaque type d’impureté présent dans la fonte durant les premières vérifications de la propreté du métal. L’aluminium de première fusion contient un niveau plus élevé de sodium, de carbure d’aluminium et d’inclusions non métalliques, lesquels sont associés aux importants ajouts d’agents d’alliage. L’aluminium recyclé a tendance à présenter des niveaux plus élevés d’hydrogène, de calcium et de grosses inclusions d’oxyde qui se forment durant l’exposition aux températures élevées utilisées pour la fonte de l’aluminium de seconde fusion. On trouvera dans le tableau 1 le sommaire des niveaux d’impuretés détectés dans l’aluminium, tant de première que de seconde fusion2. Tableau 1. – Niveaux d’impuretés dans l’aluminium, tant de première que de seconde fusion. Caractéristique Composition Première fusion > 99,7 % Hydrogène Métaux alcalins Na Ca Li Inclusions (échelle PoDFA) 0,1 à 0,3 ppm* * ppm – parties par million 30 à 150 ppm 2 à 5 ppm 0 à 20 ppm > 1 mm2/kg Al4C3 Seconde fusion Allié ou proche des spécifications de composition 0,2 à 0,6 ppm < 10 ppm 5 à 40 ppm < 1 ppm 0,5 < mm2/kg < 5 Al2O3, MgO, MgAl2O4 Al4C3, TiB2 __________________________________________________________ 2 La présence de ces impuretés dans l’aluminium entraîne une réduction draconienne des propriétés physiques du métal et c’est la raison pour laquelle il est essentiel de les réduire de façon dramatique, sinon de les éliminer complètement, pour respecter les exigences commerciales. ÉTAPES DU RAFFINAGE DE L’ALUMINIUM EN FUSION Dans l’industrie de l’aluminium, on utilise trois ou quatre étapes de traitement pour réduire ou éliminer les impuretés contenues dans l’aluminium en fusion : le creuset de prétraitement, le four de coulée, le dégazeur et le filtre. L’ordre des étapes de traitement est illustrée dans la figure 12. Dans le cadre des procédés, le fluxage, la flottation et la filtration sont les trois techniques utilisées pour raffiner complètement le métal d’aluminium en vue de l’étape finale de la coulée. Les trois techniques seront traitées plus en détail. Fig. 1 – Ordre des étapes du traitement de l’aluminium en fusion. Traduction du contenu de la figure 1 Electrolytic Cell = Cellule d’électrolyse Crucible = Creuset Pre-treatment = Prétraitement Melting Furnace = Four de fusion Casting Furnace = Four de coulée Degasser = Dégazeur Filter = Filtre Casting = Moulage par coulée FLUXAGE On utilise un flux réactif, soit un sel, soit du chlore gazeux, dans le creuset de prétraitement et le four de coulée pour éliminer les éléments alcalins et les autres inclusions de l’aluminium avant de le transférer dans le four de coulée. On effectue le fluxage de l’aluminium depuis le début du 19e siècle et l’opération est bien documentée3,4,5. L’objet général du flux est double : se fixer aux inclusions contenues dans la fonte, soit par réaction chimique directe, soit par mouillage, et 3 séparer les inclusions de l’aluminium en fusion, soit par flottation, soit par décantation au fond du four. Le flux peut être un solide, un liquide ou un gaz. À base de sel Les premiers raffinements de l’aluminium ont été effectués avec des flux à base de sel. Le chlorure de zinc et le chlorure d’aluminium ont été mentionnés6 comme les deux flux le plus souvent utilisés dans le traitement de l’aluminium en fusion. Ce sont les chlorures à base d’aluminium qui ont été utilisés le plus souvent puisqu’aucun élément étranger (c.-à-d. le zinc) n’était alors introduit dans la fonte. Ce type de fluxage avait lieu soit dans un pot en fer, soit dans un four à réverbère spécial. Dans les deux systèmes, on produisait un pied de bain d’aluminium en fusion très pur, après quoi on procédait au chargement du métal non purifié et on ajoutait le flux. Pour s’assurer d’un contact adéquat entre le flux et la fonte d’aluminium, on utilisait un puddler mécanique. Les améliorations technologiques apportées aux pratiques de brassage et à la conception des fours ont produit un grand nombre d’autres procédés de raffinage de l’aluminium qui prévoyaient l’utilisation de flux à base de sel. Au début des années 1980, Alcan International Ltée a procédé à la démonstration d’une nouvelle technique d’élimination des métaux alcalins de l’aluminium de première fusion, qu’on appelle communément le procédé TAC (traitement de l’aluminium en creuset). Le procédé est appliqué dans un récipient fermé, ce qui permet d’éviter la formation excessive d’écume. On saupoudre du fluorure d’aluminium (AlF3) sur la surface de la fonte pendant qu’un rotor de conception spéciale crée dans celle-ci un tourbillon qui présente des débits axial et radial tout particuliers. Cette façon de procéder assure une réaction très efficace du flux avec le métal tout en minimisant la turbulence à la surface et l’ingestion d’oxydes. La teneur finale en métaux alcalins, particulièrement le calcium et le sodium, n’est alors que de quelques parties par million et on constate une certaine amélioration de la réduction des impuretés non métalliques. L’application du procédé en vase clos permet d’éliminer