Utilisation de capteurs haute température en pyrométallurgie

Table des matières

D’une manière générale, la métallurgie fait référence aux processus par lesquels les métaux sont extraits de leurs minerais (ou de matériaux recyclés) et préparés pour être utilisés dans la production et le raffinage des métaux. La pyrométallurgie est le terme désignant les processus dans lesquels une chaleur extrêmement élevée est utilisée pour extraire les métaux par fusion, suivi d’un affinage au feu et éventuellement d’une coulée. Dans certains cas, comme dans le cas de l’extraction de l’aluminium, l’électrolyse (électrométallurgie) est nécessaire comme étape finale.

Ces processus impliquent tous un contrôle de la température des métaux en fusion (liquides), qui sont globalement divisés en trois catégories :

  • fer (ferreux)
  • acier
  • non ferreux (aluminium, cuivre, plomb, nickel, étain, titane et zinc, ainsi que les alliages de cuivre comme le laiton et le bronze).

Pour garantir la qualité des produits et la productivité des usines, les usines de fabrication et de recyclage des métaux doivent maintenir le métal en fusion dans des limites de température exactes avant que la masse fondue puisse être raffinée et coulée. Ceci est essentiel pour éviter divers problèmes de processus, par exemple : une température trop basse peut entraîner des problèmes de coulée, tandis que des températures trop élevées entraînent des coûts énergétiques supplémentaires. La précision, la reproductibilité et la fiabilité de la mesure de la température du métal en fusion constituent donc un élément essentiel de la pyrométallurgie et détermineront en fin de compte la qualité du produit final.

Sur cette page, nous verrons comment les thermocouples (ultra) hautes températures de Kamet, également appelés thermocouples exotiques, peuvent être utilisés comme thermomètres métallurgiques. Leur fonction est de surveiller et de contrôler les processus de fusion, d’affinage et de coulée dans d’immenses raffineries ou usines de production ou, par exemple, dans le cadre d’applications de recherche ou de recyclage.

Quels thermocouples haute température sont les mieux adaptés à la pyrométallurgie ?

Ce sont les thermocouples les plus couramment utilisés dans les applications de métaux en fusion, telles que les fonderies et les aciéries :

TypePositiveNégativePlage de températureApplication
Type KNiCrNi-270 à 1260°CAdapté au point de fusion légèrement inférieur du cuivre et de l’acier. Également capable de résister à l’environnement difficile des fours de fusion d’aluminium et des bains d’électrolyte fondu.
Type NNiCrSilNiSil-270°C à 1260°CRésistez à la chaleur extrême et fournissez des mesures fiables dans les environnements difficiles des fours. Excellente précision et stabilité thermoélectrique en particulier à des températures supérieures à 900°C.
Type SPt10%RhPt0°C à 1450°CSurveiller et contrôler les températures dans les fours de maintien pendant la fusion et la coulée des métaux. Couramment utilisé pour les fontes d’acier, d’aluminium et de zinc. Le type S offre une stabilité et une précision à relativement long terme dans les environnements difficiles. Remarque : les tensions de sortie pour un fonctionnement continu ne sont stables que jusqu’à environ 1 300 °C      
Type RPt13%RhPt0°C à 1450°CTrès similaire au type S, cependant en raison du pourcentage plus élevé du rhodium, il est légèrement plus stable. Il convient de noter qu’une différence significative entre les thermocouples S et R est que le type R a un gradient de température environ 12 % plus élevé (coefficient Seebeck) que le type S.

Le choix exact du thermocouple dépend de l’environnement d’application spécifique, de sa position, de la plage de température à mesurer et du choix des fils de compensation. Il est important de prendre également en compte les facteurs de stress thermiques et mécaniques.

Si vous mesurez un point spécifique du métal en fusion, un thermocouple plus petit peut suffire. Pour une couverture plus large, optez pour une taille plus grande. Nos thermocouples (exotiques) à ultra haute température sont disponibles dans une variété de longueurs, de diamètres et de connecteurs. Différentes classes de thermocouples conviennent à l’instrumentation et à la configuration locales.

Localisation des thermocouples dans les fours de fusion des métaux

De manière générale, il existe trois options pour l’emplacement des thermocouples lors de la fusion du métal. Chacun présente des avantages et des inconvénients spécifiques.

