Les systèmes de filtres tubulaires ou à cartouche offrent une surface de filtration très élevée par unité de volume, ce qui permet de capturer efficacement les inclusions microniques et de stabiliser le flux dans les moules ; lorsqu'ils sont spécifiés avec le bon média, la pratique de préchauffage et la conception du boîtier, les systèmes à cartouche éliminent les particules jusqu'à environ 5 μm ou moins, prolongent la durée de vie par rapport à certains filtres de surface et fournissent une solution compacte et modulaire pour les fonderies qui ont besoin d'une propreté fiable et reproductible de la matière fondue.

Présentation du produit et utilisation prévue

Le filtre tubulaire ou à cartouche est une solution de filtration en casier qui utilise des éléments filtrants cylindriques installés à l'intérieur d'un boîtier alimenté par pression ou par gravité. L'aluminium en fusion traverse la paroi de la cartouche filtrante et le média poreux interne, de sorte que les particules sont capturées à la fois à la surface et dans la profondeur de l'élément. Ces systèmes conviennent aux transferts du four à la poche, de la poche à la coulée, ou aux applications en ligne par gravité, à basse pression ou dans certaines lignes semi-continues. Les boîtiers à cartouches conviennent bien aux fonderies qui ont besoin de modularité, d'un remplacement rapide des éléments et d'une surface de filtration spécifique élevée.

Fonctionnement de la filtration tubulaire / à cartouche

Double mécanisme : capture en surface et en profondeur

Les cartouches retiennent généralement les grosses particules sur la surface extérieure et les particules plus fines dans la matrice poreuse interne. Le flux métallique se déplace radialement à travers la paroi du tube, de sorte que le chemin de filtration effectif est relativement long, ce qui augmente la probabilité de capture des petites inclusions.

Conditionnement du débit et perte de charge

Comme de nombreuses cartouches utilisent une porosité graduelle des couches externes aux couches internes, l'élément conditionne le flux d'entrée turbulent en un profil plus stable à la sortie. Les concepteurs équilibrent la porosité et la surface afin de limiter la perte de charge pour une hauteur de coulée et un débit donnés.

Les principales variables de performance sont le diamètre extérieur de l'élément, l'épaisseur de la paroi, l'indice PPI du média ou l'indice de porosité équivalent, et la surface de filtration active totale par logement. La conception pratique utilise plusieurs cartouches parallèles pour gérer la perte de charge et la durée de vie.

Pourquoi choisir les systèmes tubulaires / à cartouches

Avantages

• Surface de filtration très élevée dans un encombrement compact, permettant d'utiliser des médias plus fins sans perte de charge excessive.

• Remplacement modulaire, permettant de changer rapidement de cartouche et de réduire les temps d'arrêt dans de nombreuses lignes.

• Convient bien aux lignes automatisées ou semi-automatisées où le changement de cassette et le changement de format peuvent être conçus.

• Possibilité de combiner plusieurs types de supports dans une seule cartouche pour une capture échelonnée, ce qui améliore la propreté générale.

Limites et considérations

• Les boîtiers des cartouches doivent être bien étanches pour éviter les dérivations ; une mauvaise étanchéité annule les avantages de la filtration.

• Certains supports de cartouches ont une tolérance limitée aux chocs thermiques ; la pratique du préchauffage est obligatoire.

• Pour les déversements de volumes extrêmement élevés, la perte de charge peut devenir limitante, à moins que la surface de la cartouche ne soit dimensionnée en conséquence.

Supports de cartouches typiques et leurs propriétés

Les éléments de cartouche peuvent être fabriqués à partir de céramiques expansées, de produits granulaires liés, de feutre fritté ou de carbure de silicium lié. Les facteurs de sélection comprennent la compatibilité chimique, la résistance aux chocs thermiques, la résistance mécanique et la distribution des pores.

Tableau 1 : Options de supports de cartouches courantes

Les références indiquent que les systèmes à cartouche permettent d'obtenir un média filtrant plus fin pour un débit donné en raison de leur surface de contact élevée.

Configurations typiques et conseils de dimensionnement

Les cartouches sont disponibles en version monotube, multitube et duplex. Le dimensionnement nécessite d'adapter la surface de filtration cumulée à la masse de la coulée, à la perte de charge autorisée et à la hauteur de la coulée.

