Brevet FR2324393A1 — publié le 19770415

l'invention concerne un procédé de traitement de ma t pères premières granulaires poreuses, en particulier pour la préparation de sables de fonderie. Par le brevet suisse NO 372 482 il est connu que, par exemple, des sables de nature différente présentent avec une même granulométrie, des propriétés différentes en ce qui concerne l'absorption dthumiditéO En particulier, il existe des sables très purs formés de grains de quarts monocristallins denses et d'autres sables qui peuvent contenir des proportions variables de grains poreux, par exemple de feldspath, de quartzite, des débris de roches.Plus la proportion de grains poreux est forte, plus les sables peuvent absorber d'humidité par suite de la porosité interne des grains, avant d'être humides au touchers Ce fait Joue un r81e important dans l'utilisation de sables pour la confection de moules et de noyaux en fonderie. Dans l'utilisation de sables pour la confection de noyaux, les sables à grains poreux nécessitent d'autant plus d'huile à noyau ou d'autres liants liquides de noyau que la proportion totale de grains poreux est plus grande. La consommation de liants dans la préparation de sables de fonderie naturels ou artificiels et également leur besoin d'eau lorsqu'on les utilise sous forme de sables de moulage à liant d'argile dépendent de façon décisive de la porosité des grains. Dans le cas de grains poreux, les pores des différents grains s'imbibent en premier lieu de liant liquide ou d'eau. Seulement quand la porosité interne est saturée, il peut se former à la surface extérieure du grain un film de liant qui contribue seul à la liaison entre les grains. Les sables et autres matières granulaires à grains poreux nécessitent donc souvent notablement plus de liant que les sables purs formés de grains denses, en particulier dans le cas de grains de quartz monocristallins purs, pour atteindre une résistance déteflinée. Dans le cas de sables à grains poreux, le besoin de liant peut être facilement deux ou trois fois plus grand que pour des sables quart zeux purs monocristallins. La porosité des grains a le plus souvent, du point de vue économique et technologique, une importance notablement plus grande que le prix du sable lui-même car le surcroît de consommation de liants synthétiques aujourd'hui très coûteux pèse davantage sur le prix de revient.Dans bien des cas, cependant, le surcroSt de consommation de liant a moins d'inconvénients au point de vue économique qu'au point de vue tec=nologiqueO C'est pourquoi de-nombreux sables naturels, malgré leur granulométrie et leur composition minérale appropriées aux usages de fonderie, ne peuvent pas outre utilisé, en particulier quand on applique des systèmes chimiques modernes de liant pour sable, La porosité interne est aussi prohibitive dans le cas de sables fabriqués artificiellement à partir de matières réfractaires de haute qualité telles que la chamotte ou la mullite. Ces matières aussi ont une structure plus ou moins poreuse qui cause une consommation excessive de liant.C'est pourquoi, malgré une bonne classification en des granulométries convenant en principe aux usages de fonderie, beaucoup de tentatives visant à utiliser ces sables artificiels comme matière de moulage au lieu de sables spéciaux naturels tels que la chromite ou le zircon ont échoué. On peut déterminer la porosité interne des sables en mélangeant de façon homogène le sable à examiner à des quantités croissantes d'eau. Seulement quand la teneur en eau est celle qui sature la porosité interne, le sable devient humide extérieurement et commence à acquésirune légère cohésion. Cela se traduit par le fait qu'il ne tombe plus à travers un tamis (largeur de mailles 5 mm) tandis que dans l'état non saturé, il est encore parfaitement roulant comme un sable sec, La teneur en sable quand la porosité interne est saturée (capacité d'absorption veau) est la mesure de la porosité interne des grains. On peut déterminer la consommation de liant en mélangeant le sable êtdes quantités croissantes d'huile de lin. On confectionne avec le sable des éprouvettes normalisées, on les durcit au four à 2300C pendant 2 heures et après refroidissement à la température ambiante, on fait des essais de résistance à la compressDnv La consommation de liant s'exprime par l'addition d'huile de lin qui est nécessaire pour obtenir une résistance à la compression de 100 kg/cm. Des sables de différente nature soumis aux essais décrits ont donné les résultats suivants : Capacité d'ab- Consommation sorption d'eau de liant % 1 - sable quartzeux de fonderie pur P 32 (Allemagne) 0,15 1,1 2 - sable quartzeux de fonderie pur R 33 (Allemagne) 0,25 1,3 3 - sable d'essai normal American Foundrym.Soc. (Ottawa, Illinois) 0,15 1,3 4 - sable