Brevet FR2481691A1 — publié le 19811106

La présente invention se rapporte d'une façon générale à un pro- cédé de recuit d'un produit réfractaire coulé,fondu par la chaleur. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de recuit d'un matériau réfractaire coulé, fondu par la chaleur, obtenu en coulant directement une matière réfractaire fondue, dans un moule maintenu dans un matériau calorifuge. Le produit réfractaire coulé, fondu par la chaleur (qu'on appellera ci-après "produit coulé"), est obtenu par fusion à chaud d'une matière réfrac- taire constituée de composants désirés, dans un four électrique; coulée de la matière réfractaire fondue dans un moule ayant la forme désirée; et re- cuit du produit réfractaire coulé, fondu par la chaleur. En ce qui concerne le procédé de recuit, il a été principalement employé pour le recuit d'une matière réfractaire fondue dans un moule ou d'un produit coulé chaud déjà démoulé en le maintenant dans un matériau calorifuge formant le milieu de recuit, comme par exemple une poudre de terre d'infusoires, une poudre d'alumine, du sable et des grains de chamotte, comme décrit dans les brevets américains n0 2 154 153 et 2 079 101 et le brevet japonais 24 081/1978. Ces procédés de recuit présentent des inconvénients sérieux, à savoir l'accumulation d'une grande quantité de poussière et le fait que l'on soit obligé d'opérer à une température élevée ce qui est à l'origine d'un environnement désagréable voire dangereux dans et près des ateliers. En outre, ces procédés se prêtent difficilement à une amélioration par mécanisation pour l'excellente raison que le produit réfractaire coulé est enfoui ou extrait d'une matière calorifuge qui constitue un milieu de recuit dans le système de transfert. Auzcontraire, on a également coulé directement une matière réfrac- taire fondue dans un moule assemblé maintenu au sein d'un matériau calori- fuge dans un récipient, comme décrit dans le brevet américain n0 2 145 153. On peut utiliser ce procédé par exemple pour obtenir un produit coulé dans une installation qui utilise un moule en graphite. Cependant, ce procédé ne peut être mis en oeuvre pour un système utilisant un moule de coulée en sable, comme par exemple un produit coulé du type bioxyde de zirconium-alumine-silice ou du type alumine-silice, étant donné que la résistance mécanique du moule en-sable n'est pas suffisamment élevée. On a proposé de soutenir le moule en sable au niveau de sa face arrière à l'aide d'un matériau de soutien, comme décrit dans la demande japonaise examinée n' 29 172/1976; malheureusement un tel procédé exige des opérations compliquées. Même si un tel procédé est utilisé, le moule n'est que partiellement maintenu ce qui est insuffisant pour empêcher les ruptures du moule en sable lors d'une opération de coulée. La présente invention a pour objet un procédé de recuit d'un produit 2 48 169 1 réfractaire coulé, fondu par la chaleur, obtenu par une coulée directe dans un moule en sable ayant un faible résistance et qui est maintenu dans un matériau calorifuge. Pour réaliser l'objectif indiqué ainsi que d'autres, l'invention fournit un procédé de recuit d'un produit réfractaire coulé fondu par la chaleur, obtenu par coulée d'une matière réfractaire fondue, dans un moule maintenu dans un matériau calorifuge tassé formant le milieu de recuit et possédant, en tant que propriété calorifuge une conductivité thermique pouvant aller de 0,04 et 0,3 Kcal/m.h.0C (à 200'C) et en tant que résistance mécanique de soutien du moule, d'un coefficient de contraction pouvant atteindre 45 % sous une pression de 50.105Pa. Selon le procédé qui fait l'objet de l'invention, on peut réaliser une économie importante de main d'oeuvre et on peut obtenir un produit coulé qui préserve sa forme sans aucune fissure. Pour aboutir à des résultats de ce type, on a trouvé qu'il était nécessaire de recuire le produit réfractaire coulé, dans des conditions désirées de calorifugeage et de satisfaire en outre aux deux exigences concernant la conductivité thermique et la résistance mécanique de soutien du moule. On a étudié des matériaix calorifuges variés pouvant former des milieux de recuit pour une pièce