Projet de silos de stockage d'alumine à usage industriel pour une fonderie d'aluminium

Exigences techniques relatives à l'alimentation en continu de l'alumine dans les systèmes de fusion de l'aluminium et de production électrolytique

Dans la production d’aluminium par électrolyse, le silo de stockage de la fonderie d’aluminium est un élément actif du système qui assure l’alimentation continue des cellules d’électrolyse en alumine. La dynamique du processus impose généralement que le débit d’alimentation varie en moyenne de ±1–2% au-dessus de la valeur moyenne. Les conceptions modernes des silos de stockage d’alumine doivent donc permettre des déchargements réguliers de 20 à 60 cycles par jour et éviter l'instabilité de l'écoulement. Une configuration industrielle type peut adopter une système de silos assemblés par boulons afin de faciliter une installation rapide et une extension évolutive des capacités dans les fonderies.

Industrie de la fusion des métaux non ferreux

Dans les applications liées aux systèmes de silos des fonderies d'aluminium, l'alumine se présente sous la forme d'une poudre fine et cohésive d'environ 50 à 150 μm en termes de taille. Cela rend l’alumine fluide très sensible aux variations de la teneur en humidité et au compactage. Le traitement de l’alumine en présence d’une teneur en humidité de 0.5–1.0% peut entraîner une baisse durable du rendement de refoulement pouvant atteindre 15–25% et nuire au rendement des cellules d'électrolyse.

Stabilité de l'écoulement et conception anti-agglomération pour les systèmes de silos de poudre d'alumine dans les applications métallurgiques

La conception sophistiquée des systèmes de silos pour poudre d'alumine permet de mettre en place des configurations d'écoulement qui éliminent activement les phénomènes d'écoulement statique et de compactage. Dans un système conçu pour l'écoulement de poudres en vrac et cohésives, la capacité de stockage de l'alumine est généralement de 300 à 3 000 tonnes avec un débit de 10 à 80 tonnes par heure. Les projets modernes adoptent souvent une silo en acier à haute résistance configuration visant à améliorer la résistance à l'abrasion et la stabilité structurelle à long terme dans des conditions d'abrasion par l'alumine.

L'un des principaux défis rencontrés lors de la conception d'un système de silo à alimentation continue réside dans l'uniformité du flux de matière, car l'alumine présente un problème de frottement interne élevé. Le coefficient de frottement interne de l'alumine varie entre 0,35 à 0,55 en fonction de l'état de la surface et de l'humidité. On s'attend à ce qu'un silo mal conçu présente un schéma d'écoulement en entonnoir de 40% ou une partie plus importante du volume du silo, ce qui augmente le risque de formation de « trous de rat ».

Les grands principes de conception sont les suivants :

• Géométrie du débit massique : L'angle de la trémie est fixé entre 65 et 75° afin de garantir que le silo soit entièrement vidé.
• Frottement contre la paroi : Le revêtement interne de la trémie est conçu pour réduire le coefficient de frottement entre 20 et 35%.
• Conception à débit variable : Une variabilité du débit comprise entre ±3 et 51 TP6T est admise pour le procédé électrolytique en continu.

Dans la conception d'une fonderie, les silos destinés au stockage de matériaux en vrac secs sont conçus à l'aide de la modélisation des écoulements par dynamique des fluides computationnelle (CFD) afin de visualiser les zones de stagnation et de concevoir la structure de manière à éviter les risques opérationnels, qui peuvent atteindre 30%.

Pour l'ingénierie des performances de stockage Alumina

Parmi les autres contraintes opérationnelles, on peut citer :

• Réglage de la sensibilité au compactage : La densité apparente est stabilisée, avec une variation normale comprise entre 800 et 1 100 kg/m³.
• Régulation de la pression d'aération : Les systèmes d'aération des silos fonctionnent à une pression comprise entre 0,02 et 0,06 MPa.
• Stabilité en température : La variation de température est maintenue à ±10 °C afin d'éviter tout risque de condensation

Comportement d'écoulement de la poudre d'alumine et mécanisme de risque de compactage dans les systèmes de stockage des fonderies

Dans les systèmes de silos destinés à la poudre d'alumine, la fluidité de cette dernière dépend de son comportement cohésif. En effet, la teneur en humidité y est si faible que les forces interparticulaires l'emportent sur les forces gravitationnelles. De ce fait, la poudre d'alumine fine (< 75 μm) présente une consistance collante et peut réduire l'efficacité de la décharge du silo de 10–30%.

Conception de silos de stockage de poudres métallurgiques

Conception technique d'un système de manutention d'alumine en vrac

L'une des principales difficultés rencontrées lors de la conception de systèmes de manutention d'alumine en vrac réside dans le comportement de compactage de cette poudre fine, qui peut entraîner une augmentation de la densité apparente de 5–12% dans des conditions de stockage statique s’étendant sur plus de 24 à 72 heures.

Parmi les facteurs pouvant être pris en compte pour influencer le comportement de l'écoulement, on peut citer :

• Coefficient de frottement sur la paroi : Plus le frottement sur les parois est important, plus la résistance au cisaillement est élevée et moins l'écoulement est stable.
• Répartition granulométrique : Une distribution plus étroite augmente la probabilité de formation d'un arc de 15 à 25%.
• Absorption de l'humidité : Une augmentation de l'humidité de 0,31 TP6T peut entraîner une liaison cohésive

Mesures techniques de prévention de la formation d'arcs et de trous dans les silos de stockage d'alumine

L'un des principaux mécanismes de défaillance des silos de stockage des fonderies d'aluminium réside dans la formation d'arcs et de ponts, le long desquels le matériau forme des structures en voûte stables qui bloquent le déchargement. Dans les systèmes mal conçus, un blocage de l'écoulement peut se produire dans plus de 20–35% des cas.

