Brevet FR2031494A1 — publié le 19701120

'l'invention concerne des mélanges réfractaires et des produits d'isolation thermique façonnés à partir de ces mélanges, utilisables dans l'industrie de la fonderie, par exemple dans la coulée de métaux et d'alliages ferreux et non ferreux. Lorsqu'on coule un métal en fusion, par exemple dans une lingotière, on observe une tendance du métal à se solidifier plus rapidement dans la partie supérieure du moule, car l'extrémité supérieure ouverte de celui-ci permet une dissipation plus rapide de la chaleur à parttr du métal. On procède couramment à un revetement des parties supérieures des lingotières avec un matériau d'isolation thermique pour réduire bette dissipation de la chaleur et, de la sorte, maintenir aussi longtemps que possible à l'état liquide ie métal de la partie supérieure du moule ; cette disposition a l'avantage de réduire à un minimum, dans les lingots coulés, les criques ou cheminées de retassure et autres défauts qui apparaissent couramment lorsqu'on laisse se refroidir trop rapidement les parties supérieures des lingotières.Il a été fait de nombreuses recherches, dans la technique moderne de la fonderie, en ce qui concerne ltélaboration et l'utilisation de mélanges réfractaires de revêtement et de ce que l'on appelle les "couvercles chauds", qui sont ordinairement formés d'un certain nombre de pièces comparables à des planches en une matière réfractaire façonnée, ou d'une piècessemblable à un capot, de composition similaire. Ou bien les couvercles chauds entourent la partie supérieure de la lingotière, ou bien ils sont placés directement sur cette partie supérieure, ou encore ils s'encastrent dans la partie supérieure des moules, faisant ainsi partie des surfaces des moules qui contiennent le métal. 'les modèles connus de couvercle chauds sont fabriqués à partir de mélanges susceptibles d'entre étalés et/ou moulés, contenant de fortes proportions de matières réfractaires, granuleuses ou particu lairds, et des quantités suffisantes d'additifs solides et/ou liquides pour lier les matières réfractaires entre elles et former une masse susceptible d'être étalée et/ou moulée, qui peut être appliquée sous forme de revêtement ou moulés en planches appropriées ou autres pièces façonnées, ordinairement par séchage sur place-ou dans des fours. Par exemple, le mémoire du brevet anglais nO 888 857 décrit un mélange qui convient pour le revêtement de la surface intérieure d'un moule de coulée ou d'un couvercle chaud pour un tel moule, ce mélange étant composé d'une matière réfractaire de charge, de 2 à 20 ffi en poids d'une matière organique fibreuse et de 4 à 10 ffi en poids d'un liant ; la matière organique fibreuse peut être de la pulpe de papier, des déchets de papier ou de la pulpe mécanique.De même, le mémoire du brevet anglais nO 960 474 décrit un mélange à base de 82 à 94 % en poids d'une matière réfractaire granuleuse (avec, le cas échéant, jusqu 'à-2,5 % d'une matière réfractaire fibreuse), de 3 à 9 % de matière organique fibreuse et de 1 à 8 % d'un liant ; le composant réfractaire principal peut etre le quartz ou d'autres composés du silicium à grains fins, par exemple la molochite, la dolomie calcinée et le sable ; la grosseur moyenne de grains qui s'est révélée avantageuse est inférieure à 1 mm, de préférence comprise entre 0,6 et 0,02 mm, au moins pour la part principale de la matière réfractaire. Be mémoire' du brevet anglais nO 976 617 décrit un mélange similaire, à base d'une matière réfractaire à grains fins, d'une matière fibreuse et/ou d'un liant- (l'un et/ou l'autre de ces deux derniers éléments servant à assurer la cohésion voulue entre les grains réfractaires ); selon cette proposition, 50 ffi en poids au moins de la matière réfractaire traversent un crible de0,84 mm de maille, 20 % au moins et 90 % au plus traversent un crible de 0,105 mm de maille et 60 % au maximum passent au travers un crible de 0,053 mm de maille. D'autres mélanges réfractaires, à base de matières réfractaires granuleuses associées à autres composants qui remplissent une fonction de liaison, sont décrits dans les mémoires des brevets anglais nO 977 191, 1 115 582 et 1 123 576. Be procédé classique pour fabriquer des couvercles chauds à partir de pièces façonnées en forme de planche ou similaires, produites par moulage de tels mélanges réfractaires, est par exemple décrit dans le mémoire du brevet anglais nO "L 137 528. Bien que l'utilisation de couvercles chauds soit courante en fonderie, elle présente des inconvénients. Par exemple; les éléments moulés de couvercle chaud, notamment les planches, qui prennent ulterieurement contact avec le métal en fusion, doivent avoir un "corps à vert" suffisant pour que le mélange puisse etre moulé, à la forme voulue en vue de sa cuisson, mais il est souhaitable de maintenir à un minimum la proportion de liant ou autre agglomérant incorporé avec la matière réfractaire en grains, afin de réduire le court. 