Processus de purification de l'aluminium

La production d'aluminium de haute pureté repose sur une approche à trois niveaux : le dégazage rotatif pour éliminer l'hydrogène, l'injection de flux pour séparer les métaux alcalins et les oxydes, et la filtration sur mousse céramique pour capturer physiquement les inclusions solides.

Pour obtenir une coulée sans défaut, il faut respecter scrupuleusement ces étapes dans la salle de coulée. Sans purification efficace, la matière fondue souffre de porosité et de faibles propriétés mécaniques. La norme industrielle consiste à placer une unité de dégazage en ligne entre le four de maintien et la table de coulée. Cette unité introduit des gaz inertes comme l'azote ou l'argon qui se lient à l'hydrogène. Simultanément, des filtres à mousse céramique (CFF) utilisant des mécanismes de filtration en lit profond piègent les particules non métalliques de la taille d'un micron. La mise en œuvre de ce système intégré garantit la conformité aux normes de qualité ASTM et réduit considérablement les taux de rebut dans le traitement en aval.

Le besoin critique de purification dans la métallurgie moderne

L'aluminium brut sortant de la fonderie ou du four de recyclage est rarement assez propre pour des applications haut de gamme telles que l'aérospatiale, l'automobile ou la fabrication de feuilles. La matière fondue contient des ennemis qui compromettent l'intégrité structurelle.

Les opérateurs sont confrontés à trois contaminants principaux :

1. Gaz hydrogène : Le seul gaz soluble dans l'aluminium liquide. Il provoque des porosités (trous d'épingle) lors de la solidification.

2. Films d'oxyde (crasse) : L'aluminium réagit instantanément avec l'oxygène, créant des films qui affaiblissent la continuité du métal.

3. Métaux alcalins : Des éléments comme le sodium (Na), le lithium (Li) et le calcium (Ca) qui réduisent la ductilité.

ADtech se concentre sur des solutions d'ingénierie qui traitent ces contaminants spécifiques. Si vous sautez l'étape de la purification, vous risquez de voir votre produit échouer. Une seule inclusion d'oxyde peut provoquer une déchirure dans un film de faible épaisseur ou une fissure dans une roue en alliage.

Mécanisme d'absorption de l'hydrogène

L'humidité est la principale source d'hydrogène. Elle provient de l'air humide, d'outils humides ou de réfractaires incomplètement séchés. Lorsque la vapeur d'eau (H2O) touche l'aluminium en fusion (Al), une réaction se produit :

L'hydrogène atomique se diffuse dans la matière fondue. Lorsque le métal se refroidit, la solubilité de l'hydrogène diminue considérablement, ce qui force le gaz à sortir de la solution et à former des bulles. Nous devons éliminer ce gaz avant que le métal ne gèle.

Technologies de purification primaire

L'affinage de l'aluminium en fusion n'est pas une étape unique. Il s'agit d'une séquence d'opérations. Nous examinerons les technologies de base utilisées dans le monde entier et par ADtech pour garantir la propreté de la fonte.

1. Systèmes de dégazage rotatifs

Le dégazage rotatif est le moyen le plus efficace d'éliminer l'hydrogène. Ce procédé fait appel à un rotor en rotation et à un arbre immergé dans la matière fondue. Le système injecte un gaz inerte (argon ou azote) à travers l'arbre.

Le rotor en rotation découpe les grosses bulles de gaz en millions de minuscules microbulles. Cela augmente considérablement la surface de l'appareil.

Comment cela fonctionne-t-il ?

• Diffusion : Les atomes d'hydrogène présents dans la matière fondue sont attirés par la faible pression partielle à l'intérieur des bulles de gaz inerte.

• Flottation : Les bulles remontent à la surface, entraînant l'hydrogène vers l'extérieur.

• Suppression de l'inclusion : Les bulles s'attachent également aux particules d'oxyde, les faisant flotter jusqu'à la couche d'écume pour l'écrémage.