pratiquement l’écumage puisque la production d’écume est minimale. L’utilisation de composés de fluorure a suscité de nombreuses inquiétudes, particulièrement en ce qui a trait à l’érosion du garnissage réfractaire et aux émissions de fluor produites par la projection de flammes directement sur la surface de l’écume. En outre, la combinaison d’un flux solide et d’une pratique de brassage traditionnelle ne permet pas de respecter les normes commerciales de propreté de la fonte et il faut effectuer un traitement supplémentaire. Fluxage à la lance C’est Hyatt7 qui le premier s’est rendu compte en 1901 des possibilités qu’offrait le chlore gazeux comme flux de remplacement. Ce n’est qu’à la fin des années 1920 qu’on a proposé une méthode servant à faire passer du chlore ou un gaz contenant du chlore à travers le métal en fusion à l’aide d’une lance statique8. En utilisant un gaz réactif, il était possible de réduire au moyen d’une seule opération de traitement les alcalis et les métaux alcalins, les inclusions non métalliques et la concentration d’hydrogène dans la fonte. Les mécanismes complexes du fluxage d’un four à l’aide de lances statiques et de chlore ont été examinés de façon approfondie9. Cela a __________________________________________________________ 4 mené à la quantification des effets précis du chlore sur la propreté de l’aluminium dans le cas d’un grand nombre d’alliages. Malheureusement, la méthode a souffert d’un brassage inadéquat, ce qui a rendu l’élimination des impuretés moins efficace. En ajoutant des lances statiques, des lances poreuses10 ou des tampons de quenouille11,12, on a légèrement amélioré le système de fluxage à la lance. Cependant, les difficultés rencontrées dans la fabrication des lances et le bouchage, de même que la faible efficacité des lances et des tampons, ont empêché l’industrie d’accepter ces façons d’aborder le fluxage. De plus, l’application de la modélisation métallurgique13 a montré que, dans l’hypothèse où le brassage est minimal, c’est la surface de contact gaz-liquide produite par le système d’injection de gaz qui est l’étape cinétiquement limitante du fluxage au chlore. Cela a motivé la recherche en vue de trouver un autre procédé de fluxage qui mettait l’accent sur l’amélioration du brassage de l’aluminium et de la cinétique du fluxage. Système rotatif d’injection de gaz Le système rotatif d’injection de gaz (SRIG), qui est muni de disperseurs de gaz à fort effet de cisaillement, a constitué la solution au problème mentionné plus haut. C’est au début des années 1990 qu’on s’est rendu compte des possibilités d’utilisation du système dans l’industrie de l’aluminium, mais ce n’est que tout récemment que son utilisation pour le fluxage des fontes d’aluminium s’est répandue. Non seulement le système augmente-t-il la surface de contact interfacial entre le métal liquide et le flux, mais il améliore également le brassage de la fonte. L’effet global consiste en une amélioration dramatique du taux d’élimination des alcalis (figure 29) qui, en plus de faire diminuer la durée du fluxage et d’améliorer la productivité, réduit de presque les deux tiers la consommation de chlore2. Fig. 2. – Taux d’élimination du calcium à l’aide de divers procédés de fluxage. Traduction du contenu de la figure 2 Fraction of Ca remaining = Fraction de Ca restante Static lance = Lance statique 5 Static lance and stirrer = Lance statique et agitateur Injection through a rotating impeller = Injection au moyen d’un impulseur rotatif Time (min) = Temps (min) La réduction de la consommation de chlore a également entraîné la diminution des émissions de chlore gazeux et de gaz hydrochlorique, ce qui a eu un effet positif sur l’environnement. Les émissions de gaz hydrochlorique sont un sous-produit de la réaction hydrolysée soit du AlCl3, soit du MgCl2, qui sont des impuretés souvent produites par le fluxage d’une fonte d’aluminium avec du chlore gazeux. Pour réduire encore plus l’utilisation de chlore dans le procédé SRIG, on a mis au point une méthode qui prévoit l’utilisation d’un mélange dilué de chlore dans un gaz porteur inerte, soit l’azote, soit l’argon5; on a donné à la méthode le nom de procédé Mixal. On peut également utiliser l’azote au lieu de l’argon, puisque la formation de nitrure d’aluminium n’a généralement pas lieu en présence de chlore. La teneur en chlore type peut varier d’un faible pourcentage à 50 %9. Le procédé Mixal a été mis au point par Pechiney Aluminum, en France, et il permet d’obtenir des réductions de métal alcalin de 87 et de 95 % dans le cas du sodium et du lithium, respectivement. Les premiers essais en usine à l’aide d’argon pur ont également démontré une réduction raisonnable de la teneur en métaux alcalins de la fonte, mais les pourcentages globaux étaient inférieurs à ceux obtenus à l’aide du mélange de chlore gazeux. On a procédé à des essais visant à cerner l’importance de la réduction obtenue à l’aide de l’argon et à déterminer s’il était possible d’utiliser un gaz exempt de chlore pour éliminer les métaux alcalins; on n’a