Tableau 2 : Points de départ du dimensionnement

Le dimensionnement doit commencer par un essai et des comptages RPT ou d'inclusion pour affiner le nombre d'éléments et la porosité. Les directives de l'industrie insistent sur la nécessité de tester les alliages et la géométrie des pores.

Installation, préchauffage et mise en service

Préchauffage et conditionnement thermique

Les éléments et les boîtiers des cartouches doivent être préchauffés pour éliminer l'humidité et éviter les chocs thermiques. La pratique typique de préchauffage comprend le réchauffement contrôlé de l'élément et du boîtier jusqu'à des températures proches de la fusion avant le premier contact avec le métal en fusion. L'absence de préchauffage peut entraîner des fissures et des explosions de vapeur.

Scellement et assise

Un joint robuste ou un joint réfractaire autour de chaque face de la cartouche est essentiel pour empêcher le contournement du métal. Utiliser des joints haute température qui se compriment uniformément et permettent la dilatation thermique. S'assurer que les embouts des cartouches et les interfaces du boîtier sont exempts de débris avant l'installation.

Tests de mise en service

• Essai de base de la pression réduite (RPT) et comptage des inclusions avant l'installation.

• Coulées d'essai avec des instruments enregistrant le taux de coulée et la pression différentielle à travers le boîtier.

• Confirmer l'absence de contournement par des contrôles visuels et un échantillonnage métallographique des pièces coulées.

Mesures de performance et vérification

Principaux indicateurs de performance à surveiller :

• Nombre d'inclusions et distribution des tailles à partir de coupes métallographiques.

• Améliorations de l'essai de pression réduite, enregistrées avant et après la filtration.

• Pression différentielle dans le logement, enregistrée par coulée, pour établir les seuils de remplacement.

• Rendement de l'usinage en première passe et taux de rebut.

Pour faciliter les décisions d'achat, demandez aux fournisseurs les courbes de perte de charge, les fluides recommandés et les données d'essais en atelier pour votre alliage.

Entretien, durée de vie des éléments et pièces de rechange

Tableau 3 : Calendrier d'entretien recommandé

La durée de vie des éléments dépend de la charge d'inclusion et du PPI. Conservez au moins une banque de réserve complète par ligne critique afin d'éviter les interruptions de production.

Considérations relatives à la sécurité, à l'environnement et à la réglementation

• Préchauffer dans un environnement contrôlé pour éliminer l'humidité. Utiliser des fours ou des boîtiers blindés selon les instructions du fournisseur.

• Capturer et gérer les cartouches usagées et les scories piégées en tant que déchets industriels ; nombre d'entre elles contiennent des métaux récupérables, de sorte que des flux de recyclage sont disponibles lorsqu'elles sont traitées en toute sécurité.

• Prévoir une ventilation locale et un contrôle des fumées à proximité de la station de filtrage, car l'écrémage et le fluxage génèrent des fumées.

• Utilisez des moniteurs d'oxygène ou de gaz lorsque des systèmes de gaz inertes sont présents, et veillez à ce que tout stockage de gaz soit conforme aux codes de sécurité.

Dépannage des problèmes courants et actions correctives

Tableau 4 : matrice de dépannage

Documenter chaque action corrective et établir une corrélation avec les pratiques en amont, telles que le dégazage et l'écrémage, afin de trouver les causes profondes.

Intégration au train de traitement par fusion

Une stratégie efficace de nettoyage des matières fondues permet d'enchaîner les processus de manière à ce que chaque étape prolonge la durée de vie et l'efficacité de la suivante. Train type :

1. Dégazage (rotatif ou sous vide) pour éliminer l'hydrogène dissous.

2. L'écumage et le fluxage pour éliminer les crasses et les oxydes de surface.

3. Filtration à cartouche / tubulaire pour une capture échelonnée en profondeur et en surface.

4. Filtre de polissage final ou filtre à plaques immédiatement avant la coulée, si nécessaire.

Des étapes bien coordonnées garantissent que les cartouches capturent les particules plutôt que les scories de surface lourdes, qui risqueraient sinon d'obstruer prématurément les éléments.

Justification économique et retour sur investissement

Les systèmes de filtration réduisent les rebuts, diminuent les reprises et augmentent les taux d'acceptation au premier passage. Les systèmes à cartouches sont souvent rentables dans la production de pièces de moyenne à haute valeur grâce au remplacement modulaire et à la capture fine.