Un autre mécanisme de défaillance est le « ratholing » : le matériau ne s'écoule alors qu'au centre de la voûte, tandis que le reste stagne. Ce phénomène peut éliminer jusqu'à 40–60% du volume effectif d'un canal d'écoulement.

Pour remédier à ces problèmes, les systèmes de silos destinés aux fonderies d'aluminium de conception moderne intègrent :

• Géométrie de régulation du débit massique par rapport à celle du débit en entonnoir : Permet le vidage complet d'une section transversale.
• Systèmes intégrés d'aération des silos : De l'air est injecté à une pression comprise entre 0,02 et 0,05 MPa afin de rompre la cohésion.
• Surfaces murales traitées : Les forces d'adhérence sont réduites de 30 à 45%.

Les systèmes avancés peuvent recourir à des simulations CFD pour estimer la formation d'arcs avec plus de 85–90% précision permettant d'optimiser les conceptions avant la construction.

Systèmes de décharge fluidisée et d'écoulement assisté par air pour l'alimentation continue en alumine

Les systèmes de fluidisation jouent un rôle central dans la conception d'installations à haut rendement destinées à l'alimentation continue et stable en alumine. Les systèmes de déchargement à coussin d'air utilisent de l'air à basse pression (0,02–0,06 MPa) afin de faciliter l'écoulement de l'alumine et de réduire les frottements internes au niveau du cône du silo.

Dans de nombreux cas, on a constaté que les systèmes de décharge à coussins d'air réduisaient la résistance effective de décharge de 25–40%, en particulier dans des conditions de forte humidité où la cohésion des poudres augmente.

Parmi les facteurs de conception les plus importants, on peut citer :

• Vitesse de l'air de fluidisation : Une vitesse comprise entre 0,3 et 0,8 m/s est nécessaire pour obtenir une portance suffisante.
• Angle de la trémie de déchargement : Une température comprise entre 60 et 70° est nécessaire pour la transition de sécan.
• Stabilisation du débit de décharge : est atteinte en 3 à 5 secondes.

Les systèmes de conception de ce type peuvent améliorer la stabilité et la conception des trémies de déchargement, et ils peuvent réduire les temps d'arrêt dus à des obstructions causées par les solides en vrac jusqu’à 70%.

Contrôle de l'humidité et gestion des risques d'explosion de poussière dans les systèmes à base d'alumine

Le contrôle des conditions environnementales dans les systèmes de stockage de l'alumine est essentiel en raison de la forte hygroscopicité de cette dernière. La teneur en humidité de 0,8 à 2,01 TP6T peut avoir un impact considérable sur l'agglomération et réduire les débits jusqu'à 30%.

Les systèmes d'étanchéité de silos spécialement conçus limitent au maximum la pénétration d'oxygène et d'humidité dans les silos, maintenant ainsi le taux d'humidité interne en dessous de 40–50% RH, même dans les zones de stockage les plus critiques.

Parmi les principales caractéristiques techniques et de sécurité, on peut citer :

• Conception anti-hygroscopique : Empêche l'absorption d'humidité lors d'un stockage de longue durée
• Maîtrise des risques d'explosion de poussières : Maintient la concentration en poussière en dessous de 50 g/m³
• Système d'équilibrage de pression : Maintient une pression d’équilibre inférieure à 200–300 Pa afin d’éviter toute contrainte structurelle

Dans le cas des systèmes à grande échelle, l'efficacité de l'étanchéité a une incidence directe sur la fiabilité du système, les taux de fuite étant maintenus en dessous de 0,51 TP6T par cycle. 

Conception d'un système intégré de stockage et de transport pneumatique pour les fonderies d'aluminium

Les systèmes de silos de stockage d’alumine et les systèmes de transport pneumatique de l’alumine sont particulièrement efficaces lorsqu’ils sont conçus pour fonctionner en boucle continue reliée aux cellules d’électrolyse. Les pressions de transport pour les systèmes en phase dense varient le plus souvent entre 0,2–0,8 MPa, en fonction de la longueur de la canalisation et du dénivelé.

Usine de fusion d'aluminium

Les systèmes conçus pour répondre aux exigences spécifiques d'un réseau de silos d'une fonderie d'aluminium garantissent l'équilibrage de la pression entre la sortie des silos et la canalisation de transport, avec une tolérance d'environ ±0,05–0,1 MPa.

Parmi les mesures courantes de conception technique, on peut citer :

• Optimisation du transport en phase dense : 20–35% : la consommation d'énergie est réduite
• Système d'équilibrage de pression : Stabilise l'interface entre le déversement et le transport
• Système de commutation à plusieurs silos : L'alimentation en continu est possible pendant l'entretien d'un silo

Les systèmes globaux de manutention de l'alumine intègrent des systèmes de silos conçus pour permettre une amélioration moyenne du rendement de 15 à 25% et une réduction des temps d'arrêt imprévus du système pouvant atteindre 30%.

Les mises en page EPC modernes intègrent souvent un système modulaire de silos en acier afin de garantir une fabrication standardisée, de réduire le temps d'installation sur site et d'améliorer la flexibilité d'intégration du système.

Modélisation d’une méthode d’optimisation pour la stabilité à long terme des systèmes de stockage d’alumine

Pour une utilisation à long terme des silos de stockage dans les installations de fusion de l’aluminium, il est nécessaire de surveiller et de contrôler la stabilité de l’écoulement, le taux d’humidité ainsi que l’usure des tôles ondulées. Les silos de stockage industriels des fonderies fonctionnant à plein régime ont généralement une durée de vie moyenne de trente (30) ans, à condition que l'entretien nécessaire soit effectué.