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L'analyseur d'hydrogene Alscan: a l'assault de l'industrie mondial de l'aluminium.

L'analyseur d'hydrogene Alscan: A l'assault de l'industrie mondiale de l'aluminium

Durant les operations de coulee de l'aluminium, entre le moment ou le metal sort des cuves d'electrolyse (ou des fours de refonte) et celui ou l'alliage est refroidi en lingots de formes appropriees, trois parametres font l'objet d'une attention particuliere, soit: A) la composition chimique de l'alliage (et, en particulier, la teneur en elements alcalins, tels le lithium et le sodium); B) la tenuer en inclusions non metalliques; C) la tenuer en hydrogene dissous.

La majeure partie des traitements appliques au metal en fusion vise a controler un des ces parametres: ainsi, le TAC (Traitement de l'aluminium en creuset) permet d'eliminer les elements alcalins, les filtres ABF (`Alcan Bed Filter') enlevent efficacement les inclusions non-metalliques et les unites de degazage SNIF <1> (marque de commerce de Union Carbide (USA)) ou ALPUR <2> (marque de commerce de Aluminium Pechiney (France)) reduisent les niveaux d'hydrogene.

Dans tous ces cas, pour determiner l'efficacite des traitements appliques et pour certifier la qualite finale du lingot coule, il nous faut posseder les outils de mesure adequats. Or, ceci n'est vrai que pour les deux premieres categories citees plus haut.

Tous les centres de coulee sont equipes d'appareils d'analyse du metal par spectroscopie d'emission optique, qui permettent d'obtenir en quelques minutes la composition exacte d'un echantillon de metal refroidi; on peut anisi s'assurer de respecter les normes relatives a la teneur en elements d'alliage (et en alcalins). De meme, le Centre de recherches et de developpement Arvida a developpe un analyseur en continu de la teneur en inclusions du mutal en fusion (la 'proprete'), le LiMCA ('Liquid Metal Cleanliness Analyser'), qui test est complete par une autre technique Alcan, l'analyseur PoDFA ('Porous Disk Filtration Apparatus').

A ce jour, l'analysse de l'hydrogene est demeuree le parent pauvre de l'industrie. Bien que de nombreuses approches aient ete essayees durant les cinquante dernieres annees, aucune ne repond aux besoins actuels. Les methodes disponibles actuellement peuvent etre reparties en deux categories:

1) les analyses en laboratoire d'echantillons de metal refroidi; 2) les analyses en usine.

Dans le premier cas, un echantillon de metal en fusion est transfere dans un moule, refroidi et expedie a un laboratoire pour analyse selon l'une de deux methodes communement appelees 'Ransley' (extraction sous vide) ou 'LECO'[3] (fusion en presence d'un gaz porteur). La premiere requiert un montage experimental complexe et demande plusieurs heures d'analyse par echantillon (d'ou son cout eleve), mais fournit les meillurs resultats; la seconde utilise un appareillage commercial, est sensiblement plus rapide mais produit des resultats variables. Peu importe la methode selecrtionne, cette approche implique des delais prihibitifs entre la prise de l'echantillon et l'obtention des resultats: generalement, les lingots d'interet auront quitte le centre de coulee depuis belle lurette lorsque les resultats arrivent. En ce qui concerne la deuxieme categorie de methodes, il existe une technique nommee Telegas qui, en 10 minutes, ands l'usine meme: cette techique, mise en marche par Aicoa, a ete mise au point durant les annees 1950. Or, les sondes utilesees sont fragiles, sujettes a blocage et res cheres, et l'appareil de mesure, peu pratique a utiliser dans un centre de coulee, souffre de problemes chroniques de fiabilite; de telle sorte que la ou cette technique a ete implantee, l'analyseur est generalement abandonne a la rouille dans le fond d'un entrepot.

Le besoin de l'industrie pour un analyseur en continu fiable est plus pressant que jamais.

D'ou provient l'hydrogene et pourquoi s'en

preoccupe-t-on?

