Le reconditionnement du sable réduit les coûts d'exploitation de votre fonderie de 60 à 90 % tout en garantissant une qualité de coulée constante. Ce procédé élimine les liants et les contaminants du sable de moulage usagé afin de le réutiliser pour les opérations de coulée suivantes.
Vous devez maîtriser vos coûts tout en répondant aux exigences de production. Le reconditionnement du sable permet de relever ces deux défis en recyclant plus de 90 % de votre sable contaminé au lieu de l'envoyer à la décharge et d'acheter du sable neuf coûteux.
Il existe trois principales méthodes de reconditionnement du sable de fonderie : le reconditionnement mécanique, le reconditionnement thermique et le reconditionnement par voie humide. Chaque procédé cible des contaminants différents et permet d’obtenir des niveaux de propreté du sable variables.
Le recyclage mécanique consiste à frotter physiquement les grains de sable par attrition et par impact afin d'éliminer les revêtements de surface. Cette méthode est particulièrement adaptée aux systèmes de sable vert où l'argile bentonitique sert de liant principal.
Le traitement thermique élimine toutes les matières organiques par combustion en chauffant le sable à 670-720 °C dans un réacteur à lit fluidisé. Cette température élevée oxyde complètement les résines, les liants et les résidus carbonés que les méthodes mécaniques ne peuvent éliminer totalement.
Le procédé de récupération par voie humide utilise de l'eau et des solutions chimiques pour dissoudre et éliminer les résidus de liant. Cette méthode permet d'éliminer partiellement les revêtements et les matières organiques, mais nécessite des systèmes de traitement des eaux usées.
Voici comment ces méthodes se comparent :
| Méthode | Le coût d'exploitation | Niveau de propreté | Meilleure application | Besoin énergétique | Vitesse de traitement |
|---|---|---|---|---|---|
| Mécaniques | 1 $ / tonne | 85-90% propre | sable vert, opérations à grand volume | Faible | Rapide (continu) |
| Thermique | 6-8 $/tonne | 99-100% propre | Systèmes de sable à liaison chimique et de résine | Haute | Modérée |
| Humide | 3-5 $/tonne | 75-85% propre | Liants hydrosolubles, applications spéciales | Modérée | Lent (par lots) |
Le traitement mécanique élimine les contaminants de surface des grains de sable grâce à cinq processus séquentiels qui redonnent au sable un état utilisable pour les opérations de moulage.
Le sable usé arrive de l'usine de secouage sous forme de gros amas contenant du sable, du liant et des fragments de métal. Les brise-mottes ou les broyeurs réduisent ces amas en grains individuels et en agrégats plus petits.
Les broyeurs vibrants ou les épurateurs rotatifs appliquent des forces de friction à chaque grain de sable. Le système VIBRA-MILL, par exemple, utilise des vibrations à haute fréquence pour créer un contact intense entre les grains, éliminant ainsi les revêtements d'argile et les résidus organiques brûlés.
La durée du brossage influe sur le niveau de propreté final. La plupart des systèmes traitent le sable pendant 3 à 8 minutes. Un temps de traitement plus long élimine davantage de contaminants, mais génère également des particules de poussière fine supplémentaires qu'il faudra séparer ultérieurement.
L'action mécanique active les particules d'argile bentonite en les fragmentant en particules plus petites. Cela améliore l'efficacité de liaison de l'argile lorsqu'elle est réincorporée au mélange de sable lors du remélangeage.
Les tamis vibrants séparent le sable selon la taille des particules. On élimine ainsi deux fractions problématiques : les gros morceaux qui ne se sont pas complètement désagrégés et les fines particules (poussières de moins de 20 microns) générées lors du lavage.
Le sable de fonderie standard pour la coulée de fer présente une finesse de grain de 50 à 70 AFS. Votre système de tamisage garantit que le matériau recyclé reste conforme à cette spécification en rejetant les particules hors tolérance.
Les séparateurs cycloniques ou les dépoussiéreurs à manches extraient les particules de poussière en suspension dans l'air qui ont échappé au processus de tamisage. Cette étape est essentielle pour la qualité de l'air et empêche la propagation de la contamination dans vos installations.