Les unités de dégazage ADtech utilisent des rotors optimisés pour éviter les vortex. Un tourbillon peut aspirer les crasses de surface dans la matière fondue, ce qui va à l'encontre du but recherché.

2. Injection de flux (Fluxing)

Le fluxage consiste à ajouter des sels chimiques à la matière fondue. Alors que l'ajout manuel était courant dans le passé, les lignes modernes utilisent des machines d'injection automatisées. Ces machines injectent un mélange précis de flux granulé et de gaz inerte dans le bain de fusion.

Fonctions de flux :

• Agent mouillant : Il modifie la tension superficielle, ce qui permet à l'aluminium piégé dans l'écume de retourner dans le bain.

• Nettoyage chimique : Certains flux réagissent avec le calcium ou le sodium pour les éliminer.

• Nettoyage des murs : Les flux exothermiques permettent de maintenir les parois des fours exemptes d'accumulation de corindon.

3. Filtration sur mousse céramique (CFF)

La filtration est le dernier garde-fou. Placée juste avant la table de coulée, la boîte à filtre abrite le filtre en mousse céramique. ADtech est spécialisée dans la fabrication de CFF, utilisant des matériaux à haute teneur en alumine ou en carbure de silicium liés au phosphate.

Le filtre fonctionne selon deux mécanismes :

• Filtration du gâteau : Les grosses particules sont bloquées à la surface du filtre.

• Filtration en profondeur : Les particules plus petites sont piégées dans le chemin tortueux de la structure interne du filtre en raison de la gravité, de la friction et de l'affinité chimique.

Sélection des paramètres de filtration corrects

Le choix du bon filtre relève de l'ingénierie et non de la devinette. La mesure utilisée est le PPI (Pores par pouce). Un PPI plus élevé signifie une filtration plus fine mais nécessite une pression de tête métallique plus élevée pour démarrer le flux.

Matrice de sélection des filtres

Le tableau suivant fournit des données concernant la sélection des filtres en fonction de l'application.

Type d'application	PPI recommandé	Matériau du filtre	Objectif principal
Billets d'extrusion standard	30 - 40 PPI	Alumine / SiC	Élimine les oxydes importants et prévient les lignes de découpe.
Moulage automobile (roues)	40 - 50 PPI	Carbure de silicium	Éliminer les inclusions qui provoquent des fissures.
Alliages pour l'aérospatiale	50 - 60 PPI	Haute teneur en alumine	Pureté maximale pour la résistance à la fatigue.
Can Body Stock	50 PPI	Alumine	Empêchent les déchirures lors du roulage.
Roulage de feuilles (épaisseur fine)	60+ PPI	Haute teneur en alumine	Aucun trou d'épingle n'est nécessaire.

Note : Les ingénieurs d'ADtech recommandent de préchauffer la boîte à filtre pour éviter les chocs thermiques qui peuvent fissurer la céramique.

L'interaction du dégazage et de la filtration

Les opérateurs demandent souvent s'ils peuvent se contenter d'une seule de ces étapes. La réponse est non. Elles fonctionnent en tandem.

Si vous filtrez sans dégazer, le métal présentera toujours une porosité d'hydrogène. Si vous dégazez sans filtrer, les inclusions passeront à travers. En fait, l'unité de dégazage agglomère souvent les petites inclusions en amas plus importants. Le filtre en aval capture alors facilement ces amas.

Stratégie de placement :

La disposition standard d'une ligne de coulée est la suivante :

1. Fourneau.

2. Blanchir.

3. Unité de dégazage ADtech.

4. Boîte à filtres ADtech (CFF).

5. Table de coulée.

Cet ordre est essentiel. Le dégazage crée des turbulences. Vous voulez que ces turbulences se produisent avant le filtre afin que le flux soit laminaire (lisse) lorsqu'il pénètre dans le moule.

Optimiser le processus : Débits et vitesses de rotation

Le succès réside dans les détails. Faire fonctionner une unité de dégazage à vitesse maximale n'est pas toujours préférable. Une vitesse excessive crée des turbulences à la surface, exposant le métal frais à l'oxygène atmosphérique.