'les températures auxquelles sont soumis les couvercles chauds au contact du métal-en fusion, beaucoup plus élevées que celles qui servent à sécher les planches ou autres pièces moulées au vert, détruisent fré quemment les liants et les couvercles chauds peuvent se désagréger en poudre. il peut en résulter des conditions qui risquent de nuire à la santé des ouvriers qui effectuent la coulée, en particulier si de l'amiante est incorporée dans les couvercles chauds. D'autre part, le quartzite et d'autres matériaux granulaires, par exemple la molochite et l'olivine, utilisés comme charges principales des couvercles chauds, sont relativement lourds ou denses ; une planche cuite, c'est-à-dire séchée et prête à l'emploi, destinée à former l'un des cotés d'un revêtement de couvercle chaud pour une lingotière à acier peut peser plus de 13,6 kg et, en conséquence, ces planches soulèvent des difficultés de manutention du fait de leur poids ; malgré cela, elles sont relativement fragiles et doivent donc être traitées avec soin pour éviter leur mise au rebut par fracture. En conséquence, la production de mélanges réfractaires à partir de matériaux moins denses, exigeant un minimum de liants additionnels et contribuant même, si possible, à leur propre agglutination en coopération avec des liants; additionnels, et la production de couvercles chauds à partir de tels mélanges réfractaires representent une perspective extrêmement avantageuse pour l'industrie de la fonderie ; il en va de même de la mise au point de planches ou autres produits'façonnés utilisables dans des couvercles chauds ou en tant que couvercles chauds, qui ne se désagrègent pas à la coulée sous forme de poudre constituante ou de particules pulvérulentes des matériaux granulaires à partir desquels ces produits sont fabriqués. Or, il a été découvert qu'il est possible d'obtenir un mélange réfractaire qui convient pour le revêtement de lingotières par application sous forme de masses enductibles ou pour la production de produits façonnés par moulage, et qui est doté dé propriétés avantageuses selon ce qui a été exposé ci-dessus ; ce- mélange est essentiellement composé de particules réfractaires anisotropiques, légères et éventuellement cellulaires d'un matériau silicacé os d'un autre maté riau'd'origine végétale, en combinaison avec-au moins une matière solide ou liquide qui sert de liant pour les particules anisotropiques-. L'invention propose donc un mélange réfractaire comprenant un liant, éventuellement un agglomérant, une charge, un agert d'extension oud r aütres ingrédients et, à titre de composant réfractaire nécessaire,:ane matière silicacée ou autre matière réfractaire minérale dc végétale présentant des particules fibreuses et/ou en plaques, le mélange ayant une faible densité apparente en comparaison de maté- riaux silicacés granulaires connus. A titre d'exemple, un matériau silicacé léger, sous forme de particules anisotropiques, susceptible de constituer la matière réfractaire d'un mélange selon l'invention présente une densité apparente nettement inférieure à celle des matières réfractaires à base de quartzite, cette densité pouvant s'abaisser au tiers de celle d'un quartzite ou d'une autre masse réfractaire silicacée de type classique, caractérisée par des particules réfractaires isotropiques, c'est-à-dire essentiellement granulaires ou- arrondies. En conséquence, selon l'un des modes préférés de réalisation de l'invention, un mélange réfractaire est composé d'un matériau particulaire silicacé anisotropique de faible poids, additionné d'une quantité minime d'un liant organique ou inorganique. La proportion de liant normalement utilisée dana un mélange réfractaire selon l'invention se situe dans la gamme de 2 à 20 % en poids du mélange. Be liant peut être l'un quelconque des matériaux traditionnellement utilisés pour les composés granulaires, par exemple des suspensions de résine ou des solutions de silicate de métaux alcalins. Grâce aux différentes propriétés que présentent les matières réfractaires anisotropiques à faible poids en- comparaison des matières à grains fins, relativement plus denses, que l'on utilise habituellement, les couvercles chauds fabriqués à partir des mélanges réfractaires de l'invention offrent des propriétés avantageuses.Bien que le mécanisme réactionnel auquel cela peut être attribué ne soit pas bien connu dans ses détails et sans que cela implique une quelconque limitation de l'invention à des considérations théoriques particulières, on peut concevoir que le volume relativement plus grand par unité de poids des particules fibreuses