Les séparateurs magnétiques éliminent les inclusions métalliques telles que les impuretés ferreuses, les résidus de grenaillage et les petits fragments de fonderie. Même de petites particules métalliques peuvent engendrer des défauts en créant des points durs dans les moules, qui résistent à la pression de tassement.
De nombreux systèmes intègrent des séparateurs électromagnétiques qui capturent les contaminants métalliques ferreux et non ferreux. Ceci protège vos meules contre l'usure prématurée et empêche les inclusions métalliques dans les pièces moulées finies.
Le sable récupéré est acheminé vers des stations d'analyse où un échantillonnage automatisé ou manuel détermine ses principales propriétés : granulométrie, teneur en argile et niveaux de contamination.
Vous vérifiez que les matériaux recyclés répondent à vos spécifications avant leur introduction dans le broyeur pour reconditionnement. Si les résultats des tests sont hors des plages acceptables, vous ajustez les paramètres de traitement ou vous orientez les matériaux vers l'élimination.
Les fonderies de pointe analysent le taux d'humidité (qui doit être de 0.5 à 1 % après le remaniement mécanique), la teneur en argile active (argile résiduelle après le lavage) et la perte au feu (matière organique restante à la surface des grains). Ces trois mesures permettent de vérifier le bon fonctionnement de votre système de remaniement.
Le traitement thermique élimine complètement les matières organiques du sable usagé en le chauffant à des températures de combustion dans une atmosphère contrôlée. Ce procédé en quatre étapes permet d'obtenir un sable aux propriétés quasi identiques à celles du sable vierge.
Votre sable usé doit d'abord subir un traitement mécanique. Les systèmes thermiques ne peuvent pas traiter les gros blocs ni gérer le volume important de poussière et de fragments métalliques présents dans le sable brut de décantation.
L'étape mécanique désagrège les agglomérats, élimine la majeure partie des contaminants et trie le sable selon la granulométrie appropriée. Cela réduit la charge de votre recycleur thermique et améliore le rendement énergétique.
Vous utilisez en fait la régénération mécanique comme prétraitement, ce qui rend le traitement thermique économiquement viable. Sans cette étape, vous gaspilleriez une quantité considérable de combustible à chauffer des contaminants inutiles.
Le sable traité mécaniquement pénètre dans un réacteur à lit fluidisé ou un four rotatif où des brûleurs le chauffent à 670-720 °C. À ces températures, toutes les matières organiques brûlent et se transforment en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau par oxydation.
L'action de fluidisation met en suspension les grains de sable individuels dans un flux de gaz chauds. Ceci assure un chauffage uniforme et empêche le frittage (la fusion des grains de sable à haute température).
La durée du traitement varie de 3 à 8 minutes selon le type de liant et le niveau de contamination. Les liants à base de résine phénolique nécessitent des températures plus élevées et des temps de séjour plus longs que les systèmes à base de furane ou d'uréthane.
La combustion est un processus exothermique. Lorsque les matières organiques s'enflamment, elles dégagent de la chaleur qui compense partiellement la consommation de combustible. Les systèmes bien conçus récupèrent et recyclent cette énergie thermique afin d'améliorer le rendement.
Le sable sort de la chambre thermique à une température de 650 à 700 °C et doit refroidir à 40-50 °C avant d'être réintroduit dans le système. La plupart des installations utilisent des refroidisseurs à lit fluidisé qui font circuler de l'air ambiant ou refroidi à travers le sable chaud.
Les systèmes de refroidissement par évaporation pulvérisent une fine brume d'eau dans la chambre de refroidissement. Au contact des grains de sable chauds, l'eau se vaporise et absorbe la chaleur. Cette méthode refroidit plus rapidement que les systèmes à air seul, mais elle génère de l'humidité dont il faudra tenir compte lors du remélangeage.