Paramètres opérationnels recommandés

Paramètres	Gamme standard	Impact de l'écart
Vitesse du rotor (RPM)	350 - 550 RPM	Un niveau trop élevé crée des scories ; un niveau trop bas réduit la dispersion des bulles.
Débit de gaz (L/min)	15 - 25 L/min	Une valeur trop élevée entraîne une “ébullition” ; une valeur trop faible ne permet pas d'éliminer le H2.
Température du métal	700°C - 750°C	Les températures basses colmatent les filtres ; les températures élevées augmentent l'absorption de H2.
Préchauffage du filtre	15 - 20 minutes	L'absence de préchauffage entraîne l'obstruction du filtre par du métal gelé.

Les opérateurs doivent calibrer ces paramètres en fonction du type d'alliage. Les alliages de la série 5000 (haute teneur en magnésium) se comportent différemment de ceux de la série 6000 (magnésium-silicium).

Étude de cas : Amélioration du rendement dans le Michigan, États-Unis

Lieu : Installation de moulage sous pression pour l'industrie automobile, Michigan

Date : Février 2023

Le défi du client :

Un fournisseur de niveau 1 de plateaux de batteries pour véhicules électriques a été confronté à un taux de rejet de 8,5%. Les défauts ont été identifiés comme des inclusions d'oxyde et des porosités d'hydrogène. Les pièces ont échoué aux tests d'étanchéité à la pression. L'usine n'utilisait que des filtres à maille simple et un fluxage manuel.

La solution ADtech :

Nous avons déployé une amélioration globale de l'épuration.

1. Installation : Remplacement de la section de lavage pour accueillir une unité de dégazage en ligne ADtech (conception compacte à double rotor).

2. Filtration : Installation d'une boîte de filtration à deux étages utilisant des filtres en mousse céramique de 40 PPI suivis de 50 PPI.

3. Changement de processus : Passage du fluxage manuel à l'injection automatisée dans la chambre de dégazage.

Les résultats :

Après une période d'essai de 30 jours, les données ont montré une amélioration significative.

• Réduction de la ferraille : Le taux de rejet est passé de 8,5% à 1,2%.

• Indice de densité : Amélioration de 8% à moins de 1,5% (indiquant une faible teneur en hydrogène).

• RCI : La réduction des coûts de refonte a permis d'amortir la modernisation de l'équipement en quatre mois.

Chimie de flux avancée

Le flux n'est pas un simple sel. Il s'agit d'un outil chimique sophistiqué.

1. Couvrir les flux :

Utilisé dans le four. Il flotte au-dessus de la matière fondue pour créer une barrière contre l'air. Cela empêche l'oxydation.

2. Flux d'écume :

Ajouté avant l'écrémage. Il crée une réaction exothermique (chaleur) qui sépare l'aluminium précieux de la peau oxydée (crasse). Cela permet de ne jeter que des déchets et non du bon métal.

3. Flux de nettoyage :

Injecté dans la masse fondue. Il aide à soulever les inclusions vers le haut. ADtech fournit des flux granulaires exempts de sodium pour les alliages où le sodium est un contaminant (comme les alliages à haute teneur en magnésium).

Injection de flux ou ajout manuel

L'addition manuelle est incohérente. Un opérateur peut en ajouter trop, un autre pas assez. L'injection garantit une distribution homogène. Le gaz porteur (azote) aide à disperser le flux dans toute la profondeur du bain.

Entretien et longévité des équipements d'épuration

Les performances de l'équipement se dégradent si l'on n'en prend pas soin. Le rotor d'une unité de dégazage est un consommable. Il est généralement fabriqué en graphite ou en nitrure de silicium.

Contrôles d'entretien courants :

• Érosion du rotor : Le graphite s'oxyde avec le temps. Une tête de rotor érodée perd sa géométrie et ne parvient plus à cisailler efficacement les bulles. Vérifier les dimensions chaque semaine.

• Éléments chauffants : Dans le caisson de filtration, des radiateurs électriques maintiennent la température. Si l'un d'eux tombe en panne, le métal risque de geler.