coulée. C'est ainsi qu'on a constaté que l'objectif de l'invention ne pouvait être atteint par utilisation des matériaux calorifuges, comme le montre les données ci-après: 2 Matériau caloRésistance méca- Calorifugeage| Ennuis appa- Qualité du| - rifuge nique de soutien raissant dans produit i le procédé coulé t Terre d'infu- très faible bon Effritage(inu- _ ! soîres tulisable pour un procédé de remplissage) Terre d'infu- faible bon Nécessité de Déforma- soires du type procédE au mé- tion du humide lange et-au corps moulage sous pression Sable Bonne Très faible Fissures i Alumine de Faible Faible Séparation Fissures Bayer à partir de O la poudre On a effectué des études variées pour aboutir à l'objectif selon 248 16 91 l'invention. On a étudié en particulier les conditions de calorifugeage et la résistance mécanique de soutien du matériau calorifuge, ainsi que la nature du matériau calorifuge qui convient à cet usage. Dans le procédé selon l'invention, il est nécessaire d'avoir une conductivité thermique de 0,04 à 0,3 Kcal/m.h.0C (à 200'C) pour le matériau calorifuge. Si la conductivité thermique est trop faible, le calorifugeage comme effet de recuit est élevé alors que la vitesse de recuit du produit moulé est nettement trop faible et la température du moule en sable est trop élevée, ce qui provoque une adhérence nuisible à l'état fondu du sable sur le produit coulé. D'autre part, si la conductivité thermique est trop élevée, le calori- fugeage est insuffisant et des fissures peuvent apparaître selon la dimension et la forme du produit réfractaire coulé. L'intervalle optimal de conductivité thermique est de 0,05 à 0,10 Kcal/m. h.OC. La résistance mécanique de soutien du moule du matériau calorifuge est nécessaire au départ pour empêcher les cassures ou la fissuration du moule de coulée avant la solidification d'une gaine du produit réfractaire coulé et donc lors de la coulée de la matière réfractaire fondue. Il est nécessaire que le coefficient de contraction soit faible et ne dépasse pas de préférence 40 % sous une pression de 50.10 5Pa. Dans certaines conditions douces, on peut obtenir la résistance mécanique désirée de soutien du moule même quand le coefficient de contraction est compris entre 40 et 45 %. Dans un tel cas, le calorifugeage peut être encore amélioré. En ce qui concerne le coefficient de contraction, il n'y a pas lieu de prendre en considération les effets de la température même si cette tempéra- ture est très élevée, étant donné qu'un moule de coulée est utilisé et que le produit réfractaire coulé assure rapidement lui-même le maintien de sa forme. On peut considérer le coefficient de contraction comme étant la force de sou- tenement du moule de coulée. C'est ainsi qu'on peut le considérer sous une pres- 5 sion de 100,10 ou de 200.10 Pa indépendamment de la température. Le coefficient désiré de contraction sous une telle pression peut atteindre 50 % ou même 60 %. On peut mesurer facilement le coefficient de contraction comme un taux de réduction du volume sous compression du matériau calorifuge tassé dans un récipient tel qu'un cylindre, par l'action d'un piston à la pression désirée. Si la résistance mécanique de soutien du moule n'est pas suffisamment élevée, il est impossible de maintenir la forme du moule en sable (préparé 24816 91 par liaison du sable avec un liant) lors de la coulée d'une matière réfrac- taire fondue. La valeur optimale du coefficient de contraction valable dans tous les cas, indépendamment de la forme et de la dimension du produit réfrac- taire coulé, est d'environ 25 à 35 7Z sous une pression de 50.105Pa. Le matériau calorifuge qui constitue le milieu de recuit selon l'invention va maintenant être étudié plus en détail. Comme il a été expliqué, les matériaux calorifuges classiques peu- vent ne pas convenir et on doit élaborer un nouveau matériau calorifuge. Par- fois, un matériau calorifuge classique peut être choisi et modifié par un traitement afin d'en permettre l'utilisation dans le cadre de.la présente invention. Il est cependant préférable d'employer le matériau calorifuge décrit ci-après. Le matériau calorifuge qui convient pour la mise en oeuvre de l'in- vention est un