Les fondants utilisés pour l'aluminium sont des composés chimiques à base de sel - principalement des sels de chlorure et de fluorure - appliqués à l'aluminium en fusion pour éliminer les inclusions d'oxyde, réduire la formation de crasse, extraire l'hydrogène dissous et éliminer les impuretés de métal alcalin. Les flux les plus courants flux d'aluminium comprennent des mélanges de chlorure de sodium (NaCl) et de chlorure de potassium (KCl) comme base, combinés à des composés fluorés réactifs tels que la cryolite (Na₃AlF₆), le fluorure de calcium (CaF₂) ou le fluorure d'aluminium (AlF₃), en fonction de l'objectif de traitement spécifique. Chez AdTech, nous formulons et fournissons des fondants d'aluminium aux opérations de casthouse, aux fonderies de seconde fusion et aux usines d'électrolyse. fonderies de moulage sous pression, Notre expérience sur le terrain confirme qu'il n'existe pas de flux unique pour tous les usages - le choix du flux approprié dépend de la manière dont vous recouvrez la surface de la matière fondue, dont vous éliminez les inclusions, dont vous extrayez les métaux alcalins ou dont vous affinez l'écume.
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Pourquoi l'aluminium a-t-il besoin d'un traitement par flux ?
La réactivité chimique de l'aluminium est à la fois sa propriété la plus utile et son plus grand défi en matière de traitement. À des températures de fusion de 680 à 780 °C, l'aluminium liquide s'oxyde presque instantanément au contact de l'oxygène atmosphérique, formant une peau solide d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) à la surface de la matière fondue. Cette couche d'oxyde, si elle est continuellement perturbée par les turbulences de la fonte, génère des inclusions d'oxyde qui restent en suspension dans tout le volume du métal et se retrouvent piégées dans les pièces coulées solidifiées, provoquant des défauts.
Au-delà de l'oxydation superficielle, les fondus d'aluminium - en particulier ceux préparés à partir de déchets recyclés - absorbent l'hydrogène dissous provenant de l'humidité du matériau de charge et de l'humidité atmosphérique, contiennent des impuretés de métaux alcalins (sodium, calcium, potassium) provenant de diverses sources et contiennent des inclusions non métalliques provenant de l'érosion des réfractaires, d'ajouts d'alliages et d'une manipulation incorrecte.
Les flux traitent ces problèmes par le biais de réactions chimiques, de mouillage physique et de séparation des densités. Il est essentiel de comprendre quel problème est ciblé par chaque type de flux pour traiter efficacement les matières fondues.
Les problèmes fondamentaux traités par le flux d'aluminium
| Problème | Source | Conséquences en l'absence de traitement | Traitement des flux |
|---|---|---|---|
| Oxydation de surface | O₂ à la surface de la matière fondue | Piégeage du film d'oxyde, perte de crasse | Flux de couverture |
| Suspension d'inclusion d'oxyde | Turbulence de la matière fondue, formation d'un bifilm | Porosité, réduction des propriétés mécaniques | Nettoyage/raffinage de flux |
| Formation de crasse | Accumulation d'oxyde en surface | Perte de métal dans les crasses, inefficacité thermique | Flux de crasse |
| Hydrogène dissous | Humidité, contamination par la ferraille | Porosité gazeuse dans les pièces moulées | Flux de dégazage (ou dégazage rotatif) |
| Contamination par le sodium | Résidus de flux de sel, quelques sources de ferraille | Fragilisation, cloquage de la surface | Flux d'élimination de l'alcali |
| Contamination par le calcium | Alliages principaux, quelques déchets | Modification de la structure du grain, fissuration | Flux d'élimination de l'alcali |
| Appauvrissement en magnésium (dans certains alliages) | Oxydation pendant le maintien en température | Composition non conforme | Flux de protection |
Quels sont les principaux types de flux utilisés pour l'aluminium ?
Les flux d'aluminium sont classés en fonction de leur fonction principale plutôt que de leur composition chimique spécifique, car plusieurs systèmes chimiques peuvent donner des résultats fonctionnels similaires. Les principales catégories reconnues dans la pratique industrielle sont les suivantes
Couvrir les flux : Appliqué à la surface de la fonte pour former une couverture protectrice liquide ou semi-liquide qui empêche l'oxygène atmosphérique et l'humidité d'entrer en contact avec l'aluminium. Il s'agit du type de flux le plus utilisé en fonderie et il est appliqué pendant toute la période d'attente entre la fusion et la coulée.
Flux de crasse : Appliqués spécifiquement à la couche d'écume qui s'accumule à la surface de la fonte. Leur fonction est d'abaisser la tension superficielle et l'angle de mouillage entre les particules d'oxyde et l'aluminium métallique résiduel piégé dans les crasses, ce qui permet au métal de coalescer et de s'écouler dans la masse fondue, augmentant ainsi la récupération du métal des crasses et réduisant le volume d'élimination des crasses.
Nettoyage et affinage des flux : Formulés pour pénétrer dans la masse fondue et réagir avec les inclusions en suspension, favorisant leur flottaison à la surface de la masse fondue où elles peuvent être écrémées. Ces fondants réduisent la teneur en inclusions en vrac de la matière fondue et améliorent l'efficacité de la filtration en agglomérant les particules fines en amas plus importants.
Flux de dégazage : Composés réactifs (historiquement l'hexachloroéthane, aujourd'hui largement remplacé par l'injection de gaz) qui génèrent des gaz réactifs à l'intérieur de la masse fondue. Ces gaz bouillonnent à travers le métal, recueillant l'hydrogène dissous et le transportant à la surface.
Flux d'élimination de l'alcali : Spécifiquement formulé pour réagir avec le sodium, le calcium et le lithium dissous (dans les alliages contenant du Li) dans la masse fondue, formant des composés qui flottent à la surface ou sont transférés dans une phase de scories.
Flux de couverture : Protéger l'aluminium fondu de l'oxydation
Le flux de couverture est l'application de flux la plus fondamentale dans toute opération de fusion de l'aluminium. Son objectif est simple : empêcher l'oxygène atmosphérique et l'humidité d'entrer en contact avec la surface de l'aluminium en fusion, ce qui empêche la formation continue d'une peau d'oxyde et l'accumulation d'hydrogène.
