Brevet FR2440926A1 — publié le 19800606

La présente invention est relative à un procédé de fabrication par moulage de pièces creuses en matière réfractaire à base d'oxydes. Ce procédé permet d'obtenir toutes sortes de pièces, telles que tubes, creusets, gaines de thermocouple ..., caractérisées par une épaisseur de parois sensiblement constantes. Les propriétés de la matière réfractaire, dont elles sont constituées, résistance à l'abrasion et à la corrosion à des températures très élevées, assurent à ces pièces de nombreuses applications dans l'industrie. Les matières réfractaires sont en général des mélanges d'oxydes, Au203, Zr02, TiO2, Si02, Fe203 ..., en proportions assez variables, mais où domine, le plus souvent, le corindon A1203. Les autres oxydes sont choisis en fonction du résultat recherché ; par exemple ZrO2 augmente la résistance à l'abrasion ; de petites quantités de SiO2 et Fe203 améliorent la tenue au choc thermique. Les objets en matières réfractaire sont souvent réalisés par frittage à partir d'une poudre, mais ce procédé est coûteux et difficile à mettre en oeuvre pour des pièces à parois relativement minces. De plus, ce procédé est limité quant aux dimensions réalisables et ne s'applique guère qu'à de toutes petites pièces. Les procédés par moulage ont aussi leurs inconvénients qui sont liés à la faible résistance de ces matières au choc thermique, à leur retrait à la solidification et à leur coefficient de dilatation. I1 faut, en effet, couler la matière réfractaire fondue dans un moule donnant la forme extérieure de la pièce, mais comportant, en outre, dans le cas de pièces creuses, un noyau donnant la forme intérieure. Le moule doit être préchauffé et doit être alimenté en liquide pendant la contraction consécutive à la solidification.Ensuite, il faut refroidir extrêmement lentement, de préférence dans un four dont la température peut être réglée en fonction du temps, l'ensemble du moule et de la pièce pour éviter la fissuration de cette dernière. En général, le matériau constituant le noyau a un plus petit coefficient de dilatation que la matière réfractaire solidifiée. Le refroidissement jusqu'à la température ambiante produit donc des tensions dans la pièce. A9algré un refroidissement extrêmement long, un rebut important pour fissures est inévitable. Le moulage d'objets creux en matière réfractaire est une opération longue, immobilisant un matériel coûteux et dont le résultat est aléatoire. Le procédé selon l'invention, au contraire, donne d'excellents résultats de façon très régulière, sans qu'il soit besoin pour cela d'utiliser un moule et un matériel compliqués. Il s'applique chaque fois que la pièce à fabriquer ne comporte que des parois minces ; il permet d'obtenir la précision habituelle pour la forme extérieure et une épaisseur de paroi sensiblement constante. Ce procédé consiste à plonger dans un bain de matière réfractaire fondue, maintenue au voisinage de sa température de fusion, un moule froid com- portant une cavité ouverte ayant la forme extérieure de la pièce à réaliser et, au moins, une ouverture pour 1 'évacuation de 1 air, à maintenir ce moule dans le bain fondu un temps suffisant pour qu'il se dépose sur les parois de la cavité une couche solide de matière réfractaire ayant l'épaisseur désirée.Ensuite, on sort du bain le moule ainsi revêtu intérieurement et extérieurement d'une couche de matière réfractaire et on laisse refroidir l'ensemble à l'air sans précautions spéciales ; puis, on sépare la couche de matière réfractaire qui recouvre l'extérieur du moule de la couche qui tapisse la cavité intérieure ; on démoule cette dernière qui constitue la pièce à réaliser. Les avantages du procédé sont la simplification du moule par suppression des noyaux intérieurs, la suppression des dispositifs ou masselottes destinés à compenser le retrait pendant la solidification, la possibilité de fabriquer simultanément plusieurs pièces, de même forme ou non, la suppression de la nécessité d'un refroidissement très lent. I1 est nécessaire que le matériau constituant le moule résiste à l'action du réfractaire fondu. Il est nécessaire aussi que son coefficient de dilatation soit plus petit que celui du réfractaire solide pour que la pièce ne soit soumise à aucun effort mécanique pendant le refroidissement et pour qu'elle se démoule aisément. Il est avantageux que la matière constituant le moule ait une bonne capacité calorifique, car