produit granulaire dont les grains, en totalité ou en majorité (au moins 90 %), oit une dimension de 0,1 à 6 mm et se présentant sous la forme d'un agrégat réfractaire léger. Ce produit granulaire est tassé autour du moule de coulée, de préférence avec une densité apparente pouvant atteindre 0,5. Le matériau calorifuge optimal est constitué par des tessons de po- terie en silice mousse, possédant un pouvoir de calorifugeage élevé. On peut aussi utiliser avantageusement une chamotte calorifugée, des grains d'alumine fondue ou des grains d'alumine légère. Parmi tous ces produits, les tessons de poterie en silice mousse présentent la même courbe de recuit que celle de la terre d'infusoires et possèdent la même résistance mécanique de soutien du moule que le sable, sans avoir aucun effet fâcheux sur le produit réfractaire coulé. En outre, on peut récupérer et réutiliser ce produit à raison de plus de 95 % après son application. On voit donc que les tessons de poterie en silice mousse constituent un produit supérieur à tous les autres. Dans la mise en oeuvre de l'invention, on utilise le matériau calori- fuge en qualité de matériau de soutenement calorifugé pour supporter le moule de coulée, surtout un moule en sable ayant une faible résistance mécanique, ce matériau étant tassé dans un récipient ce qui permet de recuire un produit réfractaire coulé en obtenant le calorifugeage désiré et la résistance mécani- que désirée de soutien du moule. Le matériau réfractaire fondu est coulé dans un moule de coulée maintenu dans le matériau calorifuge. Après la coulée, on place ce dernier sur le produit réfractaire coulé pour réaliser le recuit de ce produit réfractaire. Selon le procédé de recuit qui fait l'objet de l'invention, on peut facilement obtenir le produit réfractaire coulé dans le moule coulé sans aucune fissure et à la forme désirée. Les avantages industriels de l'invention sont 24 8 1691 remarquables. Les exemples suivants servent à illustrer l'invention sans aucune- ment en limiter la portée. EXEMPLE I Dans un récipient de recuit du type caisson, construit en fer et présentant une ouverture supérieure de 1050 mm et 1500 mm et une hauteur de 650 mm, on tasse des tessons de poterie en silice mousse qui constituent le milieu de recuit dans les conditions suivantes. On maintient dans le milieu de recuit un moule classique en sable assemblé à la forme désirée et ayant une entree de coulée à sa partie supérieure. Tessons de poterie en silice mousse Composition (% en pds) SiO2:85 - 95; A203: 2 -5; CaO: 0 - 1; Na20: 0 - 2; K20: 0 - 2. Point de fusion 1500 C Grosseur des grains: 2 - 4 mm: 80 - 100 % 0,1 - 2 mm: 0- 20 % Densité apparente: 0,3 - 0,5 Chaleur spécifique: 0,2 Kcal/kg C Stabilité à l'égard du cyclage thermique. On mesure le changement de la densité apparente après chauffage à 1250 C pendant quatre heures. Nombres de passes Densité apparente - O0 (initiale) 0,40 1 0,40 3 0,40 5 - 0,39 Les données suggèrent que les tessons de poterie en silice mousse possèdent des propriétés suffisantes aussi bien comme milieu de recuit pour une coulée par fusion que comme milieu de soutien d'un moule en sable. Conditions de tassement des tessons de poterie en silice mousse: Conductivité thermique: 0,05 - 0,08 Kcal/m.h. C Résistance mécai-4de de soutien du moule: Coefficient de contraction sous kg.10 Pa Environ 30 % kg.10 pa " 40 % kg.105Pa " 50 % 243 16 91 On fait fondre une matière réfractaire contenant du zircon et de l'alumine de Bayer en tant que composants principaux dans un four électrique à arc et on coule la matière fondue dans divers moules en sable qu'on prépare dans les conditions indiquées. Après chaque coulée, on recouvre chaque moule en sable contenant le produit réfractaire coulé avec les mêmes tessons de poterie en silice mousse pour effectuer un recuit pendant 7 jours, après quoi on retire le produit coulé des moules. Les résultats des essais sur les pro- duits coulés sont comme suit: Analyse chimique: ( % en pds) ZrO2: 32 % Sio2: 16 % Fe203 + TiO2 / 0,1 % Forme et observations AÈ03 *50 % Na20: 1,1 % Tableau -I Echantillons I 2 3 Forme (mm) 300 x 450 x 600 90 x 500 x 600 250 x 635 x 1015 Poids (kg) 284 95 560 Fissuration néant faible seulement, néant pas d'ennui Déformation des faces du + 2 à + 3 3 à + 4 *2 à + 4 corps (mm) + as +3à+4 ps' ni Pas é'ennui pas d'ennui. pas d'ennui Note 1: Les moules en sable n'ont pas été brisés par la coulée. Note 2: On détermine la courbe de recuit de l'échantillon 1. Cette courbe est similaire à celle d'un milieu classique de recuit en terre d'infusoires et sa pente est plus douce que celle de la courbe de recuit du milieu de recuit en sable. On confirme que le produit pos- sède une propriété suffisante de recuit. 