toutefois trouvé aucune information supplémentaire. Système rotatif d’injection de flux Les restrictions accrues qui s’appliquent maintenant aux émissions environnementales ont nécessité le remplacement du chlore durant le fluxage dans un four. L’évolution des techniques relatives au système rotatif d’injection de flux (SRIF) a permis de remplacer le chlore gazeux par un flux à base de sel14,15,16. Le changement a permis de réduire de 95 %2 les émissions de chlore émanant des opérations de fluxage à la lance statique, tout en préservant ou en améliorant la propreté des fontes15. Le MgCl2 pur de catégorie industrielle qui a été fusionné à d’autres composés est un des types de flux à base de sel utilisés dans un SRIF. L’efficacité du MgCl2 en matière d’élimination des espèces alcalines a été déterminée par Celik et coll.9, qui ont constaté que tant la quantité éliminée que le taux d’élimination était proportionnel à la teneur en magnésium de la fonte d’aluminium. Les composés supplémentaires avaient pour objet d’abaisser le point de fusion du flux, de même que d’améliorer la collecte et la séparation des autres impuretés contenues dans la fonte. Lorsque le point de fusion est plus bas, la tension superficielle est plus faible et il y a moins de contact liquide-liquide entre le flux fondu et la fonte d’aluminium, ce qui améliore la cinétique du flux. Tout comme dans le cas des autres procédés d’injection de flux, les espèces alcalines sont éliminées de la fonte d’aluminium en venant en contact direct avec le MgCl2 et en réagissant pour former des chlorures alcalins qui remontent à la surface, là où ils s’accumulent dans l’écume. Le système rotatif utilisé pour l’injection de flux est très semblable à celui utilisé pour l’injection de gaz, en ce sens que les gouttelettes de sel sont cisaillées directement dès qu’elles sont libérées dans la fonte, ce qui augmente la surface active de réaction. Pour faciliter le déplacement du flux dans le système rotatif, on utilise un gaz porteur __________________________________________________________ 6 (habituellement l’azote). Encore une fois, l’utilisation d’azote ne favorise pas la formation de nitrure d’aluminium puisque les sels fondus ne produisent aucune écume « chaude ». Celle-ci est produite par la grande quantité de chaleur produite par la réaction exothermique entre certains flux et l’oxyde d’aluminium. La production d’une quantité moindre d’écume à la surface de la fonte est un autre avantage du système par rapport au fluxage à la lance. La turbulence réduite en surface durant l’injection de flux a été mentionnée comme le principal facteur de la diminution de l’accumulation d’écume15. L’élimination du chlore comporte certains autres avantages, notamment la réduction de la corrosion du matériel et des matériaux des bâtiments dans lesquels le chlore liquide est stocké en vrac, de même que la réduction du nombre de systèmes de sécurité requis pour le transport du chlore gazeux. D’après Béland et coll.15, le procédé a été implanté avec succès dans six usines différentes. Le fluorure d’aluminium (AlF3) est un autre exemple de flux à base de sel utilisé dans un système rotatif d’injection de flux4. La seule différence entre ce type de flux et celui de type MgCl2 décrit plus haut, c’est que l’AlF3 demeure à l’état solide tout au long du raffinage. Il a été démontré que l’utilisation d’AlF3 réduisait de façon très efficace la concentration d’impuretés consistant en métaux alcalins et en carbure d’aluminium. On a également constaté une réduction notable de la quantité d’écume enlevée de la fonte après injection de flux AlF3 à l’aide d’un impulseur rotatif. Une chute de température de 40 °C qui pourrait mener à la précipitation d’impuretés supplémentaires telles que le carbure d’aluminium est un inconvénient majeur lié à l’utilisation d’AlF3. En outre, des traces d’oxydes étaient encore présentes dans le métal après le raffinage. Ce type de système de fluxage est actuellement en usage dans une des usines d’Hydro Aluminum, en Norvège. Le procédé TAC est appliqué dans un creuset de prétraitement, tandis que le SRIG et le SRIF sont utilisés dans le four de coulée. Le creuset de prétraitement présente un rapport surface-volume relativement élevé. En outre, la fonte est brassée à une vitesse qui améliore la cinétique du procédé et accélère le traitement. Le creuset de prétraitement a pour objet de préparer l’aluminium à l’intention du four de coulée pour qu’il faille moins de temps pour réduire encore plus la teneur en impuretés. Cela devient de plus en plus important, puisque les centres de coulée sont maintenant obligés d’accepter beaucoup plus de métal de première fusion dans lequel le niveau des impuretés alcalines est plus élevé et beaucoup plus de déchets d’aluminium de qualité inférieure. Les métaux alcalins sont utilisés comme additifs importants dans l’électrolyte utilisée en rapport avec le procédé Hall-Heroult. En outre, le creuset de prétraitement a été mentionné comme endroit possible où effectuer de faibles ajouts de matière