Composition des flux de recouvrement
Flux de couverture efficaces pour le moût d'aluminium :
- Fondre à une température égale ou inférieure à la température de maintien de l'aluminium (680-750°C pour la plupart des alliages).
- Former une couche liquide continue et dense qui ne permet pas l'échange de gaz entre la matière fondue et l'atmosphère.
- Ne réagit pas avec l'aluminium pour former des composés indésirables.
- Ont une faible viscosité à la température de fonctionnement pour s'écouler et s'auto-régénérer en cas de perturbation.
- Ne pas être miscible avec l'aluminium liquide (pour que la couche de flux reste au-dessus).
La composition la plus courante des flux de recouvrement pour les alliages d'aluminium standard est un mélange eutectique de chlorure de sodium (NaCl) et de chlorure de potassium (KCl) dans un rapport molaire d'environ 50:50 ou 40:60. L'eutectique NaCl-KCl fond à environ 660°C - juste au niveau ou légèrement en dessous du point de fusion de l'aluminium - fournissant une couverture protectrice entièrement liquide à des températures de maintien normales.
Ce système de chlorure binaire est efficace, largement disponible et relativement peu coûteux. Cependant, le système NaCl-KCl ordinaire présente des limites :
- Il peut introduire du sodium dans la matière fondue par dissolution lente et réaction avec la surface de la matière fondue.
- Il n'offre aucune fonction de suppression de l'inclusion.
- Il ne réduit pas de manière significative la réactivité de l'écume.
L'ajout de petites quantités de composés fluorés (généralement de la cryolithe 5-15%, du fluorure de calcium ou du fluorure de magnésium) au flux de couverture NaCl-KCl de base améliore les performances de plusieurs manières : les composants fluorés réduisent davantage le point de fusion du flux, abaissent la viscosité du flux à la température de fonctionnement (améliorant la couverture de la surface) et assurent une certaine action de dissolution du film d'oxyde à l'interface entre le flux et la matière fondue.
Méthode d'application du flux de couverture
Le flux de couverture est appliqué en saupoudrant ou en pelletant la poudre ou les granulés de flux sur toute la surface de la fonte immédiatement après l'écumage, puis en le laissant fondre et s'étaler. Le taux d'application est généralement de 1 à 3 kg de flux par tonne métrique d'aluminium détenue, le taux réel étant ajusté pour maintenir une couche de flux continue et visible.
La couche de flux doit être inspectée et rafraîchie après chaque ajout de métal, après l'échantillonnage et après toute opération qui perturbe la surface. Une couche de flux perturbée ou amincie permet une oxydation localisée qui génère des inclusions, même si la température et la composition globales de la matière fondue sont correctes.
Exemples de composition de flux de couverture
| Désignation du flux | NaCl (%) | KCl (%) | CaF₂ (%) | Na₃AlF₆ (%) | MgCl₂ (%) | Fonction principale |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Couverture standard | 50 | 50 | — | — | — | Protection de base des surfaces |
| Revêtement fluoré | 40 | 45 | 10 | 5 | — | Meilleure fluidité, nettoyage en douceur |
| Couverture à faible teneur en sodium | 20 | 60 | 10 | — | 10 | Réduction du captage de Na |
| Revêtement en alliage de magnésium | 30 | 50 | 15 | — | 5 | Réduction de l'oxydation du Mg |
Les flux d'écumage : Comment ils séparent le métal de l'oxyde
L'écume est la couche accumulée d'oxyde d'aluminium, de métal entraîné et d'autres composés non métalliques qui se forme à la surface de l'aluminium en fusion pendant le maintien, la fusion et le transfert du métal. Dans la production d'aluminium primaire et les opérations de fusion secondaire, l'écume peut représenter 1 à 8% du volume total de métal - une perte matérielle importante si elle n'est pas correctement traitée.
Le problème de la récupération des métaux dans les crasses
Les crasses issues de la fusion de l'aluminium contiennent généralement de 30 à 70% d'aluminium métallique en poids, piégé dans une matrice d'oxyde. Sans traitement, ce métal est éliminé avec la fraction d'oxyde, ce qui représente une perte directe de métal et un coût d'élimination des déchets. Les flux d'écume sont spécifiquement conçus pour libérer ce métal piégé.
Le mécanisme fonctionne par modification de la tension superficielle. Dans l'écume non traitée, les particules d'oxyde sont mal mouillées par l'aluminium liquide - l'angle de contact entre l'aluminium liquide et la surface de l'oxyde est relativement élevé, ce qui signifie que l'aluminium ne se répand pas et ne s'écoule pas efficacement à travers le réseau de pores de l'oxyde. Les composants du flux d'écumage (en particulier les composés fluorés) s'adsorbent à l'interface aluminium-oxyde et réduisent considérablement l'angle de contact, ce qui permet à l'aluminium liquide de coalescer et de s'écouler hors de la matrice d'oxyde sous l'effet de la gravité.
Composition et application du flux d'écrasement
Les fondants d'écumage contiennent généralement une proportion plus élevée de composés fluorés réactifs que les fondants de couverture. Les compositions courantes sont les suivantes
| Composant | Gamme typique (%) | Fonction |
|---|---|---|
| KCl | 30-50 | Flux de base, ajustement du point de fusion |
| NaCl | 20-35 | Flux de base, réduction des coûts |
| Na₃AlF₆ (cryolithe) | 10-25 | Réduction de la tension superficielle, mouillage |
| AlF₃ | 5-15 | Réactivité accrue, activité des fluorures |
| CaF₂ | 5-15 | Réduction de la viscosité, point de fusion |
| NaF | 0-10 | Haute réactivité, élimination des alcalis |
Procédure d'application : après écrémage de l'écume en vrac d'un côté du four, le flux d'écumage est saupoudré sur la couche d'écume (généralement 5 à 15 kg par tonne métrique d'écume), puis l'écume est ratissée et agitée afin d'incorporer le flux dans toute la masse. Après 5 à 10 minutes d'agitation et de réaction, l'écume traitée est sensiblement plus sèche et moins métallique, et sa teneur en métal est réduite. L'écume traitée génère beaucoup moins d'écume secondaire (peau d'oxyde d'aluminium) sur la surface restante du métal que l'écume non traitée pendant le processus d'écrémage.
