Brevet FR2497684A1 — publié le 19820716

La présente invention est relative a un matériau filtrant pour fluide destiné à filtrer un fluide liquide ou gazeux. Un matériau filtrant céramique, parmi les matériaux filtrants pour fluide, possède une performance thermique et une résistance chimique supérieures comparé aux matériaux filtrants organiques et métalliques, de sorte que l'on utilise un matériau céramique dans un large domaine comprenant la filtration, la diffusion, la r6- cupération, le transfert, le mélange et la production de mousse, de fluides.Cependant, le matériau filtrant céramique connu, généralement utilisé, est l'un de ceux dont l'agrégat est composé de particules broyées en forme d'aiguille ou en masse, ledit agrégat étant obtenu par broyage et triage d'une masse faite après mélange ou frittage de minerais naturel ou artificiel, ou l'un de ceux dont l'agrégat est fait de billes de verre fondu, et par conséquent un tel matériau filtrant possède les inconvénients suivants (1) Un agrégat de particules broyées fait de grandes masses fondues ou frittées possède intérieurement, des fissures fines produites par le choc du broyage, et les extrémités pointues a angle aigu exposées à la surface du matériau filtrant sont facilement détachées par les contraintes de chocs ou d'éraflure se trouvant ainsi mélangées avec le fluide de filtrage.Cet inconvénient peut être important pour des parties de filtre associées à des vibrations ou des chocs ou pour un élément de filtre destiné à filtrer un fluide sous pression élevée et à viscosité élevée. (2) Un agrégat de particules broyées possède un poids spécifique de masse faible et une mauvaise propriété de charge. Par conséquent si la pression de moulage est augmentée pour accroitre la densité du matériau filtrant, la structure du matériau peut Outre répartie de façon non uniforme ou l'agrégat peut être détruit. (3) Etant en forme d'aiguille ou en masse les agrégats de particules broyées possèdent à leurs points de contact mutuels, un angle de contact plus grand, une surface de contact moindre et un nombre de points de contact moins élevé. Dans une telle structure le liant peut n'être pas efficacement concentré aux points de contact du fait de la fluidification ramollissante du liant de sorte qu'il est difficile d'améliorer la résistance mécanique du matériau filtrant. (4) Les pores formés entre les agrégats, par les agrégats de particules broyées, sont sous forme courbe, vermiculaire ou bouclée, pour ainsi présenter une grande résistance de filtrage du fluide. (5) Un matériau filtrant qui utilise des billes de verre comme agrégat ne possède pas lesdits inconvénients, mais du fait que les billes de verre sont amorphes elles possèdent une résistance aux chocs et une résistance thermique faibles. Selon la présente invention, on a remarqué que lesdits inconvénients des matériaux filtrants céramiques sont provoqués par la forme et les propriétés de la matière, particulières aux particules broyées de l'agrégat, de même que par le mécanisme de liaison de l'agrégat par rapport aux particules broyées et par la résistance de l'agrégat par rapport aux billes de verre, remarque qui a conduit à un perfectionnement du matériau filtrant. La présente invention est relative à un matériau filtrant pour fluide, constitué par un corps fritté comprenant, pour 100 parties en poids de réfractaire d'alumine, dont plus de 95% en poids dudit réfractaire sont constitués de sphéroïdes granulés de taille de particule inférieure à 1,0 mm, de 15 à 30 parties en poids de liant minéral possédant une taille de particules inférieure à 40 microns et de 0,1 à 1 partie en poids de fluorure et/ou d'oxyde de lithium, ledit matériau ayant un diamètre moyen des pores de 500-1 microns et une porosité de 15 à 408. Le matériau filtrant ainsi préparé possède une performance susceptible de supporter une utilisation à température élevée. On peut obtenir un réfractaire d'alumine sphérique, par exemple, par un procédé d'injection de substance fondue, dans lequel on fond de la mullite de pureté élevée, que l'on injecte à partir d'une tuyère dans une atmosphère réduite à température fixe et l'on injecte des gaz comprimés tels que de l'air et de l'argon dans ladite coulée fondue, pour ainsi la diviser et la granuler.En outre, il est possible d'obtenir l'alumine réfractaire sphérique par