d’alliage17. Le four de coulée dont l’usage est le plus répandu dans l’industrie de l’aluminium est le modèle à réverbère chauffé aux combustibles fossiles, dans lequel la fonte est relativement peu épaisse et le rapport surface-volume, élevé. La forme du four vise à augmenter le transfert de chaleur et à améliorer la cinétique du procédé de fluxage. La mauvaise circulation de la fonte a toutefois engendré une importante variation de la température entre le haut et le bas du four, variation qui atteindrait 200 ºC2. Cet important gradient de température produit une fonte non homogène, surtout en ce qui a trait aux impuretés intermétalliques, qui peuvent soit se séparer par précipitation, soit se dissoudre de nouveau dans la fonte, selon la température à l’endroit où elles se trouvent dans le métal en fusion. Pour venir à bout du problème, on a mis au point des 7 techniques évoluées de brassage sous la surface qui contribuent à stabiliser la température dans tout le four de coulée; parmi ces techniques, on retrouve l’agitateur à jets pneumatiques et l’agitateur électromagnétique. La vue d’ensemble indique que le four de coulée n’est pas le modèle le plus efficace dans lequel procéder à des ajustements de produits chimiques, même avec les techniques de fluxage améliorées que sont le SRIG et le SRIF. Pour produire un métal qui respecte les exigences modernes de propreté, il faut encore recourir à d’autres étapes de traitement du métal. FLOTTATION La première étape de traitement qui suit le four de coulée s’appelle le dégazage, dans lequel on utilise un mélange d’argon et de chlore gazeux pour éliminer la majeure partie de l’hydrogène par flottation. Lorsque le métal entre en contact avec les bulles de gaz ascendantes, les atomes d’hydrogène se répandent à la surface des bulles, où ils se combinent pour former de l’hydrogène. Celui-ci s’accumule alors à l’intérieur des bulles et est transporté à l’extérieur du système lorsque les bulles atteignent la surface du métal. À la surface, les bulles éclatent et libèrent le mélange d’argon et d’hydrogène. Ce mécanisme d’élimination de l’hydrogène des fontes d’aluminium est illustré dans la figure 318. Fig. 3. – Élimination de l’hydrogène par les bulles de gaz dans un dégazeur. Traduction du contenu de la figure 3 In-line Degasser = Dégazeur en ligne Gas Bubbles = Bulles de gaz Rotary Injector = Injecteur rotatif Metal: Well-Mixed, Uniform H = Métal : bien mélangé, H uniforme Diffusion to Gas Bubble = Diffusion dans la bulle de gaz __________________________________________________________ 8 Pour empêcher l’hydrogène de rentrer dans le métal, on évacue le dégagement gazeux immédiatement. Comme l’élimination de l’hydrogène s’effectue de façon progressive20, on utilise habituellement deux dégazeurs rotatifs ou plus l’un à la suite de l’autre. Le faible pourcentage de chlore gazeux utilisé dans le procédé est essentiel à l’élimination complète de l’hydrogène, mais on ne sait toujours pas pourquoi il en est ainsi. Le chlore gazeux agit également de façon à éliminer les autres éléments alcalins contenus dans la fonte et la présence de petites bulles aide à éliminer les particules solides non métalliques par flottation. Le caractère unique du procédé réside dans la conception du four et du rotor. Le four consiste en un réacteur à cœur fermé à plusieurs étages classique qui utilise un ou plusieurs injecteurs rotatifs et est illustré dans la figure 420. Encore une fois, la conception de l’injecteur est telle que l’interface gaz-métal est maximisée. On applique le procédé en milieu fermé pour prévenir toute reprise en hydrogène provenant de la vapeur d’eau dans le centre de coulée et, dans les développements récents19, on a utilisé des gaz inertes au-dessus de la surface de la fonte pour aider à réduire la production d’écume et l’écumage, de même que pour réduire la collecte de particules dans les dépoussiéreurs à sacs filtrants. Certains des problèmes associés à la technique de dégazage actuellement en usage sont les suivants : 1. L’augmentation des dimensions du dégazeur à plusieurs étages fait qu’une grande quantité de métal est laissée à l’intérieur de l’ensemble entre les coulées et le changement d’alliage entraîne des pertes substantielles de métal. On estime que les pertes vont de une à trois tonnes d’aluminium par fournée20. 2. Les dimensions du dégazeur requièrent l’utilisation d’une grande surface dans le centre de coulée20 (celle-ci peut atteindre 15 m2) et le nouveau matériel de dégazage est passablement complexe et coûteux. 3. Les ensembles de dégazage sont complexes et d’entretien coûteux, à la fois en ce qui a trait à la dépense en capital et au temps d’indisponibilité requis pour réparer le système de chauffage électrique et le système hydraulique ainsi que les rotors et les récipients à garnissage réfractaire ou en graphite. Fig. 4. – Représentation schématique d’un ensemble de dégazage compact à rotors multiples. 