et/ou lamelliformes contenues dans des matériaux silicacés ou d'autres matériaux minéraux d'origine végétale du genre utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention signifie qu'il existe une plus grande surface de contact entre les particules individuelles et, d'autre part, que celles-ci sont plus rapidement affectées, lorsqu' elles sont chauffées, que les matériaux granulaires.Il est probable qu'une proportion suffisante des particules fusionne au cours de la coulée du métal pour établir une sorte de réticulation à l'intérieur des matériaux du couvercle chaud, tandis que le liant organique ou autre est détruit par la chaleur du métal fondu, et que cette agglomération partielle permet aux planches ou autres pièces qui constituent le couvercle chaud de conserver leur forme pLysique, éliminant ainsi la désagrégation fâcheuse en poudre qui peut autrement se produire. il n'est pas nécessaire que la totalité du matériau silicacé ou autre matériau réfractaire présent dans les mélanges et pièces façonnées de l'invention soit constituée par un matériau anisotropique à faible poids. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, un mélange réfractaire est constitué par un matériau silicacé anisotropique à faible poids en combinaison avec un matériau siliceux ou silicacé granulaire, ainsi qu'avec une proportion mineure d'un liant organique ou inorganique. Ainsi, une partie du constituant réfractaire, par exemple jusqu'à 80 ffi en poids du mélange, peut être un sable ou une matière réfractaire silicacée granulaire ; de préférence, on utilise de la poudre de silice et les matériaux du type quartz seront maintenus à un minimum ou même exclus.Comme on peut s'y attendre, les propriétés d'un mélange réfractaire ou d'un produit façonné varient en fonction des proportions relatives des matières réfractaires anisotropiques qu'il contient et, en général, une proportion plus grande des premières réduit la densité apparente, sans diminuer en proportion la résistance, tandis qu'une proportion plus grande des dernières donne une densité plus élevée aux planches de couvercle chaud ou autres mélanges ou produits façonnés. 'les mélanges à base de matières réfractaires, granulaires ou non granulaires, peuvent être agglomérés avec l'un quelconque des liants traditionnels dont il a été question précédemment. Des agents d'agglomération plus puissants peuvent être également utilisés, en particulier si l?on veut employer une proportion de liant inférieure à la gamme de 5 à 20 % en poids qui est appliquée de préférence pour les liants au silicate par exemple. Dans ces conditions, on peut utiliser en moindres proportions un type plus puissant de liant, par exemple la carboxyméthyl-cellulose (CMC). Les mélanges réfractaires de l'invention et, naturellement, les produits façonnés à partir de ces mélanges peuvent aussi contenir d'autres matières, en plus du composant réfractaire et du composant liant déjà cités, par exemple les charges et agents d'extension mentionnés précédemment. Une catégorie particulière de matériaux additionnels qui, lorsqu'ils sont présents, sont normalement incorporés en proportion minime dans les mélanges, est celle des matériaux non organiques à longues fibres, par exemple la laine-minérale et l'amiante, bien que cette dernière soit généralement considérée comme étant nuisible à la santé et, de préférence, ne sera pas utilisée.Un autre avantage de la propriété de liaison plus grande et de la plus grande agglomérabilité des mélanges de 11 invention, en comparaison des compositions classiques, consiste en ce que des résultats similaires peuvent être obtenus sans utilisation d'amiante. 'invention permet donc de préparer des- éléments de couvercle chaud qui présentent, a'- l'utilisation, un comportement semblable à d'autres qui sont constitués de matériaux à base de granulés contenant de l'amiante, tout en évitant l'inclusion d'amiante. et, par suite, en éliminant les dangers éventuels que celle-ci présente pour la santé.On peut incorporer jusqu'à 10 % en poids, de préférence 4 à 6 % et, au mieux, 5'% de laine minérale ou d'autres matériaux fibreux inorganiques, sur la base du poids!