un procédé de granulation et de frittage dans lequel on extrude un mélange sous forme de bouillie sous pression depuis un injecteur, ledit mélange étant réalisé par adjonction d'un agent de liaison à de la fine poudre de mullite de pureté élevée et par pétrissage, tandis que l'on découpe ledit mélange injecté en longueurs prédéterminées, lesdits morceaux découpés sont roulés par une machine à granuler pour être réduits en granulés sphéroldes de taille de particule souhaitée, puis les granulés sont frittés. Les sphéroïdes de mullite ainsi obtenus sont de structure cristalline compacte dans laquelle les fins cristaux de mullite sont mêlés de façon complexe et leur sphéricité est excellente de sorte qu'ils constituent un agrégat idéal.Dans le cas d'un matériau filtrant fabriqué à l'aide d'un agrégat réfractaire d'alumine sphérique, le diamètre moyen des pores des sphéroïdes peut être déterminé sur la base du diamètre moyen des particules et du mode de charge de l'agrégat. En général, un matériau filtrant est réalisé de telle manière que les agrégats soient mélangés avec un liant minéral additionné d'eau pour etre humide, le mélange est chargé dans un moule et après démoulage le matériau filtrant est séché et calciné. Cependant, dans le cas où un mélange particulièrement uniforme est requis, l'addition d'un liant organique produit un matériau filtrant plus serré. C'est-à-dire que, dans le but d'utiliser l'excellente performance de charge du réfractaire d'alumine sphérique, grâce à laquelle le rapport de charge est amené près de la valeur théorique et le liant est hautement concentré aux points de contact des agrégats, on peut utiliser par exemple la paraffine comme additif organique et l'on utilise le procédé de pétrissage à chaud et le proc6- dé de pressage à chaud en combinaison pour effectuer de façon efficace lesdites opérations. Les sphéroïdes de mullite sont chargés dans une machine à pétrir à chaud pour être chauffés à une température de 100 à 1500 puis on ajoute la paraffine solide à raison de 5 à 78 en poids aux agrégats et l'on agite lorsque la surface des sphéroïdes est revêt par fusion de la paraffine, selon une épaisseur uniforme. En second lieu on ajoute graduellement un liant minéral (tel qu'une fine poudre de verre) préalablement chauffé à la même température puis l'on agite, et une couche de revêtement uniforme du liant peut se former en 10 à 15 minutes. Troisièmement, la matière pétrie est refroidie tandis qu'on la fait passer à travers un tamis et qu'elle est graduellement dispersée par un courant d'air, et du fait que la matière pétrie est empêchée de se prendre en masse grâce à la vis cosité de la paraffine, il est possible d'obtenir un mélange de bonne fluidité. Dans le mélange ainsi obtenu le liant est amené à adhérer à chaud fermement aux agrégats de réfractaire d'alumine, sphérique par la paraffine, mais à la température ambiante après refroidissement la viscosité de la paraffine est assez élevée pour être presque solide, de sorte que les éléments du mélange ne collen pas mutuellement, mais gardent une bonne fluidité, et ainsi le mélange peut être réparti uniformément à chaque partie du moule métal lique.Cette condition est nécessaire pour obtenir un matériau filtrant possédant une répartition des pores uniforme. Ainsi lorsque le mélange introduit dans le moule métallique est soumis à une pression tout en étant chauffé à une température de 100 à 150 C la paraffine dont la viscosité a été abaissée est fluidifiée et ramollie à la surface des sphéroïdes dans un état associé au liant, se concentrant ainsi aux points de contact des agrégats. Une fois que le liant a pu être concentré aux points de contact des agrégats, on peut dans un procédé de moulage utiliser des liants minéraux dans une gamme plus large que dans le cas d'un procédé conventionnel, où celà ne dépendait que d'une fluidité provoquée par la viscosité à température élevée.De plus, la paraffine dont la viscosité a été abaissée par chauffage agit comme lubrifiant entre les agrégats, de sorte que le rapport de charge peut être amené proche de la valeur théorique et la pression de moulage est abaissée, ce grâce à quoi il est possible de mouler un matériau filtrant possédant une répartition de densités uniforme. De telles actions pendant le chauffage et la mise sous pression peuvent être effectuées efficacement