9 Traduction du contenu de la figure 4 Metal level = Niveau du métal Metal inlet = Entrée du métal Metal outlet = Sortie du métal Casting trough = Goulotte de coulée Baffle = Chicane Gas injector = Injecteur de gaz Un système mis au point par Alcan International Ltée20,21,22 et axé sur un procédé à goulottes a abordé le problème de la rétention de métal au moment du changement d’alliage, qui constitue un problème durant les opérations de dégazage actuelles. Dans le système récemment breveté, la population de bulles est multipliée par un facteur de 10, ce qui crée une turbulence extrême au sein du four. La combinaison du trop grand nombre de bulles et de la turbulence excessive produit des taux d’élimination d’hydrogène comparables à ceux associés aux autres techniques prévoyant l’utilisation de buses à giration rapide. Comme le procédé a lieu en vase clos, la turbulence n’introduit aucun oxyde non désiré dans la fonte. Les deux plus gros avantages du système par rapport aux ensembles de dégazage actuels consistent en une réduction de 75 % des dimensions et en l’élimination des pertes substantielles d’aluminium durant les changements d’alliage. De plus, il est beaucoup plus facile d’accéder à l’intérieur du matériel pour en faire l’entretien que dans le cas des ensembles de dégazage actuels. Le procédé porte maintenant le nom de dégazeur compact Alcan (DCA), qui traite l’aluminium fondu dans la goulotte de coulée et s’adresse aux centres de coulée qui utilisent plusieurs alliages. La principale inquiétude que suscitent les dégazeurs actuels, c’est que l’utilisation de chlore dans le gaz inerte cause la formation de chlorure de magnésium dans le traitement des alliages d’aluminium-magnésium. Comme la concentration des métaux alcalins dans le dégazeur est relativement faible, les gouttelettes de chlorure de magnésium deviennent des impuretés dans l’aluminium. L’usage supplémentaire d’injecteurs rotatifs à cisaillement élevé produit de très petites inclusions de MgCl2 qu’il est difficile d’éliminer par flottation. Quand elles ne sont pas éliminées de la fonte, ces impuretés peuvent faire augmenter l’oxydation de la surface de la pièce coulée finale. Cela cause à son tour des problèmes substantiels pour les fabricants au moment de la production du produit voulu. La production de ces impuretés a mené à l’optimisation des niveaux de chlore dans le dégazeur; quand ils sont trop bas, ceux-ci peuvent entraîner une mauvaise élimination de l’hydrogène. On procède en ce moment à des travaux expérimentaux23,24 qui portent sur les façons d’éliminer les inclusions de chlorure de magnésium des ensembles de dégazage; les travaux reposent sur la coalescence des impuretés sur un bloc perforé et leur élimination par flottation. Malheureusement, aucune information sur l’évolution de ces techniques n’a été trouvée dans la documentation qu’on peut se procurer. Bien que l’élimination du chlore de tous les ensembles de dégazage profiterait à l’environnement, améliorerait la sécurité au travail et augmenterait la durée de vie utile du matériel, en plus de réduire les coûts d’entretien et la formation d’impuretés de chlorure de magnésium, elle ne peut avoir lieu sans que la propreté de l’aluminium soit mise en péril. À l’heure actuelle, on ne dispose d’aucun procédé exempt de chlore qui permet de dégazer efficacement les alliages d’aluminium de manière à obtenir la pureté exigée par la plupart des __________________________________________________________ 10 applications. Comme les impuretés de chlorure de magnésium se forment dans le procédé de dégazage et qu’elles ne sont pas éliminées efficacement, on doit recourir à une autre technique de raffinage pour obtenir un métal ayant la propreté appropriée. Dans l’industrie de l’aluminium, on utilise la filtration comme dernière étape de traitement pour nettoyer la fonte avant de la couler. FILTRATION Théorie de la filtration Deux mécanismes servent à éliminer par filtration les particules d’un flux liquide : la filtration par sédimentation (de gâteau) et la filtration en profondeur. L’élimination mécanique d’impuretés par la surface du filtre s’appelle la filtration par sédimentation. On a constaté qu’il était facile d’éliminer les inclusions d’un diamètre supérieur à 0,03 cm par filtration par sédimentation25 et, à mesure que les inclusions s’accumulent sur la surface du filtre avec le temps, elles s’agglutinent et forment un gâteau de filtration. La formation d’un gâteau améliore les capacités de filtration du filtre à mesure qu’on fait passer plus de métal à travers celui-ci. Par ailleurs, la filtration en profondeur est le mécanisme de filtration le plus souvent utilisé dans les pratiques standard de filtration industrielle. Ce type de filtration permet d’éliminer facilement les inclusions de moins de 0,03 cm de diamètre. La trajectoire de filtration est beaucoup plus longue et plus rigoureuse, ce qui augmente la probabilité que les inclusions se fixent sur le filtre. Il se peut que les particules qui entrent en contact avec les parois de l’appareil de filtration y adhèrent par un ou plusieurs des cinq mécanismes suivants : 1. la gravité, le frottement, 