Le sable recyclé thermiquement est soumis à des tests de distribution granulométrique, de perte au feu (qui doit être inférieure à 0.5 %) et de valeur de demande en acide (une mesure de l'alcalinité résiduelle du liant brûlé).
Le pH est important car certains liants laissent des résidus alcalins même après traitement thermique. Votre sable doit avoir un pH compris entre 6.5 et 8.0. Des valeurs en dehors de cette plage peuvent nuire à la bonne adhérence des nouveaux liants ou engendrer des problèmes de résistance des moisissures.
Vous vérifiez également la dégradation thermique. Une chaleur excessive peut fracturer les grains de sable ou arrondir les arêtes vives qui assurent l'emboîtement mécanique dans les moules en sable vert. L'analyse de la forme des grains permet de s'assurer que le traitement thermique n'a pas altéré les caractéristiques physiques du sable.
Le reconditionnement du sable vert combine le sable de retour des opérations de secouage avec des matériaux frais et un contrôle précis de l'humidité pour créer un sable de moulage homogène.
Le sable de retour, issu du système de tamisage, traverse des cribles vibrants qui éliminent les fragments de métal, les résidus de carottes et les gros morceaux. Vous séparez ainsi le sable réutilisable des contaminants avant son entrée dans le système de reconditionnement.
La plupart des fonderies utilisent un tamis de 6,35 mm (1/4 de pouce) à ce stade. Les matériaux passant à travers le tamis sont ensuite reconditionnés. Les matériaux trop gros sont broyés ou mis au rebut.
Le sable revenant du tamisage atteint généralement une température de 60 à 80 °C (140 à 180 °F) en raison de la chaleur résiduelle du métal. Les systèmes de refroidissement multiples réduisent cette température à 32-43 °C (90 à 110 °F) par refroidissement évaporatif avant que le sable n'atteigne le broyeur.
Cette étape est indispensable. Une température du sable supérieure à 49 °C (120 °F) provoque une évaporation rapide de l'humidité, empêchant ainsi une activation correcte de l'argile. Le sable chaud engendre également des conditions de mélange irrégulières, sources de problèmes de contrôle dans l'ensemble du système de moulage.
Le processus de refroidissement dure de 5 à 15 minutes selon la température du sable de retour et la capacité du refroidisseur. De nombreux systèmes ajoutent 60 à 75 % du volume d'eau cible pendant le refroidissement afin de tirer parti de l'évaporation.
Chargez votre malaxeur avec le mélange de sable de retour, de sable recyclé, de sable neuf et d'argile bentonitique dans les proportions calculées. La composition typique d'une fonderie de fer est de 100 parts de sable siliceux pour 8 parts de bentonite.
N'ajoutez pas encore d'eau. Le sable et l'argile doivent d'abord être bien mélangés pour éviter que la bentonite ne forme des boules collantes au lieu d'enrober chaque grain de sable.
Le taux d'ajout de sable neuf varie en fonction du volume de coulée et de l'utilisation des noyaux. La règle traditionnelle est de 300 livres de sable neuf par tonne de métal coulé, mais les opérations modernes utilisent souvent de 10 à 40 % de sable neuf en fonction des résultats des tests de perte au feu et des exigences du système.
Faites fonctionner le broyeur pendant 2 à 5 minutes afin de répartir uniformément la bentonite dans le mélange de sable. Les roues du broyeur compriment le sable contre les parois de la chambre tandis que les lames de labour cisaillent et mélangent continuellement le matériau.
Vous créez un mélange sec et homogène avant d'y incorporer l'humidité. Cela évite la formation de grumeaux et garantit que chaque grain de sable reçoive un enrobage d'argile uniforme.
Veillez à ce que la couleur soit uniforme dans tout le mélange. Lorsque vous ne voyez plus de stries ou de zones de couleur différente, le mélange à sec est terminé.
Ajoutez environ 60 à 75 % de la quantité d'eau souhaitée pendant que le broyeur fonctionne. Introduisez l'eau lentement par les buses de pulvérisation plutôt que de la verser en grande quantité.