L'amélioration de la récupération du métal grâce au traitement par flux de l'écume va de 30 à 60% de réduction du volume de l'écume (ce qui signifie que plus de métal reste dans le four), avec des périodes de retour sur investissement documentées sur le coût du flux, généralement mesurées en jours plutôt qu'en mois dans les opérations avec une production importante d'écume.
Flux de nettoyage et d'élimination des inclusions
Les flux de nettoyage s'attaquent au problème des inclusions non métalliques en suspension dans la masse fondue, à la différence des crasses de surface. Ces inclusions - principalement des films d'alumine, des particules de spinelle, des agglomérats de diborure de titane et d'autres composés non métalliques - sont dispersées dans tout le volume de la matière fondue et ne peuvent être éliminées par un simple écrémage de surface.
Comment les flux de nettoyage éliminent les inclusions
Le mécanisme d'élimination des inclusions par le flux implique deux processus simultanés :
Mouillage et agglomération : Les composants du flux qui ont une énergie de surface inférieure à celle de l'oxyde d'aluminium s'adsorbent sur les surfaces des inclusions, abaissant la tension interfaciale entre l'inclusion et la phase du flux. Cela favorise l'agglomération des petites inclusions en amas plus importants, qui ont alors une flottabilité suffisante pour flotter à la surface.
Réaction chimique : Certains composants du flux (en particulier les composés fluorés) réagissent directement avec l'oxyde d'aluminium, formant du fluorure d'aluminium et libérant l'oxygène du réseau de l'oxyde. Cette réaction de dissolution réduit directement la taille des inclusions d'oxyde et favorise leur transfert de la masse fondue à la phase de flux salin.
Les recherches publiées par Groteke et Neff dans AFS Transactions (1993) ont démontré que le traitement des flux avec des sels contenant du fluorure réduisait la teneur en inclusions mesurée par PoDFA de 40-65% dans l'alliage A356, l'amélioration étant fortement corrélée à l'activité du fluorure dans le flux.
Flux de nettoyage réactifs et non réactifs
Flux de nettoyage réactifs contiennent des proportions plus élevées de composés fluorés et génèrent un dégagement gazeux visible (dû aux réactions fluor-oxyde) lorsqu'ils sont mélangés à la matière fondue. Ils permettent une meilleure élimination des inclusions, mais doivent être utilisés avec précaution :
- Une activité excessive du fluorure peut attaquer les revêtements réfractaires des fours.
- L'évolution du gaz crée des turbulences qui génèrent de nouveaux films d'oxyde si l'agitation de la matière fondue n'est pas contrôlée.
- Certains flux réactifs introduisent du sodium ou d'autres impuretés.
Flux de nettoyage non réactifs (physiques) s'appuient principalement sur la séparation de la densité et la modification du mouillage sans réaction chimique significative avec la matière fondue. Ils sont plus doux pour les matériaux réfractaires et ne génèrent pas de gaz, mais ils permettent une élimination moins agressive des inclusions.
Compatibilité entre les types d'inclusion
| Type d'inclusion | Nettoyage physique Efficacité des flux | Efficacité du flux réactif (fluorure) |
|---|---|---|
| Films d'alumine (Al₂O₃) | Modéré | Bon à excellent |
| Spinelle (MgAl₂O₄) | Juste | Bon |
| Agglomérats de TiB₂ | Juste | Modéré |
| Particules de sel NaCl/KCl | Bon (se dissout dans le flux) | Excellent |
| Particules réfractaires | Pauvre | Pauvre |
| Carbures (Al₄C₃) | Pauvre | Modéré |
L'amélioration de l'efficacité du déploiement des agents d'affinage de l'aluminium peut être obtenue grâce à l'utilisation de la technologie AdTech Machine d'injection de flux.
Flux de dégazage et leur fonction d'élimination de l'hydrogène
Historiquement, les composés réactifs - en particulier l'hexachloroéthane (C₂Cl₆) sous forme de comprimés - constituaient la principale méthode d'élimination de l'hydrogène dans l'aluminium en fusion. Ces “fondants de dégazage” généraient du chlore gazeux lorsqu'ils se dissolvaient dans la masse fondue :
C₂Cl₆ → 2C + 3Cl₂
Les bulles de chlore qui montent dans la masse fondue recueillent l'hydrogène dissous (formant du HCl) et l'entraînent à la surface, réduisant ainsi la teneur en hydrogène de la masse fondue de 30-50%.
Situation actuelle de l'utilisation des flux de dégazage
L'hexachloroéthane et les composés halogénés réactifs similaires sont soumis à une forte pression réglementaire au niveau mondial :
Préoccupations environnementales : La production de chlore et de gaz HCl pendant le traitement nécessite des systèmes d'extraction des fumées. Le perchloroéthylène et d'autres sous-produits organochlorés de la réaction à l'hexachloroéthane sont classés comme polluants atmosphériques dangereux en vertu de la loi américaine sur la qualité de l'air (US Clean Air Act).
Limites de l'efficacité : À une réduction de l'hydrogène de 30-50%, le flux de dégazage réactif est nettement moins performant que le dégazage par gaz inerte rotatif (réduction de 50-80%) et n'est pas adapté aux applications sensibles à la qualité.
Restrictions européennes : Plusieurs États membres de l'UE ont restreint ou interdit l'utilisation de l'hexachloroéthane dans le traitement de l'aluminium. D'autres méthodes de dégazage sont fortement préférées dans les opérations européennes.
Utilisation actuelle : Les tablettes d'hexachloroéthane restent utilisées dans les petites fonderies des marchés en développement où l'équipement de dégazage rotatif n'est pas économiquement justifié, et pour le dégazage d'urgence lorsque l'équipement primaire n'est pas disponible. Pour toute opération dont les spécifications de qualité exigent un taux d'hydrogène inférieur à 0,12 ml/100g Al, le dégazage rotatif par gaz inerte avec de l'argon ou de l'azote est l'approche standard - et non un flux de dégazage réactif.
Chez AdTech, nous fournissons des mélanges de gaz contenant du chlore (généralement 2-5% Cl₂ dans de l'argon) à utiliser avec des équipements de dégazage rotatifs plutôt qu'avec des pastilles de flux de dégazage solides. Le Cl₂ dans le mélange gazeux fournit l'avantage d'agglomération d'inclusion de la chimie du chlore sans les problèmes environnementaux de l'hexachloroéthane solide.