2. le confinement physique, 3. les liaisons chimiques, 4. les forces de Van der Waals, ou 5. les forces électrostatiques. Le degré d’efficacité d’un filtre dépend en grande partie des propriétés du métal fondu en cours de raffinage. Parmi ces propriétés, on retrouve le type, la grosseur, la forme, le nombre et la répartition des inclusions dans la fonte. Parmi les autres facteurs qui influent sur l’efficacité de la filtration, mentionnons le débit du métal ainsi que la surface active et l’épaisseur du filtre. Lorsque le débit est faible, l’efficacité de la filtration est meilleure à cause de la probabilité accrue de rétention d’impuretés. Plus la surface du filtre est grande, meilleure est la probabilité que les particules soient retenues sur la toile filtrante, ce qui améliore l’élimination des inclusions. Plus la trajectoire de transport des particules est longue, plus la probabilité est grande que celles-ci entreront en contact avec le milieu filtrant et seront extraites du liquide. Qui plus est, les filtres qui dépendent à la fois de la filtration de gâteau et de la filtration en profondeur permettent d’obtenir un produit mieux filtré que ne le font ceux qui dépendent d’un seul mécanisme. En outre, il faut éviter de se fier uniquement à la filtration de gâteau puisque cela mène à une réduction dramatique de l’écoulement du métal. Pour réduire l’importance de la filtration par sédimentation, le métal d’arrivée doit être le plus propre possible. 11 Bon nombre de types différents de filtre sont en usage dans l’industrie du traitement des métaux en fusion non ferreux. Ceux-ci sont résumés ci-dessous : Les noyaux-filtres constituent le type fondamental de filtre utilisé dans les descentes de coulée des moulages au sable standard. Ces filtres ont pour objet de réguler l’écoulement du métal en créant un léger obstacle et, ce faisant, ils empêchent les particules de passer en les retenant mécaniquement et en effectuant un peu de filtration par sédimentation. Les tamis en métal ou en fibre de verre servent à filtrer avec précision les particules mesurant plus de 0,1 cm. La maille d’acier et la toile de fibre de verre sont utilisées plus souvent pour filtrer les fontes d’aluminium, tandis qu’on utilise couramment la maille de molybdène pour le cuivre. Les filtres de ce type sont plans et généralement à usage unique. Les filtres à lit sont faits d’oxyde d’aluminium (Al2O3) en lit tabulaire et servent surtout à la filtration en grand volume de métal pour pièces coulées ou produits d’atelier. Ces filtres sont reconnus comme le moyen le plus efficace de réduire ou d’éliminer les inclusions fines présentes dans les fontes métalliques. Cependant, leurs dimensions, leur coût et le fait qu’on ne peut les utiliser que pour un seul alliage les rend peu pratiques et peu économiques pour une utilisation à grande échelle dans la plupart des applications de fonderie. De plus, les filtres à lit peuvent rendre l’écoulement turbulent, ce qui augmente la formation et la retenue d’oxyde durant la coulée. Les filtres à particules agglomérées sont faits de grains réfractaires d’oxyde d’aluminium ou de carbure de silicium qui ont réagi entre eux pour créer une structure rigide. Celle-ci donne une trajectoire de filtration du métal en fusion longue et complexe, ce qui permet d’obtenir une bonne filtration en profondeur. Les filtres à particules agglomérées contiennent environ 38 % de pores de grosseur variée et interconnectées25. Parmi les autres avantages, on retrouve une longue durée de vie utile, des gradients de température faibles et la possibilité de réutilisation. Ces filtres sont utilisés à la verticale entre le four de fusion et le four d’attente, et ils ont permis d’exécuter avec succès de nombreuses opérations de produits d’atelier, de fonderie et de coulée sous pression. La durabilité moyenne d’un filtre est de 500 tonnes25. Les filtres à cartouche sont par leur construction même identiques à l’échangeur de chaleur. Ils sont faits d’une calandre et de tubes, et ils offrent une grande surface active permettant le contact physique avec les inclusions contenues dans la fonte. Les pores sont habituellement petits, ce qui donne de très faibles débits. La pureté de la fonte résultante est toutefois élevée, ce qui fait des filtres à cartouche un élément essentiel de la fabrication de pièces coulées de qualité pour les industries du transport aérien et de l’électronique. On a éliminé des inclusions de taille inférieure à 0,005 cm avec une efficacité de 95 % ou plus à l’aide de ce type de filtre25. Les filtres en mousse de céramique sont les filtres les plus couramment utilisés dans le raffinage des métaux non ferreux pour produits moulés. Le procédé utilisé pour les fabriquer consiste à recouvrir de la mousse cellulaire de polyuréthanne réticulé d’une barbotine, après quoi on fait sécher et chauffer le tout pour éliminer la mousse25. Le produit final consiste en une enveloppe de céramique de la mousse initiale. Les matériaux céramiques utilisés pour la fabrication des filtres en mousse sont