  1. La conception la plus basique est celle où le thermocouple est placé dans la chambre du four, derrière le creuset de fusion. Cela permet des temps de chauffage rapides, mais en raison de la mesure indirecte de la température, il a tendance à ne pas être économe en énergie, des températures plus élevées que nécessaires étant souvent utilisées.
  2. Une mesure de température beaucoup plus précise s’effectue en plaçant le thermocouple directement dans le métal en fusion (thermocouple à immersion). Cependant, en raison des conditions extrêmes d’un tel placement, le thermocouple a plus de risques de défaillance et les gaines sont considérées comme jetables, car elles ne peuvent être utilisées qu’une seule fois.
  3. Le thermocouple peut également être placé à l’intérieur d’une poche dans la paroi du creuset (cela nécessite un creuset spécialement conçu). Ce n’est pas aussi précis qu’un thermocouple à immersion, mais il s’agit d’une mesure plus directe que le placement dans la chambre du four (1) tout en prolongeant la durée de vie du thermocouple par rapport à l’immersion (2).

Dans la mesure du possible, une combinaison d’au moins deux de ces trois positions offre les lectures les plus précises. Si un thermocouple tombe en panne, il existe toujours des lectures pour l’autre.

Quelle que soit la (combinaison de) positions choisie, il est très important de garantir une isolation électrique appropriée et une bonne connexion entre le thermocouple et l’instrument de mesure.

Protection du thermocouple en pyrométallurgie

Il est essentiel d’envisager le montage approprié pour protéger le thermocouple dans les applications métallurgiques : Les métaux et sels en fusion corrodent les capteurs non protégés. Les thermocouples peuvent également être affectés par les couches de scories ou de scories ainsi que par l’environnement enfumé et sale. Il existe également le défi de trouver un équilibre entre un temps de réponse plus rapide (gaine plus fine) et une meilleure protection des thermocouples (paroi plus épaisse) tout en garantissant une mesure précise et fiable. Le choix à cet égard dépend du positionnement et de l’assemblage du thermocouple, du type de métal en fusion mesuré ainsi que d’autres facteurs environnementaux.

Veuillez noter que pour les thermocouples à immersion utilisés en pyrométallurgie, des boîtiers spéciaux sont nécessaires pour protéger le capteur de l’éperlan. Cela pourrait également être le cas pour les thermocouples qui pourraient être exposés à des éclaboussures. Pour cela Kamet a choisi de stocker les options suivantes :

Carbure de silicium lié au nitrite (sans chambre à air en acier)

Ce boîtier de thermocouple convient aux applications non ferreuses jusqu’à 1 500 °C. Dans les applications où l’usure mécanique est faible, le potentiel de durée de vie est excellent, ce qui en fait un choix très économique. Certaines des caractéristiques bénéfiques comprennent :

  • une gamme de tailles
  • durable
  • le préchauffage n’est pas nécessaire
  • excellente résistance à l’érosion
  • bons temps de réponse

Carbure de silicium (avec tube intérieur en acier)

Adaptés aux fours de fusion du laiton et de l’aluminium jusqu’à 1 000 °C, nos tubes en carbure de silicium protègent non seulement le thermocouple de la chaleur élevée et des produits chimiques agressifs présents dans la fumée. Ils :

  • offrent une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques grâce à la teneur élevée en graphite et en carbure de silicium (environ 90 %)
  • peut résister à une immersion répétée dans de l’aluminium fondu sans se fissurer
  • sont disponibles dans une gamme de diamètres et de longueurs
  • ne nécessite aucun revêtement supplémentaire

Fonte

Les tubes de protection des thermocouples en fonte, disponibles avec ou sans revêtement céramique, sont conçus pour être utilisés dans des environnements à températures élevées et charges mécaniques élevées. Ces tubes sont spécialement formulés pour les applications dans les fours de fusion de métaux tels que l’aluminium, le magnésium et le zinc. Leur conception robuste les rend également adaptés à d’autres applications industrielles où la durabilité et la résistance à la température sont essentielles.