Flux d'élimination des alcalis : Traitement du sodium et du calcium
Les impuretés de sodium (Na) et de calcium (Ca) dans l'aluminium fondu posent des problèmes spécifiques que les flux de recouvrement ou de nettoyage standard ne traitent pas de manière adéquate.
Pourquoi les métaux alcalins sont-ils nocifs pour l'aluminium ?
Effets du sodium : À des concentrations supérieures à environ 5-10 ppm, le sodium modifie la morphologie de la phase silicium dans les alliages Al-Si - un effet qui est intentionnel dans les alliages modifiés par le sodium, mais nuisible dans d'autres. Dans les alliages à forte teneur en magnésium, le sodium favorise la déchirure à chaud et la fragilisation des joints de grains. Dans le fil machine destiné aux applications électriques, un taux de sodium supérieur à 5 ppm réduit la conductivité et les performances de tréfilage.
Effets du calcium : Un taux de calcium supérieur à environ 3-5 ppm peut modifier la structure du grain de manière à réduire les propriétés mécaniques et à causer des problèmes de qualité de surface dans les produits corroyés. Le calcium est également associé à une susceptibilité accrue à la porosité dans certains systèmes d'alliage.
Les sources de contamination par le sodium comprennent : les résidus de flux de sel provenant d'opérations de fours antérieures, certaines catégories de déchets recyclés (particulièrement contaminés par du verre ou de la céramique), les ajouts d'alliages maîtres où le sodium est une impureté mineure, et le stockage de tablettes de flux de dégazage mal entretenu (les tablettes d'hexachloroéthane peuvent introduire du sodium à partir des liants de tablettes dégradés par l'humidité).
Mécanisme de flux pour l'élimination de l'alcali
Les flux d'élimination des alcalis contiennent généralement des composés fluorés ayant une grande affinité thermodynamique avec le sodium et le calcium. Les agents d'élimination des alcalis les plus efficaces sont les suivants :
AlF₃ (fluorure d'aluminium) : Réagit avec le sodium dissous :
3Na + AlF₃ → Al + 3NaF (transféré à la phase de flux de sel)
La réaction est thermodynamiquement favorable aux températures de fusion de l'aluminium et se déroule rapidement lorsque le flux est en contact avec la matière fondue.
Chlore gazeux (par dégazage rotatif) : Le chlore réagit avec le sodium et le calcium dissous pour former du NaCl et du CaCl₂, qui sont transférés dans la phase saline flottant à la surface de la matière fondue. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles de petites additions de chlore au gaz de dégazage rotatif (2-5% Cl₂) sont spécifiées pour les opérations produisant de l'aluminium de haute spécification - le chlore permet l'élimination des alcalins en même temps que la réduction de l'hydrogène.
Efficacité de l'élimination des métaux alcalins
| Méthode de traitement | Élimination du Na (% de la valeur initiale) | Élimination du Ca (% de l'initial) | Durée du traitement |
|---|---|---|---|
| Flux contenant de l'AlF₃, agitation | 60-80% | 50-70% | 5-15 minutes |
| Dégazage rotatif, Ar uniquement | 20-35% | 15-30% | 15-30 minutes |
| Dégazage rotatif, Ar + 3% Cl₂ | 75-90% | 65-85% | 15-30 minutes |
| Flux réactif + dégazage rotatif | 85-95% | 75-90% | Traitement combiné |
Pour l'aluminium de qualité EC (alliage 1350 pour les applications de conducteurs électriques) où le sodium doit être inférieur à 5 ppm, le traitement combiné de flux réactif alcalin suivi d'un dégazage rotatif Ar + Cl₂ est l'approche standard dans les opérations de première qualité.
Tables de composition des flux et systèmes chimiques
Référence complète sur les types de flux et les compositions
| Type de flux | Système de base | Principaux additifs | Taux d'application | Plage de température de fonctionnement |
|---|---|---|---|---|
| Couverture standard | 50% NaCl, 50% KCl | Aucun | 1-3 kg/t | 660-800°C |
| Couverture de fluorure | 40% NaCl, 45% KCl | 10-15% CaF₂ | 1-3 kg/t | 660-800°C |
| Flux de crasse | 35% KCl, 25% NaCl | 25% Na₃AlF₆, 15% AlF₃ | 5-15 kg/t de crasse | 680-760°C |
| Flux de nettoyage (modéré) | 45% KCl, 35% NaCl | 15% CaF₂, 5% NaF | 2-5 kg/t | 700-760°C |
| Flux de nettoyage (réactif) | 35% KCl, 25% NaCl | 20% Na₃AlF₆, 15% AlF₃, 5% NaF | 3-8 kg/t | 700-760°C |
| Flux d'élimination de l'alcali | 30% KCl, 20% NaCl | 30% AlF₃, 20% CaF₂ | 3-10 kg/t | 700-760°C |
| Flux de dégazage (héritage) | C₂Cl₆ comprimés | — | 0,5-2 kg/t | 680-750°C |
| Flux d'alliage de magnésium | 35% KCl, 35% MgCl₂ | 20% NaCl, 10% CaF₂ | 2-5 kg/t | 680-760°C |
Points de fusion des composants courants du flux
| Composé | Formule chimique | Point de fusion (°C) | Fonction en flux |
|---|---|---|---|
| Chlorure de sodium | NaCl | 801°C | Composante du flux de base |
| Chlorure de potassium | KCl | 770°C | Composant du flux de base (abaisse l'eutectique) |
| Eutectique NaCl-KCl | — | ~660°C | Point de fusion le plus bas du système binaire |
| Fluorure de calcium | CaF₂ | 1418°C | Réduction de la viscosité, mouillage |
| Cryolite | Na₃AlF₆ | 1009°C | Réactif, réduction de la tension superficielle |
| Fluorure d'aluminium | AlF₃ | 1291°C (subl.) | Élimination de l'alcali, réactif |
| Fluorure de sodium | NaF | 993°C | Réactivité élevée, activité des fluorures |
| Chlorure de magnésium | MgCl₂ | 714°C | Composant de flux de l'alliage de Mg |
| Fluorure de magnésium | MgF₂ | 1263°C | Modificateur de flux de recouvrement |
Sélection de flux par série d'alliage
| Série alliage | Préoccupation première | Type de flux recommandé | Restriction des touches |
|---|---|---|---|
| 1xxx (Al pur, qualité CE) | Impuretés Na, Ca, inclusions | Élimination de l'alcali + couverture | Minimiser l'ajout de Na à partir du flux |
| 2xxx (Al-Cu) | Inclusions, films d'oxyde | Flux de nettoyage + revêtement | Pas de flux de Na élevé |
| 3xxx (Al-Mn) | Inclusions, particules de Fe-Si | Couverture + nettoyage modéré | Standard |
| 5xxx (Al-Mg, <3% Mg) | Inclusions de MgO, oxyde de surface | Couverture de fluorure | Réduction du Na |
| 5xxx (Al-Mg, >3% Mg) | Oxydation rapide, MgO | Couverture spécifique au magnésium | Éviter les flux de NaCl élevés |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | Inclusions, agglomérats de TiB₂ | Nettoyage + couverture | Standard |
| 7xxx (Al-Zn-Mg) | Inclusions, élimination des alcalins | Nettoyage réactif + élimination des alcalis | Pas d'excès de fluorure |
| A356/A380 (moulage) | Hydrogène, inclusions | Recouvrement + drossage | Minimiser l'introduction de nouvelles inclusions |
Comment choisir le bon flux d'aluminium pour votre application ?