de fonderie belge M 36 0,3 1,4 5 - sable de fonderie anglais 2 F 0,3 1,6 6 - sable de fonderie autrichien FM 21 0,5 2,25 7 - sable de fonderie suisse (Benken) 1,5 3,6 8 - chamotte classifiée 0,1 à 0,27 mm 0,7 2,3 9 - mullite-chsmotte des E.U.A. 1,5 4,0 Les sables 1 à 5 sont des sables quartzeux de haute qualité à grains denses et conviennent aux procédés modernes de moulage chimique avec liants liquides. Le sable 6- n'est plus économique pour l'utilisation avec des liants chimiques motteux. Le sable suisse 7 ne convient pas du tout aux liantes liquides quels qu'ils soient. Il peut seulement servir à l'état fortement dilué avec du sable quart zeux pur, ou pour des sables à liant d'argile. La chamotte classifiée (8) a également une trop forte consommation de liant qui, malgré une grande résistance au feu, exclut l'utilisation comme matière de moulage lorsqu'on doit utiliser des liants chimiques coûteux, en particulier des liants de résine synthétique, La mullite-chemotte des E.U.Àc (9) a une consommation de liant extrêmement grande à cause des grains très poreux. Elle ne peut pas servir pour des liants liquides-. L'invention a pour but d'éliminer les inconvénients décrits de beaucoup de matières premières granulaires poreuses, en particulier leur consommation excessive de liant, pour rendre ces matières appropriées comme matières de moulage en fonderie ou fabriquer des sables spéciaux particulièrenent réfractaires, par exemple pour les fonderies d'acier0 Selon l'invention, à cet effet, avant de mélanger des additifs ou liants, on imbibe et on bouche les pores des grains de ces matières d'agents d'i- prégnation minéraux ou organiques siccatifs, assurant une liaison chimique ou se solidifiant, De cette manière, on peut améliorer des sables naturels ou artificiels à grains poreux et les utiliser comme matières de moulage pour fonderie avec un besoin de liant tolérable Comme agents d'imprégnation, on peut envisager en principe toutes les matières qui sont capables de pénétrer par capillarité dans la porosité interne des grains naturels ou fabriqués artificiellement et de les boucher. Àu besoin, on peut en outre boucher hermétiquement et lisser une surface rugueuse avec un film lisse. L'agent d'imprégnation doit répondre aux conditions suivantes - incorporation au sable à l'état liquide (ou encore à l'état fondu, l'agent d'imprégnation devant pénétrer facilement dans des porosités très fines et les boucher. - L'agent d'imprégnation, une fois incorporé au sable, doit sécher rapidement, prendre chimiquement ou se solidifier et être à l'état solide dans le sable entièrement préparé. - il ne doit pas altérer le liant pour sable utilisé. - il ne doit pratiquement pas être hygroscopique. - il ne doit pas dégager de gaz gênants lors de la cou idée, Les agents dtimprégnation suivants peuvent être envisagés : - Des matières minérales, par exemple : une solution de phosphate monoaluminique avec ou sans réactifs tels que l'hydroxyde d'aluminium, l'alumine, la poudre de pigment d'aluminium, l'oxyde ou l'hydroxyde de magnésium etc..; on sèche le sable imprégné à l'air ou au four (par exemple pour former du phosphate trialuminique), au besoin avec réaction sur la matière même des grains (chamotte, mullite, corindon etc..); le verre soluble avec ou sans réactifs tels que la diacétine et/ou la triacétine, lthydroxyde de calcium, ou avec injection de C 2 ; l'acide phosphorique avec des réactifs qui donnent des phosphates insolubles les sols d'hydroxyde d'aluminium ; les silicates d'éthyle et produits apparentés ; les sols de silice ; la chaux hydratée ; des sels. - Des matières organiques, par exemple : des bitumes tels que llasphalte, le goudron, le bitume mou et dur, la paraffine, leurs mélanges ; des hydrates de carbone, des produits de lignine etc.. ; des colles de toute sorte, la dextrine dissoute dans l'eau, la gomme arabique, comme adragante, le sucre, le dextrose, la lessive résiduaire au sulfite, la mélasse, les alginates, la pectine, les tannins, les dérivés de cellulose les graisses naturelles et hiles durcissables, les résines (naturelles ou synthétiques, thermoplastiques), la colophane, les cires, la gomme-laque, la stéarine, les stéarates, lthuile de lin, les huiles siccativées de toute nature etc... les matières synthétiques liquides ou thermoplastiques, siccatives ou durcissables par un activeur, par exemple le polyacétate de vinyle, le polystyrène, les résines alkydes, les résines phénoliques, l'alcool furfurylique, les résines d'urée etc.. Les substances organiques conviennent à ltimprégna- tion de sables à faible porosité de grains dans lesquels l'agent dtimprégnation n'augmente pas de façon gnante le dégagement ultérieur de gaz lors de la coulée ou dans lesquels une teneur accrue en matières