Sialon/Sylon

Il s’agit d’un alliage céramique qui constitue un choix populaire et bien établi dans les industries métallurgiques, en particulier pour l’aluminium, le cuivre et le laiton. Nos tubes de protection pour thermocouples fabriqués avec ce matériau présentent quelques caractéristiques clés :

  • excellente conductivité thermique
  • haute résistance aux chocs thermiques
  • pas d’érosion ni de réaction chimique dans les fontes d’aluminium
  • adapté à l’immersion ainsi qu’à la mesure indirecte de la température du métal en fusion
  • non mouillant

Nous proposons en outre une gamme de conceptions de gaines de thermocouples ed pour les applications à haute température, parmi lesquelles les éléments suivants peuvent également être utilisés dans certaines applications pyrométallurgiques (veuillez noter que les températures sont des indications et dépendent des paramètres d’application) :

  • Acier inoxydable 304 (900°C)
  • Le 316 SS (900°C) offre une meilleure résistance à la corrosion que le 304 SS
  • Le 310 SS (1 500 °C) est le plus adapté aux métaux fondus. Il inclut des propriétés telles que la résistance aux chocs thermiques, ne contamine pas la masse fondue, la résistance à la dégradation même dans les alliages d’aluminium et de lithium.
  • L’alliage Haynes 556 (1 000 °C) est l’une des rares gaines capables de survivre dans le zinc fondu.
  • Alumine Al2O3 (1650°C)
  • INC600 (1175°C)
  • INC601 (1200°C)
  • Pyrosil D (1250°C)
  • Syalon/Sialon (jusqu’à 1400°C selon le type)

Quelques applications métallurgiques spécifiques de nos thermocouples

Fonderie d’aluminium

La production d’aluminium est un processus complexe. Bien que l’aluminium pur (Al) soit un élément naturellement abondant, il est extrêmement difficile à extraire car il est toujours lié à d’autres éléments chimiques sous forme de sels ou d’oxydes. Les thermocouples à ultra haute température ont un rôle important à jouer dans la mesure et le contrôle de la température lors de l’extraction directe à l’aide de fours de fusion d’aluminium. Cependant, les températures très élevées requises et la longueur du processus nécessitent des équipements très spécialisés et coûteux, avec d’énormes coûts énergétiques.

Pour cette raison, une méthode plus courante est l’extraction par une réaction de séparation chimique, réalisée au moyen de pots d’électrolyse (également appelés pots de réduction). Ce processus à haute température (900°C – 1 000°C) est contrôlé par des ordinateurs connectés à des thermocouples haute température distants pour assurer un fonctionnement optimal du pot d’électrolyse. Il s’agit d’un environnement difficile pour les capteurs car la réduction de l’alumine oxydée est très agressive et le bain chimique corrode rapidement les thermocouples. Le type K est le plus adapté à ce procédé, en particulier avec des parois épaisses d’au moins 5,5 mm de diamètre extérieur.

Le recyclage de la ferraille d’aluminium est une autre application de nos thermocouples exotiques. Le métal est refondu, ce qui est beaucoup moins cher et plus économe en énergie que la production d’aluminium vierge par électrolyse ou par fours de fusion. En effet, le recyclage des déchets d’aluminium ne représente que 5 % de l’énergie utilisée pour les extraire du minerai brut.

Les thermocouples sont exposés à des conditions environnementales extrêmes dans tous ces processus de production d’aluminium. En tant que tel, un boîtier de protection est nécessaire, comme nos tubes en carbure de silicium lié au nitrite ou notre céramique Syalon.

Fusion et extraction du cuivre

La production de cuivre a généralement lieu soit par fusion par lots, soit par coulée continue. Il s’agit du procédé pyrométallurgique le plus chaud, entre 1 150°C et 1 200°C. Dans les deux cas, les thermocouples jetables haute température ou les thermocouples à capteur continu ont un rôle important à jouer pour garantir que les températures requises pour le cuivre fondu sont maintenues tout au long de ce processus.

En particulier lors de la deuxième étape de transformation du cuivre en sa forme finale, connue sous le nom de fabrication du cuivre, l’objectif principal est d’utiliser de l’air riche en oxygène pour transformer le produit initial en cuivre en cuivre blister, qui est du cuivre presque pur (99 à 99,5 % de cuivre). . Cette étape implique certaines réactions chimiques qui dégagent beaucoup de chaleur, rendant le procédé auto-entretenu en termes de température. Pour maintenir la température stable à environ 1 250 °C, de la ferraille ou du cuivre recyclé non chauffé (appelé charge froide) est ajouté.

Le processus de récupération des ressources à partir des scories de cuivre est lié à la fusion du cuivre. Les scories de cuivre sont un polluant potentiel en raison des éléments qui s’infiltrent progressivement dans le sol, les eaux (souterraines) et l’air. Des recherches récentes se sont concentrées sur le fait que la teneur en cuivre et en fer des scories de cuivre est supérieure à celle du minerai. Le traitement de ces scories pour en récupérer les ressources peut se faire de différentes manières, notamment par la pyrométallurgie.