Pour sélectionner le flux adéquat, il faut faire correspondre la fonction principale du flux au problème de qualité de la matière fondue dominant dans l'opération spécifique. L'utilisation du mauvais type de flux entraîne un gaspillage de matériau, peut introduire de nouveaux problèmes et donne un faux sentiment de sécurité quant à la qualité de la matière fondue.
Étape 1 : Identifier le principal problème de qualité de la matière fondue
Effectuer un essai à pression réduite (RPT) pour évaluer la teneur en hydrogène combiné et en bifilm. Utiliser l'échantillonnage PoDFA pour quantifier le type et la quantité d'inclusion. Mesurer la teneur en sodium par spectrométrie d'émission si l'on soupçonne une contamination alcaline. Ce n'est qu'à partir de ces informations diagnostiques que la sélection des flux peut être véritablement optimisée plutôt que basée sur des recommandations génériques.
Étape 2 : Faire correspondre la fonction de flux au problème diagnostiqué
| Problème diagnostiqué | Solution de flux primaire | Traitement secondaire |
|---|---|---|
| Volume d'écume élevé avec une forte teneur en métal | Flux de crasse | Améliorer la couverture des flux |
| Inclusions en suspension dans la masse fondue | Flux de nettoyage (contenant du fluorure) | Filtration sur mousse céramique en aval |
| Oxydation rapide de la surface, taux élevé de production de crasse | Meilleur flux couvrant, appliqué plus fréquemment | Réduire les turbulences à la surface de la fonte |
| Teneur élevée en sodium ou en calcium | Flux d'alcalinisation, ajout de Cl₂ au dégazage rotatif | Recherche de la source de contamination alcaline |
| Hydrogène élevé, porosité dans les pièces moulées | Dégazage rotatif (primaire), ajout de gaz Cl₂ | Couvrir le flux pour réduire la réabsorption |
| Charge d'inclusion générale à partir de la ferraille | Approche combinée de nettoyage et de recouvrement | Filtration CFF en deux étapes |
Étape 3 : Prendre en compte les restrictions spécifiques à l'alliage
Alliages à haute teneur en magnésium (5xxx avec Mg >3%) : Le flux de couverture standard NaCl-KCl réagit avec le magnésium dans la masse fondue, introduisant du sodium et risquant de perturber l'équilibre du magnésium. Des formulations de flux spécifiques au magnésium utilisant des systèmes MgCl₂-KCl-NaCl avec une activité minimale du sodium sont nécessaires.
Qualité de conducteur électrique (alliage 1350) : Tout flux contenant une quantité importante de sodium doit être utilisé avec précaution. Les niveaux de sodium après traitement par flux doivent être vérifiés analytiquement. La fonction d'élimination des alcalins doit être effectuée avant l'application du flux de recouvrement, et le flux de recouvrement doit être une formulation à faible teneur en sodium.
Alliages à faible teneur en silicium : Certains composants de flux fluorés favorisent la réduction du silicium dans le réfractaire et dans le système de flux lui-même. Dans les applications à très faible teneur en silicium, vérifiez que le flux n'introduit pas de silicium.
Étape 4 : Optimiser la procédure de demande
L'échec le plus courant de l'application du flux est l'utilisation du bon produit de flux mais son application incorrecte :
- Si l'on applique trop peu de flux, la couverture est incomplète, ce qui permet à l'oxydation de se poursuivre.
- Si l'on applique trop de flux, l'épaisse couche de flux devient difficile à écrémer proprement, ce qui introduit des inclusions de sel.
- Appliquer le flux sans agitation suffisante dans les applications de nettoyage, en laissant la plus grande partie du volume de fusion non traitée.
- Laisser le flux être contaminé par de l'eau (le flux salin absorbe rapidement l'humidité de l'air, ce qui peut provoquer de violentes éclaboussures lorsqu'il est introduit dans la masse fondue).
Sécurité, réglementation environnementale et gestion des déchets de flux
Risques professionnels liés à l'utilisation du flux d'aluminium
Les flux d'aluminium présentent plusieurs risques professionnels qui nécessitent une gestion active :
Production de fumées de chlorure d'hydrogène (HCl) : Lorsque les flux de chlorure entrent en contact avec de l'humidité (dans l'air, sur les outils ou à partir de matériaux de charge humides), ils génèrent des fumées de HCl. Le PEL de l'OSHA pour le HCl est de 5 ppm au plafond. Les opérations utilisant des flux de chlorure nécessitent une ventilation par aspiration locale.
Génération de fumées de fluorure : Les fondants contenant du fluorure génèrent des fumées de fluorure d'hydrogène (HF), en particulier lorsqu'ils sont chauffés. Le HF présente une toxicité aiguë à de faibles concentrations (OSHA PEL 3 ppm TWA, 6 ppm STEL). L'utilisation de fondants fluorés nécessite une protection respiratoire et une extraction des fumées.
Éclaboussures de sel fondu : L'introduction du flux à la surface de fusion nécessite une application contrôlée pour éviter l'explosion de vapeur due à l'humidité dans le flux ou sur l'outil d'application. Tous les flux doivent être stockés au sec et préchauffés avant d'être utilisés dans toute application impliquant une immersion sous la surface de fusion.