• Intégrité du sceau : Les joints autour de la plaque filtrante doivent être étanches. Si le joint est défectueux, le métal passe à travers le filtre, ce qui rend le processus inutile.

Tableau d'espérance de vie

Composant	Matériau	Durée de vie estimée
Rotor de dégazage	Nitrure de silicium	6 - 12 mois
Rotor de dégazage	Graphite	3 - 6 semaines
Tube de protection du chauffage	SiC	6 - 12 mois
Filtre en mousse céramique	Alumine	Usage unique (jetable)
Blanchisserie/Linguage	Réfractaire	1 - 2 ans

Remarque : le nitrure de silicium est plus coûteux au départ mais offre une longévité supérieure à celle du graphite.

Le rôle des raffineurs de céréales

Alors que la purification élimine les mauvais éléments, l'affinage du grain ajoute de bons éléments. Souvent ajoutés juste après l'unité de dégazage, les affineurs de grain (généralement des barres de titane-bore) déterminent la microstructure de l'aluminium.

Une structure de grain fine et équiaxe permet au moulage de mieux s'écouler et de résister à la fissuration. Les systèmes d'alimentation ADtech peuvent automatiser l'ajout de fil d'AlTiB afin d'assurer une granulométrie constante dans l'ensemble de la coulée.

Considérations environnementales en matière d'épuration

La purification moderne de l'aluminium doit être écologique. Les anciennes méthodes utilisant le chlore gazeux pour le dégazage sont dangereuses et illégales dans de nombreuses juridictions.

L'approche ADtech de la durabilité :

• Sans chlore : Nous utilisons de l'azote ou de l'argon, qui sont sûrs et abondants.

• Crasse réduite : Un fluxage efficace réduit la quantité d'aluminium mise en décharge sous forme de scories.

• Efficacité énergétique : Nos boîtes à filtres utilisent une isolation à haut rendement, ce qui réduit l'énergie nécessaire pour maintenir le métal chaud.

La réduction de la ferraille est la plus grande contribution à l'environnement. Chaque tonne de ferraille qui doit être refondue consomme d'énormes quantités de gaz naturel et d'électricité. Faire les choses correctement du premier coup est la stratégie écologique par excellence.

Nuances techniques

Pour bien comprendre la processus de purification de l'aluminium, Il faut donc examiner les défauts spécifiques.

Inclusions : Il s'agit de particules non métalliques. Il peut s'agir d'oxydes (films), de carbures ou de borures. Les inclusions dures endommagent les outils d'usinage à un stade ultérieur du processus.

Élimination de l'alcali : l'élimination du calcium est vitale pour la production de feuilles. Même des quantités infimes entraînent la rupture de la feuille lors du laminage.

Qualité métallurgique : Il s'agit de la propreté générale. Des outils tels que le PoDFA (Porous Disc Filtration Apparatus) ou les mesures Prefil permettent aux ingénieurs de quantifier la propreté. L'équipement ADtech aide les installations à obtenir des courbes Prefil supérieures.

Lors de la recherche de casthouse solutions, Les gestionnaires devraient donner la priorité aux systèmes modulaires. Une unité de dégazage modulaire peut être installée sur des lignes existantes sans nécessiter de travaux de génie civil importants.

Dépannage des problèmes courants de purification

Même avec le meilleur équipement, il peut y avoir des problèmes. Voici une matrice de dépannage pour les opérateurs de casthouses.

Problème : Niveaux élevés d'hydrogène après dégazage

• Cause : Jour de forte humidité ?

• Cause : Vitesse du rotor trop faible ?

• Cause : Fuite de gaz porteur ?

• Fixer : Augmenter légèrement le débit de gaz, vérifier l'étanchéité des conduites de gaz, s'assurer que le rotor n'est pas usé.

Problème : Blocage du filtre (gel)

• Cause : Température du métal trop basse.

• Cause : Préchauffage insuffisant de la boîte à filtres.