L'hydrogene est le seul gaz ayant une solubilite non negligeable dans l'aluminium en fusion (figure 1); cependant, cette solubilite demeure tres faible, de l'ordre de 1 ppm (partie par million) en poids, a 700 [degrees] C[6]. (Les composantes de l'air n'entrent pas en solution dans l'aluminium - l'azote et l'argon servent d'ailleurs de gaz inertes dans les operations de dgazage, alors que l'oxygene reagit avec l'aluminium pour former de l'alumine).

Si la teneur en hydrogene de l'aluminium nous preoccupe, bien que ce gaz ne fasse pas partie de l'atmosphere environnante, c'est que:

1) il existe une source chimique importane de ce gaz dans le procede 2) son comportement lors de la solification de l'aluminium peut occasioner de graves problems dans les operations subsequentes de laminage.

La source principale d'hydrogene decoule de la reactivite chimique elevee de l'aluminium qui, surtout a l'etat liquide, est un excellent reducteur. Lorsqu'expose a de la vapeur d'eau (par example, l'humidite de l'air ambian), la reaction suivante prend place:

2 Al + 3 [H.sub.2]O - [Al.sub.2][O.sub.3] + 3 [H.sub.2] L hydrogene est donc genere in-situ; cette reaction est d'ailleurs doublement dommageable puisqu'elle genere aussi des films d'oxyde d'aluminium (un type d'inclusions non-metalliques) indesirables.

Bien que le metal en fusion se deplace dans un centre de coulee dans des dalots ouverts a l'air libre, ceci ne constitue pas la principale contribution a la generation d'hydrogene. En effet, la surface du metal est partiellement protegee par une mince couche flexible d'oxyde. Cependant, les etapes premieres de traitement du metal ont lieu dans des fours a grande surface chauffes par des bruleurs puissants utilisant des combustibles fossiles (gas naturel, huile): dans ces fours, la surface surchauffee du metal est exposee, directement aux grandes quantities de vapeur d'aeu generees par toute combustion de produits organiques et presentes dans la flamme des bruleurs.

La presence d'une petite quantite d'hydrogene dissous dans l'aluminium en fusion ne serait pas cause d'inquietude si cen n'etait de son comportement lors de la solification du metal en lingot. En effet, au point de solidification (660[degrees]C pour le metal pur) la solubilite diminue de facon dramatique, forcant l'expulsion de gaz excedentaire hors de la "solution" et occassionnant la formation de bulles de gaz dands la structure solide. La porosite ainsi creee va entrainer une dimunition importance des carateristiques mecaniques du lingot pendant les operations de laminage (a l'extreme, ce phenomene peut resulter en des fractures ou meme en l'explosion' du lingot). A l'inverse, dans les applications en feuille mince ou la qualite de surface est importante, comme les plaques lithographiques, la presence d'un exces d'hydrogene peut conduire a la formation de soufflures ('cloques') qui ruinent la surface.

Pour eliminer ce probleme, il faut reduire, et maintenir, la tenuer, en hydrogene dissous a un niveau inferieur a sa solubilite dans le solide, soit approximativement 0.15 ml [H.sub.2]/100 g de metal.

Du concept de base a la mise en marche du

produit fini

"Si alcan desire devenir le meneur de l'industrie au chapitre de la qualite, la commercialisation d'un analyseur d'hydrogene en continu, fiable et abordable, et dont les sondes fonctionnent correctement, s'inscrit exactement dans la strategie globale."

Rick Bruski,

Directeur technique,

Dural Aluminium Composites Corporation,

San Diego, CA.