Brûlures thermiques : Travailler avec de l'aluminium fondu et des flux de sels fondus à 700-760°C présente de graves risques de brûlures. Tout le personnel doit porter un EPI approprié, y compris un écran facial, des gants résistants à la chaleur et des vêtements résistants à la chaleur.
Réglementations environnementales affectant le choix du flux
| Règlement | Région | Impact sur la sélection des flux |
|---|---|---|
| Règlement (CE) n° 1907/2006 (REACH) | Union européenne | Restrictions applicables à certains composés fluorés ; enregistrement obligatoire de la cryolithe |
| Loi sur l'air pur (NESHAP) | ÉTATS-UNIS | Limites des émissions de HCl et de HF provenant des opérations d'aluminium secondaire |
| Règlement européen sur les gaz à effet de serre fluorés | Union européenne | Limites des composés halogénés dans les procédés industriels |
| Normes chinoises GB | Chine | Limites maximales d'émission de HF et de Cl₂ lors de la transformation de l'aluminium |
| Directive RoHS | L'UE | Affecte la composition du flux dans l'aluminium pour les applications électroniques |
Élimination des déchets de flux (scories salées)
Les flux d'aluminium usagés et les crasses associées (appelées scories salées ou crasses noires) contiennent des sels de chlorure et de fluorure mélangés à de l'oxyde d'aluminium et à du métal résiduel. Ce matériau est classé comme déchet dangereux dans la plupart des juridictions réglementaires en raison de son :
- Lixiviation des chlorures et des fluorures dans les eaux souterraines.
- Production potentielle d'ammoniac (à partir d'impuretés de nitrure) en cas d'humidité.
- Teneur en métaux lourds provenant des impuretés de l'alliage d'aluminium.
Les scories salées doivent être éliminées dans des installations de traitement des déchets dangereux agréées ou traitées dans le cadre d'opérations de recyclage des scories salées qui récupèrent la fraction de sel pour la réutiliser et la fraction d'oxyde d'aluminium pour d'autres applications. Plusieurs installations commerciales de traitement des scories salées fonctionnent en Europe, en Amérique du Nord et en Asie de l'Est. La responsabilité environnementale liée à l'élimination inappropriée des scories salines dépasse largement le coût matériel du fondant d'origine. C'est l'une des raisons pour lesquelles il est souhaitable, d'un point de vue tant économique qu'environnemental, de minimiser l'utilisation des fondants en optimisant leur application.
Questions fréquemment posées sur le flux utilisé pour l'aluminium
1 : Quel est le flux le plus couramment utilisé pour la fusion de l'aluminium ?
Le flux d'aluminium le plus utilisé est un mélange de chlorure de sodium (NaCl) et de chlorure de potassium (KCl) en proportions approximativement égales en poids, souvent avec de petites additions de fluorure de calcium (CaF₂) ou de cryolithe (Na₃AlF₆). Ce système de base NaCl-KCl forme un eutectique qui fond à environ 660°C - juste au niveau ou en dessous du point de fusion de l'aluminium - créant une couverture protectrice liquide sur la surface de fusion qui empêche l'oxydation et la prise d'hydrogène. Ce flux de couverture est utilisé dans pratiquement toutes les fonderies d'aluminium du monde entier comme protection de base de la matière fondue. Des fondants plus spécialisés (agents d'écumage, fondants de nettoyage, fondants d'élimination des alcalis) sont ajoutés pour des objectifs de traitement spécifiques allant au-delà de la protection de base de la surface. La prédominance du système NaCl-KCl reflète son faible coût, sa grande disponibilité et ses performances éprouvées dans toute la gamme des alliages d'aluminium commerciaux.
2 : Puis-je utiliser du borax ou d'autres flux courants pour l'aluminium ?
Non - le borax (tétraborate de sodium, Na₂B₄O₇) est un fondant utilisé pour le soudage et le brasage de métaux, y compris l'aluminium, à des températures plus basses, mais il n'est pas approprié comme fondant pour le traitement de l'aluminium en fusion dans les fonderies. Le borax a un point de fusion d'environ 743°C, ce qui correspond aux températures de fusion de l'aluminium, mais il réagit avec l'aluminium pour former des composés de borure d'aluminium et introduit une contamination par le bore dans la matière fondue. Dans la chimie de l'affinage du grain, le bore est un ajout contrôlé - le bore non contrôlé provenant de l'utilisation de flux de borax perturberait l'affinage du grain soigneusement géré des alliages d'aluminium commerciaux. Les flux appropriés pour la production d'aluminium fondu sont des systèmes de sels de chlorure-fluorure tels que décrits dans cet article. Pour le brasage et la soudure de l'aluminium (un processus différent du traitement par fusion), des systèmes de flux non corrosifs basés sur des composés fluorés sont utilisés, tels que Nocolok (fluoroaluminate de potassium) pour le brasage au four des échangeurs de chaleur en aluminium.
3 : Quelle est la différence entre le flux de couverture et le flux de nettoyage pour l'aluminium ?
Le flux de recouvrement et le flux de nettoyage ont des fonctions différentes et sont appliqués différemment. Le flux de couverture est étalé sur toute la surface de la fonte pour empêcher tout contact entre l'aluminium liquide et l'oxygène atmosphérique - il isole physiquement la surface de la fonte. Il est généralement appliqué à faible dose (1-3 kg par tonne métrique d'aluminium) et maintenu pendant toute la période de maintien en température. Le flux de nettoyage est conçu pour réagir avec les inclusions non métalliques en suspension dans la masse de la fonte et les éliminer. Il doit être remué ou injecté dans la fonte pour entrer en contact avec les inclusions dans l'ensemble du volume de métal. Les fondants de nettoyage contiennent des proportions plus élevées de composés fluorés réactifs et sont appliqués à des taux plus élevés (2-8 kg par tonne métrique) mais moins fréquemment - généralement une fois par charge de four plutôt qu'en continu. Certains produits commercialisés en tant que flux “combinés” tentent de remplir les deux fonctions simultanément, mais d'après notre expérience chez AdTech, les meilleurs résultats proviennent de l'utilisation d'un flux de couverture dédié pour la protection continue de la surface et d'un flux de nettoyage séparé pour le traitement périodique en vrac.