L'eau active l'argile bentonite en la faisant gonfler et en lui conférant une certaine plasticité. Un ajout trop important et trop rapide d'eau crée des zones humides localisées qui ne se répartissent jamais uniformément dans le mélange.
Pour les opérations de fonderie de fonte, la teneur en humidité totale cible est généralement de 3.0 à 3.5 %. Si votre cible est de 3.2 %, ajoutez environ 2.0 à 2.4 % d'humidité lors de cette première étape.
Arrêtez la broyeuse et effectuez un test de compression. Prenez une poignée de sable et comprimez-la fermement. Le sable doit former une boule qui conserve sa forme sans s'effriter, mais qui se brise net lorsqu'on la laisse tomber d'une hauteur de taille.
Si la balle s'effrite immédiatement, il vous faut plus d'eau. Si elle reste compacte après avoir touché le sol, vous en avez mis trop.
Ajoutez les 25 à 40 % d'humidité cible restants par petites quantités de 0.1 à 0.2 %. Mélangez soigneusement pendant 1 à 2 minutes après chaque ajout et vérifiez la consistance du sable.
Il est toujours possible d'ajouter de l'eau, mais il est plus difficile d'en retirer. Prenez votre temps à cette étape pour atteindre précisément le taux d'humidité souhaité.
Poursuivez le malaxage pendant 5 à 10 minutes supplémentaires après avoir atteint le taux d'humidité souhaité. Ce malaxage prolongé permet à l'eau de pénétrer complètement les particules de bentonite et de se répartir uniformément dans la masse de sable.
L'action de cisaillement des meules active l'argile en brisant les amas et en exposant une surface fraîche. L'argile activée offre la résistance nécessaire à la fabrication de moules de qualité.
Videz le sable concassé et laissez-le reposer 10 à 30 minutes avant utilisation. Ce temps de repos permet à l'humidité de s'homogénéiser dans toute la masse de sable et réduit les zones localement humides ou sèches.
Certaines fonderies mélangent du sable fraîchement broyé avec du sable provenant de lots précédents durant cette période. Ce mélange inverse améliore l'homogénéité et contribue à atténuer les légères variations entre les lots.
Dans les installations à haut volume avec systèmes de sable continus, la période d'équilibrage n'est pas toujours possible. Si vous devez sauter cette étape, prolongez le temps de broyage de 3 à 5 minutes en conséquence.
Mélangez brièvement le sable (1 à 2 minutes) juste avant de l'envoyer aux machines de moulage. Ce dernier mélange redistribue l'humidité qui s'est séparée pendant le stockage et garantit des propriétés uniformes au poste de moulage.
Effectuez un dernier test sur le sable afin de vérifier son taux d'humidité, sa compactibilité et sa résistance à la compression à l'état frais. Ces trois propriétés doivent se situer dans les plages de contrôle avant la mise en production du sable.
Le sable vert correctement régénéré a une durée de vie indéfinie si l'on maintient des niveaux d'argile, une teneur en humidité et une perte au feu (LOI) corrects grâce à des ajouts réguliers de sable et de bentonite. La plupart des fonderies ne remplacent intégralement leur système de sable qu'en cas de changement d'alliage ou suite à une panne d'équipement ayant contaminé l'ensemble du système.
Le sable peut être reconditionné au fil de nombreux cycles, mais il est indispensable de remplacer régulièrement 10 à 40 % de son contenu par du sable neuf afin de compenser les pertes dues au secouage, à la pénétration des métaux et à l'élimination des poussières fines. Les grains de sable restent utilisables pendant 50 à 100 cycles, voire plus, mais la teneur en argile et l'accumulation de perte au feu nécessitent une gestion continue.
Remplacez complètement le sable lorsque la perte au feu (LOI) dépasse 5 %, lorsque les valeurs de demande en acide dépassent les plages acceptables (indiquant une accumulation de liant), ou lorsque des propriétés physiques telles que la perméabilité et la résistance à cru ne peuvent être rétablies par un reconditionnement normal. Une production excessive de poussières fines et des défauts de coulée persistants signalent également que le sable est en fin de vie.