-du mélange ; des proportions supérieures à 10 % en poids sont possibles, mais elles n'apportent ordinairement aucun avantage complémentaire. Une catégorie appropriée dé matières anisotropiques utilisables dans la mise en oeuvre de l'invention est celle des substances qui ont une teneur en SiO2 non inférieure à 90 , le reste étant principalement constitué par des oxydes de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux, de l'alumine et des oxydes de métaux- lourds. les analyses d'oxydes de ces matériaux donnent les résultats suivants Oxyde en poids Exemple SiO2 91 - 94 92,44 K20 2,5 - 5,0 3,99 P205 1,0 - 2,0 1,62 CaO 0,5 - 2,0 0,80 Reste (oxydes de Al, Fe Mg, Na, etc..) jusqu'à 5,0 1,15 100,00 Néanmoins, la teneur en Si02 de matériaux qui sont également appropriés peut être inférieure à 90 % : par exemple, elle peut se situer dans la gamme comyrise entre 50 et 70 , pouvant même s'abaisser à 40 %-en poids, lorsqu'il s'agit de substances végétales partiellement calcinées. La matière réfractaire décrite dans le mémoire du brevet anglais nO 976 617 précité est caractérisée par les dimensions de grains. suivantes ,maxilles du tamis nO 270 (ASTM) (soit 53 microns) - au plus 6-O. % en poids mailles des tamis nO 140 à 270 (ASTM) (soit 105 à 53 micronsj - au moins 20 % et au plus 90 % en poids maille du tamis nO 20 (ASTM) (soit 840 microns) - au moins 50 % en poids 'les analyses granulométriques ne songen générallpas appropriées pour çaractériser une matière anisotropique : en effet, il arrive souvent que les particules plus fibreuses traversent les interstices des mailles, du fait que leur section transversale est petite par rapportà-leur longueur, alors que les mêmes particules fibreuses traversent difficilement ou même ne traversent pas le crible s'il arrive qu'elles se présentent en travers de ces interstices ; ce dernier effet se retrouve également avec les éléments en plaque du matériau et l'obturation partielle résultante des interstices s'ajoute elle-même à la difficulté de l'opération de criblage.Si le matériau est sec, on peut le faire passer dans une large. mesure à travers une série de cribles, mais il a été constaté qu'une grande partie des particules sont usées par frottement et qu'ainsi le produit criblé présente une granulométrie nettement différente de celle du matériau primitif. il n'est donc généralement pas judicieux de tenter une analyse granulométrique mais si l'on y procède, on constate une proportion nettement plus grande de grosses particules dans le matériau réfractaire du type utilisé selon l'invention, en comparaison du type utilisé dans des mélanges réfractaires classiques. Une matière végétale entièrement ou partiellement- calcinée constitue un matériau réfractaire anisotropique de choix. Une matière végétale particulièrement appropriée, susceptible d'être soumise à une calcination complète ou partielle pour former le matériau réfractaire anisotropique, est la balle de riz. Contrairement aux graminées, le riz et quelques autres plantes qui poussent dans des terrains marécageux ou dans des régions où il y a de grandes quantités d'eau ont tendance à prélever des quantités importantes de composés du silicium, qui apparaissent sous forme de silice dans les produits éventuels de la combustion de ces plantes ou de lueurs parties, par exemple l'écorce des graines. L'invention est illustrée par les exemples suivants : les éléments étaient confectionnés avec une suspension aqueuse contenant le liant dans la proportion spécifiée ou avec addition d'eau et la bouillie ainsi obtenue était façonnée dans des moules, des organes d'accrochage pour les planches de couvercle chaud étant disposés préalablement dans les moules, et la majeure partie de l'eau était extraite par aspiration. 'les produits verts étaient alors transférés, au moyen d'une tête transporteuse fixée à une conduite d'aspiration, dans des bacs de métal déployé, lesquels étaient ensuite chargés dans un four où les produits étaient séchés; Toutes les quantités sont-données en parties en poids, sauf indication contraire. 'les exemples 1, 2 et 3 sont donnés à seule fin de comparaison et représentent des mélanges qui ne sont pas préparés selon l'invention l'exemple 1 concerne un mélange classique à base d'une matière réfractaire fibreuse inorganique granulaire, par exemple la laine minérale, et d'un liant en pcudre ; l'exemple 2 correspond à un mélange semblable, mais qui contient plus de liant et dont la matière réfractaire granuleuse est remplacée en partie par un matériau léger de forme isotropique ; l'exemple 3 illustre les résultats que l'on obtient en rempla çant complètement la matière réfractaire granuleuse des exemples 1 ou 2 par un matériau isotropique à faible poids. 'les exemples 4, 5; 6 et 7 illustrent différents types de mélanges selon l'invention, les exemples 4,.5 et 6 montrant les effets résultant de l'utilisation simultanée d'une matière réfractaire granuleuse et d'un matériau anisotropique, et l'exemple 7 illustrant l'utilisation exclusive de ce derniér, en combinaison avec un matériau fibreux inorganique et un liant. Be~tableau I indique les composants des mélanges et le tableau II résume les propriétés des produits obtenus. Tableau I Exemple Fibres A B C Liant Matière inorga- (2) réfractaire niques(1) (3) 1 8 - - - 5 87 2 8 10 - - 7,5 74,5 3 6 - 86,5 - 7,5 4 5 - - 10 6,5 78,5 5 8 - - 10 7,5 -74,5 6 5 - - 30 8 57 7 5 - - 80 15 A = Matière isotropique d'allègement, par exemple selon le Brevet anglais 977 191, c'est-à-dire la diatonite. B = Matière isotropique d'allègement, par exemple selon le Brevet anglais 1 115 583, c'est-à-dire une argile réfractaire expansée C = Matière anisotropique d'allègement, par exemple de la balle de riz calcinée. (1) = par exemple de laine minérale (2) = par-exemple une résine deiénol-formaldéhyde, notamment de la "Bakélite R 19434" ou un produit similaire (3) = par exemple de la poudre fine de silice. Tableau II Exemple Poids spécifique Résistance Souplesse (*) (*) 1 1,t3 22 15 2 0,8 15 19 3 0,75 11 23 4 0,95 20 17 5 0,75 20 28 6. 