4 : Comment le flux élimine-t-il les inclusions dans l'aluminium en fusion ?
Le flux élimine les inclusions de l'aluminium en fusion par deux mécanismes complémentaires : la modification de la tension superficielle et la réaction chimique. Le mécanisme de tension superficielle fonctionne parce que les composés fluorés contenus dans le flux s'adsorbent à l'interface entre les particules d'inclusion d'oxyde d'aluminium et le métal environnant, abaissant l'énergie interfaciale et favorisant l'agglomération des inclusions en grappes plus grandes. Les amas plus importants ont une plus grande flottabilité par rapport à leur traînée et remontent plus facilement à la surface de la matière fondue que les petites inclusions individuelles. Le mécanisme de réaction chimique implique la dissolution directe de l'oxyde d'aluminium par des espèces de fluorure - en particulier AlF₃ et la cryolite - qui réagissent avec Al₂O₃ pour former de l'oxyfluorure d'aluminium et des composés apparentés qui se répartissent préférentiellement dans la phase de flux salin plutôt que de rester dans le métal. Les deux mécanismes exigent que le flux soit en contact étroit avec les inclusions, ce qui explique pourquoi le flux de nettoyage doit être mélangé à fond dans la masse fondue plutôt que de flotter simplement à la surface.
5 : Un flux est-il nécessaire si j'utilise le dégazage rotatif et la filtration sur mousse céramique ?
Le flux n'est pas entièrement remplacé par le dégazage rotatif et la filtration sur mousse céramique, mais son rôle change considérablement lorsque ces systèmes sont en place. Le dégazage rotatif assure la fonction d'hydrogène dissous que le flux de dégazage réactif (hexachloroéthane) assurait auparavant, et la filtration sur mousse céramique élimine les inclusions que le flux de nettoyage aurait dû traiter autrement. Cependant, le flux de couverture reste nécessaire quels que soient les systèmes de dégazage et de filtration - la surface de la fonte génère continuellement de l'oxyde nouveau tant qu'elle est exposée à l'atmosphère, et cet oxyde de surface doit être géré physiquement avec une couverture de flux de couverture pour éviter qu'il ne pénètre dans la fonte sous la forme d'inclusions. Le flux d'écume pour la récupération du métal à partir de l'écume accumulée est également toujours nécessaire. Ce qui change lorsque le dégazage rotatif et le CFF sont disponibles, c'est que la fonction de nettoyage réactif des fondants (en particulier les fondants fluorés réactifs) devient moins critique, ce qui réduit la consommation globale de fondants et les problèmes de gestion des déchets qui y sont associés.
6 : Quel est le flux utilisé pour l'aluminium à forte teneur en magnésium (série 5xxx) ?
Les alliages d'aluminium à forte teneur en magnésium (série 5xxx avec Mg supérieur à 3%, tels que 5083 et 5182) nécessitent un flux spécialement formulé qui évite d'introduire des quantités significatives de sodium, qui réagit avec le magnésium et cause des problèmes. Le flux de couverture standard NaCl-KCl contient une quantité importante de sodium qui peut s'échanger avec le magnésium dans l'oxyde de surface fondu, introduisant une impureté de sodium et risquant de perturber l'équilibre du magnésium. Le flux de recouvrement approprié pour les alliages à forte teneur en magnésium utilise le chlorure de magnésium (MgCl₂) comme composant principal avec le KCl, avec une teneur minimale en NaCl - par exemple, un mélange de 35% MgCl₂, 50% KCl, 15% NaCl. Cette formulation à faible teneur en sodium offre une protection de surface adéquate sans réaction d'échange de sodium. En outre, pour les alliages à forte teneur en magnésium, la couche de flux doit être maintenue plus soigneusement que pour les alliages à faible teneur en magnésium, car le magnésium dans la fonte s'oxyde rapidement et génère des inclusions de MgO qui sont plus difficiles à éliminer que l'Al₂O₃. Un rafraîchissement plus fréquent du flux et une manipulation délicate de la matière fondue sont nécessaires.
7 : Peut-on utiliser un flux pour éliminer l'hydrogène de l'aluminium ou faut-il un équipement de dégazage ?
Les flux de dégazage réactifs (comprimés d'hexachloroéthane) peuvent éliminer l'hydrogène de l'aluminium, mais seulement avec une efficacité limitée (réduction de 30-50%) et avec des inconvénients significatifs en termes d'environnement et de sécurité. Pour la plupart des applications sensibles à la qualité, le dégazage rotatif sous gaz inerte avec de l'argon ou de l'azote est la méthode requise pour l'élimination de l'hydrogène, car il permet d'obtenir une réduction de l'hydrogène de 50 à 80% de manière constante, peut être contrôlé avec précision et ne génère pas de composés chlorés toxiques nécessitant une extraction des fumées. L'ajout de petites quantités de chlore gazeux (2-5% Cl₂) à l'argon de dégazage rotatif offre des avantages supplémentaires, notamment l'agglomération des inclusions et l'élimination des métaux alcalins - cette approche combine le meilleur de la chimie des flux et du dégazage mécanique sans les problèmes liés aux pastilles de flux solides. Chez AdTech, nous recommandons le flux de dégazage solide réactif uniquement comme mesure de secours d'urgence lorsque l'équipement de dégazage primaire n'est pas disponible, ou dans les très petites opérations où l'équipement rotatif ne peut pas être justifié économiquement.
8 : Quel est le flux utilisé pour le brasage tendre et le brasage fort de l'aluminium par rapport aux flux de fonderie ?
Il s'agit de systèmes de flux complètement différents pour des processus différents. Pour le brasage au four de composants en aluminium (tels que les échangeurs de chaleur automobiles), le système de flux standard est le fluoroaluminate de potassium (K₁₋₃AlF₄₋₆), connu dans le commerce sous le nom de Nocolok ou de produits équivalents. Ce flux devient actif à partir d'environ 560°C, perturbe la couche d'oxyde sur les surfaces en aluminium pendant le brasage et permet au métal d'apport (généralement un alliage eutectique Al-Si) de se mouiller et de s'écouler dans le joint. Pour le brasage au chalumeau, les flux de brasage de l'aluminium basés sur des chimies de fluorure similaires sont appliqués sous forme de pâte ou de poudre sur la zone du joint avant le chauffage. Pour le brasage tendre de l'aluminium (à des températures plus basses avec des soudures à base de zinc ou d'étain), on utilise des flux agressifs à base d'acides organiques ou de chlorure de zinc. Aucun de ces flux de brasage fort ou tendre n'est approprié pour le traitement de la fonte en fonderie - ils sont conçus pour le mouillage superficiel de l'aluminium solide, et non pour le traitement en masse de grands volumes de métal liquide à 700-760°C.