l’alumine, la zircone, la mullite et parfois l’oxyde chromique. La porosité __________________________________________________________ 12 du filtre est d’environ 75 % et la grosseur des pores varie dans tout le filtre25. Bien qu’on croie que le mécanisme principal est la filtration par sédimentation, il y a effectivement une certaine filtration en profondeur. Les filtres de ce type sont de forme plane, monocouche ou multicouche, et on les retrouve dans les industries de la coulée sous pression et de la fonderie. Les filtres sont largement utilisés depuis de nombreuses années dans le traitement des fontes d’aluminium comme protection contre les variations non contrôlées de procédés en amont, qui causent la formation soudaine d’impuretés. Les trois impuretés les plus répandues qui restent dans l’aluminium et sont éliminées par filtration sont le chlorure de magnésium, l’oxyde d’aluminium et le carbure d’aluminium. Les inclusions de chlorure de magnésium ne sont généralement présentes que dans les alliages d’aluminium-magnésium et elles sont le résultat de réactions avec le chlore gazeux utilisé dans les ensembles de dégazage. La formation excessive d’oxyde d’aluminium est le résultat d’une turbulence en surface et elle constitue une préoccupation majeure lorsqu’elle survient dans le matériel de transfert de métal utilisé dans un centre de coulée. En raison de l’utilisation de matériaux réfractaires incluant du graphite dans les procédés de traitement du métal, l’aluminium est constamment saturé de carbone et même une légère chute de la température de la fonte cause la précipitation des inclusions de carbure d’aluminium. L’élimination des impuretés dans les filtres d’aluminium est fondée sur la filtration en profondeur et doit se faire sur toute la longueur du filtre. Les impuretés sont éliminées de la fonte en étant soumises à une trajectoire longue et complexe sur toute la profondeur du filtre. Cela améliore les chances qu’elles entrent en contact avec et demeurent sur le milieu filtrant. Pour que son efficacité soit maximale, le filtre doit être fait d’un matériau non réactif qui est facilement mouillé par la fonte d’aluminium; de plus, ses pores sont petits et son épaisseur, importante, et il favorise donc l’écoulement lent du métal. Il est intéressant de noter que les facteurs qui améliorent l’efficacité d’un filtre ont tendance à en faire augmenter les dimensions, ce qui constitue une préoccupation majeure pour le centre de coulée à cause du manque d’espace disponible. L’utilisation de la filtration par sédimentation n’est pas intentionnelle dans l’industrie de l’aluminium, puisqu’il y a alors accumulation importante de matériau sur la surface du filtre et que celui-ci finit par se colmater. Les deux types de filtre les plus répandus dans l’industrie de l’aluminium sont les filtres en mousse de céramique et les filtres à lit épais. Les premiers sont des filtres à usage unique qui sont généralement de faibles dimensions et qu’il est possible de remplacer facilement après chaque coulée, ce qui est très important lorsqu’on change d’alliage. Leurs faibles dimensions constituent un avantage, puisque le filtre n’occupe alors que peu de surface dans le centre de coulée. Elles entraînent toutefois également une vitesse élevée d’écoulement du métal, la limitation de la profondeur de filtration et l’augmentation de la grosseur de pores réalisable, tous des facteurs dont la combinaison réduit l’efficacité globale du filtre. Les filtres à cartouche sont un autre type de filtre à usage unique utilisé dans l’industrie de l’aluminium. Les filtres à lit épais sont utilisés pour un certain nombre de coulées et traitent plusieurs centaines de tonnes d’aluminium avant d’être remplacés. Ces filtres présentent une grande surface de contact qui ralentit l’écoulement de l’aluminium et améliore ainsi l’efficacité de la filtration. Leurs grandes dimensions constituent un inconvénient majeur puisqu’elles entraînent une 13 importante rétention de métal et que la surface occupée est importante. De plus, leur adaptabilité médiocre aux changements d’alliage constitue une autre préoccupation et ne les rend pratiques que pour les centres de coulée qui traitent un faible nombre d’alliages en quantités massiques. L’objectif de la mise au point de procédés de filtration de métaux a toujours consisté à trouver le bon équilibre entre la propreté du métal requise et les coûts de filtration. Ces deux facteurs sont proportionnels l’un à l’autre puisque les fontes de plus grande pureté exigent l’utilisation de filtres de plus grandes dimensions, qui, à leur tour, sont très coûteux, non seulement à fabriquer, mais aussi à mettre en place dans un procédé de raffinage type. Pour trouver l’équilibre nécessaire, il faut allouer plus de temps et d’argent à la recherche sur la filtration en profondeur pour acquérir une meilleure compréhension des mécanismes à l’œuvre qui influent sur les performances des filtres. Ces connaissances sont essentielles à la conception de filtres plus efficaces qui pourront traiter des fontes à fortes teneurs en impuretés diverses, ce qui réduira la nécessité de recourir à des procédés de raffinage en amont supplémentaires. CONCLUSIONS Les conclusions qui suivent ont été formulées à partir de l’analyse de la documentation disponible. 