2 48 1691 EXEMPLE 2 On procède comme dans l'exemple 1, sauf que le coefficient de contrac- tion des tessons de poterie en silice mousse sous 50.105Pa de résistance mé- canique de soutien est de 38 %. On effectue ainsi les essais de recuit dont les résultats apparaissent dans le tableau II Tableau II Echantillons 4 5 6 Forme (mm) 300 x 450 x 600 90 x 500 x 600 250x450x1200 Poids (kg) 284 95 500 Fissuration néant néant néant Déformation des faces du corps (mm) + 2 à + 3 -3 à + 4 + 3 à + 4 pas d'ennui pas d'ennui pas d'ennui EXEMPLE 3 On procède comme dans l'exemple lJ sauf que le coefficient de contrac- tion des tessons de poterie en silice mousse sous 50.105Pa de résistance mécani- que de soutien est de 43 %. On effectue ainsi les essais de recuit dont les résultats apparaissent dans le tableau III. Tableau III Echantillons 7 8 9 Forme (mm) 300 x 450 x 600 90 x 500 x 600 250x450x1200 Poids (kg) 284 95 500 Fissuration néant néant néant Déformation des faces du corps (mm) + 3 à + 5 + 3 à + 5 + 5 à + 7 24 8 16 9 1 On peut utiliser ces produits réfractaires coulés sans aucun ennui. La précision dimensionnelle des produits n'est pas suffisamment élevée et il peut donc être nécessaire de mouler le produit avant son emploi pour certaines applications. Quand le coefficient de contraction des tessons de poterie en silice mousse sous 50.105Pa est de 50 %, un moule en sable est brisé lorsqu'on coule dans celui-ci un produit du type des échantillons 8 et 9 et le produit coulé obtenu avec l'échantillon 7 présente des irrégularitésconstituées par des déformations des faces du corps. Le produit ne convient pas pour utilisation après meulage. REVENDICATIONS 1. Procédé de recuit d'un produit réfractaire coulé, fondu par la chaleur, obtenu en coulant une matière réfractaire fondue par la chaleur, dans un moule maintenu dans un matériau c alorifuge formant le milieu de recuit, caractérisé en ce qu'on maintient ce moule dans le matériau calorifuge tassé possédant, en tant que propriété calorifuge, une conductivité thermique de 0,04 à 0,3 Kcal/m.h. C (à 200 C)et en tant que résistance mécanique de soutien du moule, un coefficient de contraction pouvant atteindre 45 % sous une pression de 50.105Pa. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on main- tient le moule dans un matériau calorifuge tassé ayant en tant que résistance mécanique de soutien du moule, un coefficient de contraction pouvant atteindre % sous une pression de 50.105Pa. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le coef- ficient de contraction atteint une valeur de 25 à 35 % sous une pression de 50.105Pa. 4. Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'on maintient le moule dans un matériau calorifuge tassé dont la conductivité thermique est de 0,05 à 0,1 Kcal/m.h. C. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que le matériau calorifuge est formé de grains dont les di- mensions sont, en totalité ou en majorité, égales à 0,1 - 6 mm, ces grains étant tassés autour du moule. 6. Procédé selon la revendication 1 ou 5, caractérisé en ce qu'on tasse un agrégat réfractaire léger en qualité de matière calorifuge pour obtenir une densité apparente allant jusqu'à 0,5. 7. Procédé selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le matériau calorifuge est choisi parmi les suivants: tessons de poterie en silice mousse, chamotte calorifugée, A 203 grains de A2 03 fondue et grains d'alumine légère. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau calorifuge est constitué par des tessons de poterie en silice mousse. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caracté- risé en ce que le moule est un moule en sable.