• Fixer : Vérifier la température du four. S'assurer que les éléments chauffants de la boîte à filtre sont actifs 30 minutes avant la coulée.

Problème : Inclusions dans le produit final

• Cause : Dérivation du filtre (mauvais joint).

• Cause : Lavage sale après le filtre.

• Fixer : Inspecter le joint d'expansion sur le CFF. Nettoyer rigoureusement les laveurs.

Foire aux questions (FAQ)

Voici les principales questions posées par les responsables des caseries et les métallurgistes concernant le processus de purification.

1. Quelle est la méthode la plus efficace pour éliminer l'hydrogène dans l'aluminium ?

Le dégazage rotatif à l'aide d'un gaz inerte comme l'argon ou l'azote est la norme dans l'industrie. Il transporte physiquement l'hydrogène hors de la matière fondue par le biais de la flottation des bulles.

2. Pourquoi le flux est-il injecté au lieu d'être jeté sur le dessus ?

L'injection permet au flux d'entrer en contact avec l'ensemble du volume de métal, et pas seulement avec la surface. Cela améliore l'efficacité de la réaction et réduit la quantité de flux nécessaire.

3. À quelle fréquence dois-je remplacer le filtre en mousse céramique ?

Les CFF sont des articles à usage unique. Vous devez les changer après chaque lancer ou lorsque la chute de pression devient trop importante, ce qui indique un blocage.

4. Puis-je utiliser de l'azote au lieu de l'argon pour le dégazage ?

Oui, l'azote est moins cher et largement utilisé. Cependant, pour certains alliages de haute technologie ou lors de l'utilisation de lithium, l'argon est nécessaire car l'azote peut réagir pour former des nitrures.

5. Quelle est la différence entre l'IPP et le maillage ?

PPI désigne les pores par pouce d'un filtre en mousse. Le terme "maille" fait référence aux grilles métalliques. 30 PPI est une grosseur standard ; 60 PPI est une grosseur fine. Un PPI plus élevé permet de capturer des particules plus petites.

6. Comment ADtech s'assure-t-elle que la boîte à filtres ne refroidit pas le métal ?

Les caissons de filtration ADtech sont revêtus de matériaux réfractaires avancés et souvent équipés d'un couvercle chauffant pour maintenir l'équilibre thermique.

7. Qu'est-ce qui crée des scories dans le four ?

Les crasses se forment lorsque l'aluminium réagit avec l'oxygène de l'air. Les turbulences et les températures élevées accélèrent cette réaction.

8. Le chlore gazeux est-il encore utilisé pour la purification ?

Il est rare en raison de sa toxicité et des réglementations environnementales. Certaines installations utilisent un mélange d'azote 90% et de chlore 10%, mais les gaz purement inertes sont préférés pour des raisons de sécurité.

9. Que se passe-t-il si la vitesse du rotor est trop élevée ?

Il crée un tourbillon qui aspire les scories de surface et l'air dans la fonte, ce qui détériore la qualité. Il use également le rotor plus rapidement.

10. La purification peut-elle éliminer le fer de l'aluminium ?

Le fer est dissous chimiquement dans l'aluminium. La filtration et le dégazage ne peuvent pas éliminer les éléments dissous comme le fer ou le manganèse ; ils n'éliminent que les solides et les gaz.

Dernières réflexions sur la qualité de la fonte

Le processus de purification de l'aluminium définit la valeur de votre produit final. Que vous couliez des billettes, des brames ou des lingots, la présence d'hydrogène et d'inclusions n'est pas négociable : ils doivent disparaître.

ADtech fournit le matériel et l'expertise nécessaires pour garantir cette qualité. En combinant un dégazage rotatif efficace avec une injection précise de flux et une filtration céramique en lit profond, nous aidons les fonderies à atteindre les normes mondiales. Le coût de la purification ne représente qu'une fraction du coût d'une expédition rejetée.

En investissant dans les technologies ADtech, vous vous assurez que votre métal est propre, que vos clients sont satisfaits et que vos bacs à ferraille restent vides.