9 : Quelle quantité de flux dois-je ajouter à l'aluminium en fusion et à quelle fréquence ?
Les taux d'application dépendent du type de flux et des conditions d'exploitation. Flux de couverture : 1 à 3 kg par tonne métrique d'aluminium conservée, appliqués après chaque opération d'écrémage et après tout événement perturbant la surface de la fonte (ajouts de métal, échantillonnage, immersion d'outil). Dans des conditions humides ou lorsque la fonte est maintenue pendant des périodes prolongées, le flux de couverture doit être renouvelé toutes les 30 à 60 minutes. Flux de nettoyage : 2 à 8 kg par tonne métrique d'aluminium, appliqués une fois par charge de four pendant la phase de traitement, avec un brassage minutieux pendant 5 à 10 minutes pour répartir le flux dans le volume de la matière fondue. Flux d'écumage : 5 à 15 kg par tonne métrique de crasse, appliqués directement sur la couche de crasse et incorporés à l'aide d'un râteau. Flux d'élimination de l'alcali : 3 à 10 kg par tonne métrique, avec un temps de traitement de 10 à 20 minutes d'agitation avant l'écrémage. L'application excessive de tout type de flux augmente le risque d'inclusion de sel (les particules de flux se retrouvent piégées dans le métal) et accroît le volume et le coût de l'élimination des déchets. L'optimisation systématique de la consommation de fondants - grâce à des tests RPT réguliers pour vérifier l'efficacité et à des registres de four pour suivre la consommation par rapport aux résultats de qualité - permet de réduire systématiquement le coût des fondants et la production de déchets.
10 : À quelles certifications ou normes de qualité les flux d'aluminium doivent-ils répondre ?
Les flux industriels d'aluminium pour les applications de fonderie et de coulée doivent répondre aux normes de qualité et de sécurité suivantes ou être vérifiés par rapport à celles-ci. La certification ISO 9001 du fabricant garantit une qualité de production et une traçabilité constantes. La composition chimique doit être vérifiée par le laboratoire d'analyse du fabricant pour chaque lot de production, avec des certificats de conformité disponibles pour chaque expédition. La pureté du flux est particulièrement importante pour la teneur en humidité - la présence d'eau dans le flux au-delà d'environ 0,2% peut provoquer de violentes éclaboussures lorsque le flux est appliqué à la masse fondue. La teneur en métaux lourds (plomb, cadmium, mercure) doit être confirmée en dessous des limites spécifiées, en particulier pour les flux utilisés dans l'aluminium destiné au contact alimentaire ou aux applications structurelles automobiles. La fiche de données de sécurité (FDS) conforme aux exigences du SGH doit être à jour et inclure les procédures d'urgence en cas de contact de la peau et des yeux avec le sel fondu et en cas d'inhalation de fumées de fluorure. La documentation relative à la conformité REACH est requise pour l'approvisionnement du marché européen. Pour les flux utilisés dans la production d'aluminium pour l'aérospatiale, le fabricant doit fournir des enregistrements de traçabilité complets et la composition du flux doit être vérifiée comme étant compatible avec les spécifications d'impuretés de l'alliage spécifique - en particulier pour la teneur en sodium et en calcium que le flux lui-même pourrait introduire.
Résumé : Choisir le bon flux pour votre activité dans le secteur de l'aluminium
Le flux utilisé pour l'aluminium n'est pas un produit unique mais une famille de traitements chimiques spécialisés, chacun ciblant un problème spécifique de qualité de la fonte. Le principe le plus important dans la sélection des flux est de faire correspondre la fonction du flux au problème diagnostiqué plutôt que d'appliquer un “flux d'aluminium” générique sans identifier le problème de qualité réel.
Le flux de couverture (base NaCl-KCl avec des modificateurs de fluorure) est la référence universelle - aucune opération de maintien de l'aluminium ne devrait avoir lieu sans une couverture de surface adéquate. Le flux d'écumage améliore la récupération du métal à partir de l'écume et réduit le volume des déchets dans les opérations générant une quantité importante d'écume. Le flux de nettoyage réduit la teneur en inclusions en suspension dans la masse fondue, en travaillant en synergie avec la filtration en mousse céramique en aval. Le flux d'élimination des alcalis traite la contamination par le sodium et le calcium que les flux standard ne peuvent pas résoudre. Enfin, le dégazage rotatif avec une chimie des gaz contrôlée (argon ou azote avec ajout optionnel de Cl₂) assure la fonction d'élimination de l'hydrogène que les flux solides réactifs tentaient autrefois de remplir.
Le système optimal de traitement de la matière fondue combine ces éléments dans le bon ordre - flux de couverture pour une protection continue, flux de nettoyage périodique pour la gestion des inclusions en vrac, traitement d'élimination des alcalins lorsque la composition l'exige, et dégazage rotatif comme principal outil de contrôle de l'hydrogène. Chaque composant a un rôle spécifique et le système est plus performant lorsque tous les rôles sont remplis correctement.
Chez AdTech, nous fournissons une gamme complète de produits de traitement de l'aluminium en fusion, y compris des formulations de flux, des filtres en mousse céramique et des équipements de dégazage rotatif. Notre équipe d'ingénieurs d'application aide les clients à concevoir des systèmes de traitement de l'aluminium en fusion qui atteignent leurs objectifs de qualité au coût total de traitement le plus bas.
Cet article a été préparé par l'équipe éditoriale technique d'AdTech sur la base de l'expérience acquise dans les fonderies, des recherches métallurgiques publiées et de la surveillance directe des applications dans les installations de coulée d'aluminium. Les références clés comprennent les travaux de Groteke et Neff (AFS Transactions, 1993) et les pratiques standard de l'industrie documentées par l'Aluminum Association et European Aluminium. Le contenu est revu chaque année.
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