Tableau 5 : Illustration de l'aperçu du retour sur investissement

Utilisez les taux de ferraille et les prix des métaux spécifiques à votre site pour créer un modèle de retour sur investissement exact pour votre fonderie.

Exemples de spécifications de produits

Tableau 6 : Caractéristiques du boîtier et de l'élément du filtre à cartouche représentatif

Demandez aux fournisseurs la surface de l'élément par pièce et les courbes de perte de charge à vos débits cibles.

Notes de cas

Cas A : Fournisseur de moules de précision

Un fournisseur de boîtiers cosmétiques a installé un système de filtration à cartouche en amont de la matrice et l'a associé à une meilleure pratique de préchauffage. Les résultats comprennent une réduction de 35 % des retouches de défauts de surface et une amélioration mesurable des scores RPT en l'espace de huit semaines.

Cas B : Fonderie automobile de taille moyenne

Une fonderie automobile a utilisé des banques de cartouches duplex pour permettre une production continue pendant les changements d'éléments. La mise en place des cartouches a permis de réduire les temps d'arrêt de 70 % par rapport aux filtres à plaques à un seul niveau et d'obtenir un retour sur investissement en moins de 18 mois grâce à la réduction des rebuts et du temps d'usinage.

FAQ

1. Quelle taille de particule les filtres à cartouche peuvent-ils éliminer ?
   Les systèmes de cartouches avec média fin peuvent capturer des particules jusqu'à environ 5 μm ou plus petites dans des conditions pratiques d'usine, en fonction du média et des débits. Validez à l'aide de comptages métallographiques des inclusions.

2. Les éléments de la cartouche doivent-ils être préchauffés ?
   Oui. Le préchauffage élimine l'humidité et réduit le risque de choc thermique, en évitant les fissures et les phénomènes dangereux liés à la vapeur. Suivre les programmes de préchauffage du fournisseur.

3. Comment savoir quand remplacer les cartouches ?
   Surveillez la pression différentielle et le taux d'écoulement. Lorsque la perte de charge fait chuter le taux de coulée en dessous des besoins de production ou que la pression différentielle atteint le seuil spécifié par le fournisseur, remplacez les éléments.

4. Les boîtiers de cartouches peuvent-ils être automatisés pour une production en continu ?
   Ils peuvent. Les banques duplex ou parallèles et le changement de cassette hydraulique ou motorisé permettent un fonctionnement continu avec un minimum de manutention manuelle.

5. Quelles sont les causes du bypass et comment le prévenir ?
   Le contournement est généralement dû à des joints de mauvaise qualité, à des surfaces d'appui déformées ou à une orientation incorrecte de l'élément. Utilisez des joints haute température, veillez à ce que les surfaces d'appui soient propres et serrez les plaques de serrage uniformément.

6. Les filtres à cartouche sont-ils compatibles avec le fluxing ?
   Oui. Un écrémage correct et une application contrôlée de flux en amont prolongent la durée de vie de la cartouche. Une application excessive de flux peut se déposer à l'intérieur de l'élément et accélérer le colmatage.

7. Quel est le meilleur support pour les environnements à cycles intensifs ?
   Les éléments en SiC ou en alumine renforcée offrent une meilleure ténacité et une meilleure résistance aux chocs thermiques pour les scénarios de cycles fréquents.

8. Les cartouches peuvent-elles éliminer l'hydrogène dissous ?
   Non. Les filtres à cartouche éliminent les inclusions solides et conditionnent le débit. L'hydrogène dissous doit être contrôlé à l'aide de systèmes de dégazage tels que la purge de gaz rotatif ou le vide. Pour obtenir les meilleurs résultats, il convient d'utiliser la filtration en même temps que le dégazage.

9. Quels documents dois-je demander à un fournisseur ?
   Demandez les courbes de perte de charge, les cycles de préchauffage recommandés, les données relatives à l'indice de porosité et à la surface des éléments, les résultats des essais pour des alliages similaires, la liste des pièces de rechange et l'assistance à la mise en service.

10. Comment les systèmes à cartouches se comparent-ils, en termes de coût, aux systèmes à plaques ou aux systèmes tubulaires à lit profond ?
    Les systèmes à cartouches offrent souvent une plus grande surface spécifique et une plus grande modularité, avec des coûts d'immobilisation potentiellement plus faibles, mais les coûts d'investissement et de consommables dépendent de la durée de vie des éléments et de la cadence de production. Les essais permettent d'établir les meilleures comparaisons de coûts.