0,75 22 20 7 0,4. 9 60 (*) - Mesurées par des techniques. usuelles en fonderie, par exemple par chargement en 3 points sur un tensiomètre de Hounsfield. Il est visible que le mélange classique (Exemple 1), à base d'une matière réfractaire granuleuse, présente un poids spécifique élevé, accompagné d'une faible souplesse : il est donc lourd et difficile à manipuler. En incorporant des matières isotropiques d'allègement (Exemples 2 et 3), on réduit avantageusement le poids spécifique, mais on réduit en même temps et dans une mesure notable la résistance des produits, sans que cet inconvénient soit compensé par une augmentation marquée de la; souplesse, notamment en ce qui concerne le mélange contenant de la diatonite de l'Exemple 2. Les mélanges de l'invention (Exemples 4, 5 et 6) donnent des produits qui présentent un poids spécifique réduit de façon satisfaisante, tout en conservant une résistance convenable et une souplesse suffisante. L'Exemple 7 illustre le résultat obtenu en utilisant un materiau anisotropique d'origine végétale à titre de seul élément réfractaire, ce qui donne un matériau qui est extrêmement souple et léger, ayant une densité de l'ordre du tiers de celle d'un matériau classique (Exemple 1), tout en offrant encore une résistance raisonnable à l'utilisation. R E V s N D I C A T I O N S 1.- Mélange réfractaire utilisable pour former la surface intérieure d'un moule de coulée de métal ou d'un couvercle chaud pour un tel moule, caractérisé par le fait qu'il est composé d'un agent liant et d'un composant réfractaire constitué par une matière minérale anisotropique à faible poids d'origine végétale, le mélange réfractaire ayant une densité apparente inférieure à celle des mélanges à base de matières réfractaires silicacées granuleuses. 2.- Mélange réfractaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait quelea matière minérale anisotropique est une matière silicacée. 3.- Mélange réfractaire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'agent liant est un liant organique ou inorganique, présent dans une proportion comprise entre 2 et 20 % en poids du mélange. 4.- Mélange réfractaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'une ou plusieurs matières fibreuses inorganiques sont présentes dans une proportion qui peut atteindre 10 % en poids du mélange. 5.- Mélange réfractaire selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il contient entre 4 et 6 % en poids de matière fibreuse inorganique. 6.- Mélange réfractaire selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que la matière fibreuse inorganique est constituée de laine minérale. 7. Mélange réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la matière minérale anisotropique a une teneur en Si02 au moins égale à 90 % en poids, le reste étant composé d'oxydes de métaux alcalins et alcalino-terreux, d'alumine et d'oxydes de métaux lourds. 8.- Mélange réfractaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la matière minérale anisotropique a une teneur en Si02 comprise entre 50 et 70 % en poids. 9.- Mélange réfractaire selon l'une quelconque des revent dictons précédentes, caractérisé par le fait que la matière minérale anisotropique est constituée par de la balle de riz calcinée. 10.- Mélange réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une partie du composant réfractaire est constituée par une matière réfractaire siliceuse ou silicacée granulaire. 11.- Mélange réfractaire selon la revendication 10, caractérisé par le fait qu'on utilise de la poudre fine de silice dans une proportion pouvantabteindre 80 % en poids du mélange. 12.- Produit façonné d'isolation thermique, caractérisé par le fait qu'il est composé d'un mélange réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13.- Procédé de coulée d'un métal ou alliage ferreux ou non ferreux, caractérisé par le fait qu'il consiste à verser le métal ou alliage dans un moule dont une partie au moins de la surface intérieure ou un couvercle chaud est formé à partir d'un mélange selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, ou avec une ou plusieurs pièces façonnées selon la revendication 12.