La premiere etape dans le developpement d'une nouvelle technologie d'analysse de l'hydrogene fut la generation d'un nouveau concept de sonde qui permettrait d'utiliser la meme approche physique que l'analyseur Telegas, sans en avoir les inconvenients. Ce concept[4], illustre a la figure 2, remplace l'assemblage de ceramique d'alumine haute densite (fragile), d'une coupole de recuperation du gaz et d'un element filtrant, par unde simple piece de ceramique poreuse. Dans les deux cans, un gaz inerte (de l'azote) circule en boucle fermee dans les tuyaux inseres dans les sondes. Un detecteur de conductivite thermique[5] est integre a un bloc d'instrumentation et permet de determiner la concentration d'hydrogene dans le gaz porteur, ce qui, a l'equilibre, permet de deduire la concentration en hydrogene dissous dans le metal. Cependant, dans un cas, l'echange hydrogene dissous/hydrogene gazeux s'opere via les bulles d'azote emises dans le metal et recapturees par la sonde Telegas alors que dans l'autre, cet echange a lieu au travers des porteur. Il en resulte une sonde robuste, a l'epreuve des chocs thermiques et des blocages, et d'un cout modere.

Ce concept de base fut d'abord mis a ;'epreuve pendant une serie d'essais preliminaires realises pendant l'ete 1986. Apres avoir demontre la validite de l'approche, un an de travail s'ensuivit pour selectionner les materiaux et methodes de montage et evaluer les performances analytiques d'un tel type de sonde. Il est rapidement apparu que ce concept permettrait d'operer dans une tres vaste gamme d'alliages avec des performances analytiques egales ou superieures aux meilleures methodes disponibles. Une deuxieme periode intensive de developpement en 1988 a maintenant permis d'entedre son fonctionnement aux alliages de fonderie contenant jusqu'a 22% d'elements d'alliage, de meme qu'aux nouveaux alliages comme l'aluminium-lithium.

La figure 3 presente les performances et le cout relatif par analyse pour cette nouvelle sonde en comparaison avec les trois techniques de mesure de l'hydrogene les plus respondues.

Devant les performances fort satisfaisantes de cette approche et en l'absence d'une instrumentation commerciale adequate, nous avons donc resolu de proceder au developpement d'un ensemble technologique complet qui comprendrait sonde, analyseur, outils d'etalonnage et de diagnostic et accessoires. Pour ce faire, une collaboration intense fut etablie pendant l'ete de Quebec (Bomem, la companie qui fabrique deja les analyseurs LiMCA_. Ceci nous a amenes a la production de quatre prototypes d'evaluation en 1988, a partir desquels il a ete possible de finaliser la conception d'analyseurs commerciaux.

Ce nouvel analyseur a ete officiellement devoile lors du congres de l'AIME (American Institute of Mining and Metallurgical Engineers) tenu a Las Vegas fin fevrier 1989 et, depuis ce temps, il est offert en vente a tous les representantss de l'industrie mondiale de l'aluminium. A ce jour, 36 analyseurs ont ete vendus a travers le monde, dont la moitie a l'exterieur du reseau Alcan.

References

1 SNIF (marque de commerce de Union Carbide (USA)) 2 ALPUR (marque de commerce de Aluminium Pechiney (FRance)) 3 LECO marque de commerce de LECO (USA)) 4 Brevet US No. 4,907,440. Brevet canadien en instance 5 Brevet US No. 4,918,974. Brevet canadien en instance 6 La tenuer en hydrogene est generalement exprimee en ml de gaz equivalents (mesures en conditions normalisees) par 100 g de metal; 1 ml d'hydrogene par 100 g de metal correspond, a 10% pres, a 1 ppm en poids.

PHOTO : Les membres de l'equipe du CRDA qui ont participe au developpement de l'analyseur d'hydrogene Alcan; de gauche a droite: Normand Perron, Francois Tremblay, Denys Lapointe, Claude Dupuis et Jean-Pierre Martin MCIC. Photo: Pierre Paradis Inc.

PHOTO : Figure 1 Solubilite de l'hydrogene dans l'aluminium (sous une pression de 1 atm d'hydrogene)

PHOTO : Figure 2 Comparaison entre les sondes Alcan et Telegas

PHOTO : Figure 3 Analysee de l'hydrogene dans l'aluminuim
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Author:Martin, Jean-Pierre
Publication:Canadian Chemical News
Date:Jul 1, 1990
Words:1739
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