1. L’industrie de l’aluminium utilise trois techniques différentes pour éliminer diverses impuretés des fontes : le fluxage, la flottation et la filtration. 2. Le fluxage de l’aluminium en fusion peut se faire soit à l’aide d’un sel, soit à l’aide d’un gaz dans un certain nombre de procédés différents. Les flux à base de sel, soit de chlorure de magnésium fondu, soit de fluorure d’aluminium fondu, sont utilisés dans les procédés SRIF et TAC, respectivement. Le procédé SRIF constitue la méthode à flux solide la plus efficace utilisée pour éliminer les impuretés alcalines, à cause de la conception spéciale de son système d’injection. De plus, les émissions de chlore associées à la méthode sont minimes, ce qui en fait le procédé de fluxage le plus écologique. Tandis que le SRIF se trouve dans le four de coulée, on peut appliquer le procédé TAC avant cette étape, dans un creuset de prétraitement, quand le matériau de base est extrêmement sale. Le procédé TAC utilise l’ajout de fluorure d’aluminium et un rotor unique pour nettoyer la fonte des impuretés alcalines et oxydes grossières. 3. Le chlore est le seul flux gazeux utilisé dans le traitement de l’aluminium; il est parfois dilué avec de l’azote ou de l’argon. Le gaz est transféré à la fonte d’aluminium par une lance statique ou un système rotatif d’injection de gaz (SRIG), ce qui fait que le chlore interagit avec les impuretés alcalines, soit directement, soit indirectement. Le SRIG est la technique à flux gazeux la plus efficace à cause de son aptitude à produire une population beaucoup plus élevée de petites bulles et de les faire circuler dans toute la fonte. En outre, les consommations de chlore liées à l’utilisation d’un injecteur rotatif de gaz sont beaucoup plus faibles que celles liées aux procédés à lance statique. __________________________________________________________ 14 4. L’avantage du SRIF par rapport au SRIG tient au fait que le premier élimine le besoin d’utiliser du chlore gazeux et réduit les émissions de chlore et de gaz contenant du chlore, tout en permettant d’obtenir le même niveau de propreté de la fonte. Peu importe le procédé utilisé, il est toujours nécessaire de procéder à un traitement plus poussé de la fonte pour amener la pureté du métal à des niveaux acceptables pour les consommateurs. 5. Le dégazage sert à abaisser la concentration d’hydrogène dans la fonte et, pour ce faire, on soumet le métal en fusion à un certain nombre de rotors séquentiels d’injection de gaz dans un récipient fermé. Les rotors sont semblables à ceux utilisés dans les SRIG normaux et le gaz consiste en du chlore dans un gaz porteur (azote ou argon). À l’heure actuelle, il n’existe aucune alternative à l’utilisation de ce produit dans les ensembles de dégazage de l’aluminium, ce qui entraîne une consommation élevée de chlore et la formation de petites impuretés de chlorure de magnésium. Alcan a mis au point la technique DCA de dégazage de l’aluminium dans de petites goulottes de coulée, ce qui réduit la quantité de métal retenue dans le récipient entre les coulées ou les changements d’alliage par rapport à la quantité associée aux procédés de dégazage actuellement en usage. 6. En raison de la rétention de petites inclusions de chlorure de magnésium, de même que de petits oxydes dans l’aluminium après le dégazage, la filtration est la dernière technique de traitement requise pour obtenir la propreté nécessaire à la coulée. Les filtres à lit épais sont le type de filtre le plus souvent utilisé dans l’industrie de l’aluminium et ce sont ceux qui permettent d’obtenir la meilleure qualité de produit. Leur utilisation n’est toutefois économique que dans les opérations de coulée de masse puisque leurs dimensions exigent une surface et un investissement de capitaux importants. L’alternative pour les petits centres de coulée, c’est le filtre en mousse de céramique. Les filtres de ce type sont beaucoup plus petits et on peut les introduire directement dans tout procédé. Ils conviennent bien aux centres où l’on coule divers alliages puisqu’il est facile de les changer. BIBLIOGRAPHIE 1. Gesing and R. Wolanski, « Recycling Light Metals from End-of-Life Vehicles », JOM, (2001), p. 21-23. 2. P. Waite, « A Technical Perspective on Molten Aluminum Processing », Light Metals, (2002), p. 842. 3. G. Dubé et V. Newberry, « TAC-A Novel Process for the Removal of Lithium and other Alkalis in Primary Aluminum », Light Metals, (1990), p. 991-1003. 4. Rasch, E. Myrbostad et K. Hafas, « Refining of Potroom Metal Using the Hydro RAM Crucible Fluxing Process », Light Metals, (1998), p. 851-854. 5. F. Achard et C. Leroy, « Pre-treatment in Potlines Crucibles: The Mixal Process », Light Metals, (1990), p. 765-768. 15 6. J. Edwards, F. Frary et Z. 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