ce sont les calories absorbées par le moule qui déterminent la quantité de réfractaire qui se solidifie. Le graphite est un des rares matériaux qui remplit ces conditions. En choisissant convenablement, d'une part, les dimensions du moule et, par suite, son volume et, d'autre part, la durée d'immersion dans le réfractaire liquide, il est possible de déterminer à l'avance l'épaisseur des parois de la pièce. En effet, plus le moule est volumineux, plus il peut absorber de calories en s'échauffant de la température ambiante à la température de fusion du réfractaire, et plus épaisse sera la couche de réfractaire solidifiée à l'équilibre. Il n'est pas nécessaire d'atteindre l'équilibre et, en choisissant la durée d'immorsion, il est possible d'obtenir une couche plus mince que celle qui correspond à ltéquilibre.Cette durée est généralement comprise entrelet 60 s. Le procédé permet d'obtenir couramment des épaisseurs allant de quelques millimètres à plusieurs dizaines de millimètres. En ce qui concerne les autres dimensions, elles sont données par le moule. Théoriquement, il n'y a pas de limite supérieure mais, pratiquement, une limite est imposée par les dimensions des fours ou des poches à réfractaire dont on dispose. Il y a une limite inférieure dûe au fait que, au début de l'immersion, la solidification est assez rapide et qu'il est difficile d'obtenir des épaisseurs de parois très faibles ; de très petites cavités ont donc tendance à se remplir complétement de réfractaire. Le phénomène est mis à profit dans certains cas pour boucher les orifices prévus dans le moule pour 1 'évacuation de l'air. Pendant le refroidissement, en dehors du bain, du moule revêtu intérieurement et extérieurement d'une carapace de réfractaire solidifié, la carapace interne, qui constitue la pièce, n'est soumise à aucune contrainte puisqu'il n'y a pas de noyau. Au contraire, la carapace externe, qui est plus mince, se fissure, ce qui facilite son enlèvement après complet refroidissement et libère la pièce. Pendant le refroidissement, cette carapace externe joue le rôle d'écran thermique et contribue avec le moule à amoindrir le choc thermique auquel la pièce est nécessairement soumise. Après refroidissement complet, on constate que la pièce est exempte de fissures, qu'elle se démoule très aisément sans détérioration du moule qui peut resservir de nombreuses fois. Les figures jointes indiquent de façon non limitative un certain nomr bre de formes possibles pour les moules. La figure 1 est un moule à tube cylindrique que l'on plonge jusqu'au niveau A dans le bain de réfractaire, la partie émergeante servant à la préhension. La figure 2 est un moule à tube carré ou rectangulaire. La figure 3 est un moule à tube cylindrique ferté à une extrémité par une calotte sphérique. La figure 4 est un moule à creuset. Les moules (figures 3 et 4) comportent à leur partie supérieure un orifice circulaire (1), ou évent, de petit diamètre, qui a pour objet de permettre à l'air contenu dans le moule de s'échapper lorsqu'on plonge celui-ci dans la matière réfractaire fondue. Le diamètre de cet orifice est choisi suffisamment petit pour qu'il sty forme un bouchon de réfractaire. Tous ces moules sont aisément réalisés en graphite, matière qui résiste très bien au réfractaire fondu, qui s'usine facilement et avec précision. Le moule (figure 2) est réalisable à partir de plaques de graphite assemblées par clavetage. Les exemples qui suivent, donnés à titre non limitatif, illustrent la mise en oeuvre du procédé. EXEMPLE 1 Dans une poche calorifugée, on verse un bain liquide ayant la composition du corindon brun, matière première de la fabrication de grains abrasifs pour meules A1203 96,00 % TiO2 2,8 % Si02 0,75 t Fe203 0,15 % CaO 0,10 t Lorsque la température du bain est comprise entre 19800C et 20300C, on y plonge, jusqu'au niveau A, un moule conforme a a figure 1 pour lequel # i = 74 mn L = 1005 mm e = 20 niti Après une immersion de 20 secondes, on retire le moule et on le laisse refroidir à l'air.Après refroidissement complet, on retire facilement un tube dont les dimensions après sciage des extrémités à la meule diamantée sont diamètre extérieur : 74 mm épaisseur : 5 mm longueur : 1000 mm EXEMPLE 2 On opère comme en 1, mais l'immersion dure 40 secondes ; après sciage on obtient un tube diamètre extérieur : 74 mn épaisseur : mn longueur : 1000 mm Exemple 3 On opère comme en 1, mais le moule est plus épais (e = 35 mm) et l'immersion dure 40 secondes.Après sciage, on obtient un diamètre extérieur : 74 mn épaisseur : 10 mn longueur : 1000 mm Les tubes des exemples 1, 2 et 3 peuvent servir de chemisage pour une canalisation afin de la protéger contre la température, l'action abrasive ou corrisive du produit qu'elle transporte. Ils peuvent également servir de tu- bes laboratoires pour four à moufle. EXEMPLE 4 Dans une poche calorifugée, on verse un bain liquide ayant la compo- sition suivante A1203 74,20 % ZTO2 25,00 % TiO2 0,20 % SiO2 0,10 % FezO3 0,30 % CaO 0,10 % MgO 0,20 t Lorsque la température du bain est comprise entre 19300C et 1980 C, on y plonge jusqu'au niveau A un moule conforme à la figure 1, pour lequel i = 136 itin e = 25 mm L = 1005 mm Après une immersion de 40 secondes, on retire le moule et on le laisse refroidir à l'air.Après refroidissement complet, on retire facilement un tube dont les dimensions après sciage des extrémités à la meule diamantée sont diamètre extérieur : 136 miii épaisseur : 8 niti longueur : 1000 miii Des tubes de ce genre ont été utilisés pour remplacer une conduite en acier ordinaire de diamètre intérieur 120 mm et de 5 mm d'épaisseur servant au transport pneumatique de grains de corindon de O à 3 nin de diamètre avec un débit de 70 tonnes à l'heure. La conduite métallique était percée et hors d'usage après avoir assuré le transport de 1800 tonnes de corindon ; la conduite en oxyde fondu examinée après le transport de 3000 tonnes était encore utilisable, l'usure n'étant que de 30 % de l'épaisseur. EXEMPLE 5 En opérant comme dans 1 'exemple 4, mais avec un moule conforme à la figure 2, avec L = 1005 miii e = 35 mn l1 : 100 mn l2 = 120 mm on obtient un tube à section droite rectangulaire, les angles sont vifs à l'ex- térieur ; à l'intérieur, il y a des congés de raccordement de 10 mm de rayon. L'épaisseur des parois est de 10 mm. EXEMPLE 6 Dans un bain de corindon brut, à une température de 2000 C, on plonge pendant 40 secondes un moule conforme à la figure 3 avec L = 620 mn i = 40 mn e = 20 mm comportant un évent de # 5 mn. Après refroidissement du moule, démoulage et sciage de l'extrémité, on obtient un tube, ferme par une calotte sphérique et ouvert à l'autre extrémité, de 600 mn de long, 40 mn de diamètre extérieur et 5 rn d'épaisseur. EXEMPLE 7 Dans un bain de corindon brun, à une température de 200 C, on plonge pendant 15 secondes un moule conforme à la figure 4 avec L1 = 60 mn L2 = 50 mn #1 = 40 min #2 = 60 mm #ext= 80 mm comportant un évent de 4 mn de diamètre. Après refroidissement complet du moule, démoulage et sciage de l'extrémité, on obtient un creuset de 3 à 4 mm d'épaisseur de paroi. REVENDICATIONS 10/ - Procédé de fabrication de pièces creuses en matière réfractaire à base d'oxydes, dont les parois sont d'épaisseur sensiblement constante, caractérisé par la succession des stades suivants a) On plonge dans un bain de matière réfractaire fondue maintenue au voisinage de sa température de fusion un moule froid comportant une cavité ouverte ayant la forme extérieure de la pièce à réaliser et au moins une ouverture pour l'évacuation de l'air. b) On maintient ce moule dans le bain fondu un temps suffisant pour qu' il se dépose sur les parois de la cavité une couche solide de matière réfractaire ayant l'épaisseur désirée. c) On sort du bain le moule ainsi revêtu intérieurement et extérieurement d'une couche de matière réfractaire et à refroidir l'ensemble à l'air. d) On sépare la couche de matière réfractaire qui recouvre ltexté- rieur du moule de la couche qui tapisse la cavité intérieure. e) On démoule cette dernière qui constitue la pièce à réaliser. 20/ - Procédé de fabrication de pièces creuses selon revendication 1, caractérisé en ce que le moule est usiné dans un bloc de graphite. 30/ - Procédé de fabrication de pièces creuses selon revendication 1, caractérisé en ce que le moule est obtenu par assemblage préalable d'éléments en graphite. 4 / - Procédé de fabrication de pièces creuses selon revendication 1, caractérisé en ce que la matière réfractaire est à base d'Al203. 50/ - Procédé de fabrication de pièces creuses selon revendication 1, caractérisé en ce que la matière réfractaire est à base d'A1203 et contient, en outre, de 1 à 40 % de Zr02 60/ - Procédé de fabrication de pièces creuses selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée d'immersion dans le :b est comprise entre une et soixante secondes.