Nous proposons deux options de boîtiers de protection bien adaptés aux thermocouples à immersion utilisés dans l’extraction du cuivre : du carbure de silicium lié au nitrite ou des tubes en syalon/sialon.

Aciéries

La fonte brute est transformée en acier en éliminant les impuretés, telles que le carbone et les scories, en fonction du type d’acier fabriqué. Les températures très élevées impliquées (jusqu’à 1600°C) font de nos tubes en carbure de silicium (SIC) et en alumine (A1203) une bonne solution pour protéger les thermocouples. Ceux-ci peuvent être utilisés dans l’un des processus d’extraction d’acier suivants :

  • fabrication de l’acier à l’oxygène : la fonte fondue est transformée en acier en soufflant de l’oxygène dessus à l’intérieur d’un convertisseur d’oxygène. La connaissance de la température est importante pour optimiser le processus et prolonger la durée de vie du revêtement intérieur du four.
  • hauts fourneaux : une surveillance et un contrôle précis de la température sont essentiels pour une production de fer efficace et pour optimiser le processus.
  • dômes de poêles : partie intégrante du processus de haut fourneau. Seulement une fois qu’il a été chauffé à une certaine température avant d’être mis au sablage.
  • fours à arc électrique : ils utilisent l’énergie électrique pour produire de l’acier à partir de ferraille. Les thermocouples contribuent à garantir l’efficacité et une fusion uniforme.
  • Coulée lourde : l’acier en fusion est solidifié en une brame semi-finie, puis dans l’usine de finition, il est utilisé pour couler des métaux de longueurs ininterrompues. Comme pour les autres moyens de production de métaux, la bonne température doit être maintenue pour produire un produit de haute qualité (dans ce cas des billettes d’acier).
  • fosses de trempage – ce sont des fours destinés à contenir des lingots d’acier chauds afin d’égaliser leur température avant un traitement ultérieur. Des thermocouples à ultra haute température sont nécessaires pour surveiller le processus d’égalisation de la température

Pyrométallurgie du zinc

La première étape de la fabrication du zinc consiste à « griller » le sulfure de zinc à haute température (860°C et 960°C) afin de l’oxyder et de produire de l’oxyde de zinc impur, également connu sous le nom de calcine de zinc. Les hauts fourneaux et les fours électriques, tels que ceux utilisés pour l’extraction de l’acier (voir ci-dessus), peuvent être utilisés pour l’extraction du zinc, les thermocouples à haute température jouant un rôle important dans la mesure et le contrôle de la température du processus. La température des fours doit être maintenue au-dessus du point d’ébullition du zinc (906°C). La deuxième étape est généralement une électrolyse à basse température pour produire des cathodes de zinc.

Parfois, une troisième étape est nécessaire : la fusion et le coulage. La fusion du zinc est plus difficile que celle des autres métaux en raison de son point d’ébullition plus bas. Cela rend le rôle des thermocouples très important pour contrôler que les températures ne montent pas suffisamment haut pour que le zinc se transforme en gaz et s’échappe du four.

Enfin, les thermocouples exotiques sont importants dans la galvanisation du zinc – un processus à environ 400°C-500°C par lequel l’acier ou le fer est recouvert de zinc pour assurer une protection contre la rouille.

Science et recherche métallurgiques

Les thermocouples à ultra haute température ont également une fonction dans toutes les applications de recherche pyrométallurgique impliquant des fours et des fonderies métalliques. L’un de ces domaines est la recherche sur la récupération efficace des métaux précieux à partir des cathodes des batteries lithium-ion. Avec la prévalence toujours croissante des véhicules électriques, il s’agit d’un domaine de recherche essentiel et les thermocouples à haute température fournissent des moyens cohérents et précis de surveillance et de contrôle de la température dans ces processus.

Gamme de thermocouples et services d’assistance de Kamet

En conclusion, les thermocouples exotiques, comme ceux de Kamet, constituent un choix exceptionnel pour les environnements à températures extrêmes dans le domaine varié de la pyrométallurgie. Non seulement ils sont capables de surveiller les températures extrêmes, mais ils disposent également d’un haut degré de précision. Cette robustesse et cette précision constituent la combinaison idéale pour la détection de température en métallurgie.

Les spécifications détaillées sur la gamme complète de thermocouples et de gaines haute température dépassent le cadre de cet article. Vous préférez un conseil personnalisé et spécifique à votre candidature ? Nos spécialistes internes des thermocouples se feront un plaisir de vous aider – veuillez nous contacter si vous avez des questions.