organiques, en particulier celles qui forment du carbone brillant, est même désirable pour empêcher les réactions entre métal et matière de moulage0 L'imprégnation peut meme viser uniquement ce but. Les sables destinés à servir de sables à modèles et à titre liés par des liants de résine synthétique ne doivent pas entre traités par des agents d'imprégnation hydrosolubles lorsqu'on les complète par des sables de remplissage humides à liant d'argile. Un agent d'imprégnation hydrosoluble absorberait alors de l'eau et perturberait le processus de prise. On incorpore au sable dans un mélangeur approprié un choix des matières ci-dessus, à l'état liquide (dissous) puis on sèche le sable. Le sable peut aussi entre préchauffé ou bien on peut introduire de l'air pour le séchage. Les matières fusibles sont incorporées au sable convenablement chauffé. Dans le cas de sables séchés au feu, on peut tirer parti de la chaleur résiduelle du sable. Le procédé d'imprégnation selon l'invention peut servir surtout à tirer parti des sortes suivantes de matières premières granulaires : - les granulométries obtenues par broyage et classification de matières céramiques : chamotte, mullite, molochite, bauxite, corindon, alumine frittée, alumine fondue, magnésite, spinelle, etc.. ayant le plus souvent une porosité interne due à la structure ainsi que des structures supplémentaires de rup ture. Pour le traitement d'imprégnation de matières céramiques contenant de l'alumine, on peut surtout utiliser une solution de phosphate monoaluminique avec ou sans addition d'hydroxyde d'aluminium0 La solution de phosphate monoaluminique réagit déjà à basse température sur les matières contenant de l'alumine en formant du phosphate trialuminique qui est très réfractaire et insoluble dans l'eau. lies matières ainsi traitées peuvent être converties par le traitement d'imprégnation en sables de haute qualité qui peuvent remplacer les sables spéciaux motteux pour fonderies d'acier utilisés actuellement o - Des sables quartzeux non mûris du point de vue géo lotique et pétrographique, contenant une forte proportion de grains poreux sous forme de grains de quartz polycristallins, de feldspaths et de fragments de roche. Des sables naturels peuvent entre rendus utilisables dans les procédés modernes de moulage par un traitement d'iwpré- gnation au moyen des agents les plus économiques choisis selon -l'utilisation prévue. Ainsi, dans les régions où il n'y a pas de sables de haute qualité, on peut tirer paeti des sables qui s'y trouvent.En outre, dans le cas d'une pénurie ultérieure de matières premières, il faudra avoir recours a' des gisements de sable non utilisables Jusquticie - Des sables de fonderie récupérés, régénérés mécaniquenent ou chimiquement, en particulier des sables de moulage oolithisés et des sables au verre sable, Ces sables ne conviennent pas jusqu'ici à la réutilisation, dans bien des cas, à cause des résidus de liants impossibles à éliminer, dont la porosité cause une consommation de liant notablement accrue. On peut les rendre à nouveau utilisables en imprégnant les coques poreuses de liant residuel, ce ui permet pour la première fois un recyclage. - Des sables artificiels obtenus par broyage et classification de roches naturels, par exemple le sable d'olivine, la quartzite broyée, la serpentine calcinée en remplacement de ltolivine : leurs grains sont traversés par des surfaces de rupture et présentent une porosité interne ; cela peut aussi être dA principalement à la structure. On peut améliorer ces sables et ramener leur besoin de liant à un niveau tolérable par un traitement d'imprégnation et les rendre ainsi utilisables. On décrit plus précisément ci-après le procédé de traitement selon l'invention à propos de quelques exemples d'exécution - E3sEPLE 1 - Imprégnation de chamotte classifiée : chamotte --classifiée 0,1 à 0,27 mm contenant 42 à li446 d'l203 100 kg solution de phosphate monoaluminique à 50 2 kg On mélange de façon homogène la chamotte classifiée et la solution de phosphate monoaluminique dans un mélangeur du genre usuel pour la préparation de sables pour noyaux ou moules de fonderie.La solution d'imprégnation est absorbée dans une large mesure par les pores des grains de chamotte, par capilla rite. Ensuite, on sèche le mélange à au moins 2000C ; le phosphate monoalumique réagit sur la chamotte en formant du phosphate trialuminique et les pores des grains sont bouchés par les agents d'imprégnation liés chimiquement0 On obtient un sable spécial de haute qualité pour moules à acier, pouvant remplacer le sable de chromite ou de zircon. Lorsqu'on les mélange à un liant comprenant 1,7% de résine alkyde et 0,3% de durcisseur du type isocyanate, recette usuelle pour sables de moulage d'acier durcissant à froid, on obtient, pour la chamotte non imprégnée et la chamotte traitée comme ci-dessus, les résultats suivants : résistance à la compression kg/cmS durci à froid durcissement au au bout de four, 1 1/2 h 24h à2300C chamotte classifiée non traitée 30 46 dO traitée comme ci-dessus 40 80 Dans du sable de moylage provenant de chamotte classifiée traitée, avec un liant de résine alkyde, on coule avec succès des pièces d'acier. - EXEMPLE 2 - Imprégnation de chamotte classifiée : chamotte classifiée 0,1 à 0,27 mm 100 kg lessive résiduaire au sulfite 1,5 kg On prépare ce mélange dans un mélangeur pour sables à noyaux et ensuite, on le sèche simplement à l'air à la température ambiante Lorsqu'on l'utilise en mélange avec le liant usuel pour le moulage de l'acier, comprenant 1,7% de résine alkyde et 0,3% de durcisseur du type isocyanate, le traitement donne le résultat suivant s résistance à la compression, kg/cm durci à froid au durci au four bout de 24 h 1 1/2 h à 23000 chamotte classifiée non traitée 30 46 chamotte classifiée traitée par la lessuve au sulfite comme indiqué 37 110 - EXEMPLE 3 - Imprégnation de mullite-chamotte améri caine. mullite-chamotte 0,1 à 0,3 mm ("Mulgrain") 100 kg solution de phosphate monoaluminique 3,5 kg On traite le mélange de façon homogène dans un mélangeur usuel pour sables à noyaux et ensuite on le sèche a' 200 C. En mélange avec 1,7 de résine alkyde et 0,3% de durcisseur du type isocyanate, on obtient le résultat suivant de l'imprégnation : résistance à la compression kg/cm2 durci à froid au durci au four bout de 24 h 1 1/2 h à 2300C mullite-hamotte non traitée (tout le liant absorbé, aucune solidité) 0 O mullite-chamotte traitée comme ci-dessus 46 94 - EXEMPLE 4 - Imprégnation de sable naturel lavé à haute teneur en grains poreux : sable suis (Benken) 100 kg solution de phosphate monoaluminique 2 kg hydroxyde d'aluminium 0,15 kg On mélange le sable de façon homogène dans un mélangeur usuel pour sables à noyaux et ensuite on le sèche complète ment à 150 C. En mélange avec 1s de résine alkyde et 0,39 de durcisseur du type isocyanate, on obtient le résultat suivant de l'imprégnation : résistance à la compression kg/cm durci à froid au durci au four bout de 24 h i 1/2 h à 2300C sable non traité 23 50 sable traité comme ci-dessus 39 78 - EXEMPLE 5 - Imprégnation de sable de fonderie récupé rX, en partant d'un système à sable de fonderie humide à-liant d'argile (taux d'oolithisation 22%, porosité des grains 1,9%) sable récupéré lavé 100 kg solution de phosphate monoaluminique 3 kg hydroxyde d'aluminium 0,3 kg On mélange le sable dans un mélangeur usuel pour sables à noyaux et ensuite on le sèche complètement à 200 C. En mélange avec 1,7% de résine alkyde et 0,3%-de durcisseur du type isocyanate, on obtient le résultat suivant de l'imprégnation : résistance à la compression, kg/cm2 durci à froid durci au four 24 h 1 1/2 h à 2300C sable récupéré lavé non traité 23 40 sable récupéré lavé imprégné comme ci-dessus 46 84 REVENDICaPIONS 1) Procédé de traitement de matières.premières granulaires poreuses, en particulier pour la préparation de sables de fonderie, caractérisé par le fait qu'avant d'y mélanger des additifs ou liants, on imbibe et on bouche les pores des grains de ces matières avec des agents d'inprégnation minéraux ou organiques siccatif s, à liaison chimique ou solidifiables0 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise comme agent d'imprégnation une solution de phosphate monoaluminique. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on utilise des additifs réagissant chimiquement sur le phosphate monoaluminique, comme l'hydroxyde d'aluminium, l'alumine, la poudre de pigment d'aluminium, lthydroxyde de magnésium ou l'oxyde de magnésium. 4) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise comme agent dtimprégnation la lessive résiduaire au suffite, 5) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise comme agent d 'imprégnation la dextrine dissoute dans l'eau. 6) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on utilise comme agents d'isprégnation des matières formatrices de carbone brillant comme le goudron, l'asphalte, les cires, les résines ou les matières synthétiques. 7) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on imprègne des sables naturels comportant des fractions à grains poreux. 8) Procédé selon l'une des revendications I à 6, caractérisé par le fait que l'on imprègne des matières granulaires tirées de matières céramiques par broyage et classification. 9) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on imprègne des sables artificiels tirés de roches naturelles par broyage et classification. 10) Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'on imprègne du sable de fonderie récupéré, régénéré mécaniquement ou chimiquement.