si l'agrégat est sphérique et non dans le cas d'un agrégat de particules broyées, à cause de la surface courbée de l'agrégat.Dans le cas d'un matériau filtrant céramique, le liant doit être concentré aux points de contact entre les agrégats, et le liant étant collé aux autres parties que les points de contact non seulement ne contribue pas à la liaison des agrégats mais est également libéré pour se mêler au fluide de filtrage. Si ces moulages sont calcines, après refroidissement, à une température de frittage du liant (13200C dans le cas de fine poudre de verre) à l'aide d'un four de calcination connu, il est susceptible de lier fermement les agrégats. Le matériau filtrant pour fluides ainsi obtenu possède un rapport élevé de charge des agrégats. Par conséquent ledit ma tériau filtrant possède une grande résistance mécanique, est susceptible d'atteindre une résistance à la pression supérieure à 2 500 kg/cm2 à température ambiante, une répartition des pores uni- forme et a une excellente résistance chimique. Le réfractaire d'alumine sphérique constituant le mate riau filtrant pour fluide de l'invention comprend au moins un réfractaire choisi dans le groupe des alumines industrielles contenant plus de 50% en poids de A1203, corindon, mullite, bauxite, diaspore et sillimanite, ledit réfractaire étant rendu sphérique par lesdites étapes et utilisé comme agrégat. En ce qui concerne la taille des particules, le réfractaire alumine dont la taille de particules est inférieure à 1,0 mm doit être contenu à raison de plus de 95% en poids d'une manière appropriée telle que le diamè- tre des pores du matériau filtrant soit dans la gamme de 500-1 microns et que la porosité soit de 15 à 40% lorsque ledit matériau filtrant est réalisé.Si des particules grossières supérieures à 1 mm dépassent 5%, les pores du matériau filtrant ne sont pas uniformément répartis. Comme liant minéral on utilise une fine poudre d'au moins un des liants du groupe des kaolinite, bentonite, agalmatolite, alumine calcinée et frittée, pierre siliceuse, feldspath, pierre à porcelaine et verre, qui ont des propriétés de frittage telles qu'elles n'abaissent pas la résistance thermique des agr6- gats, autant que possible, et de fines poudres de minerais ayant spécifiquement des propriétés de frittage, parmi les minerais tels que la chromite, l'apatite et la colemanite. Plus les particules sont fines meilleures elles sont. Cependant, si la taille des particules est inférieure à 40 microns lesdits minerais peuvent pratiquement être utilisés.Dans la proportion du liant, celle-ci peut être moindre pour des agrégats grossiers et on peut l'accroltre lorsque les agrégats deviennent plus fins car la zone de surface devient plus grande. Cependant, même si le liant dépasse 30 parties en poids pour 100 parties en poids d'agrégats, l'effet de liant ne change pas. De plus, dans un tel cas il se produit un effet inverse de noyage des pores du matériau filtrant. D'autre part avec moins de 15 parties en poids de liant, la résistance à la pression dudit matériau filtrant devient faible même avec des agrégats dont la taille des particules est d'environ 1 mm, on ne peut parfois obtenir une résistance à la pression de 500 kg/cm2 qui est considérée comme un domaine pratiquement utilisable.En outre, comme auxiliaire de frittage du liant on peut utiliser mélangé avec le liant, du fluorure de lithium et/ou de l'oxyde de lithium de même taille de particules que le liant. Cependant s'il y en a plus de 1 partie en poids, pour 100 parties d'agrégats, l'auxiliaire de frittage peut abaisser le point de fusion du liant lorsque la résistance thermique dudit matériau filtrant est abaissée, ce qui rend le matériau filtrant inapte à l'utilisation dans une atmosphère à haute température, telle que dans une tuyère d'injection de gaz. D'autre part, avec moins de 0,1 partie en poids d'auxiliaire de frittage pour 100 parties en poids d'agrégats, l'effet de régulation du point de fusion du liant est affaibli de sorte qu'une quantité si faible d'auxiliaire de frittage n'est pas utile pratiquement. Le matériau filtrant pour fluide selon l'invention qui est produit par mélange, moulage et calcination, de chacun desdits matériaux constituants selon les procédés ci-dessus, est le plus approprié à une tuyère d'injection de gaz inerte à un bouchon pour métal fondu, grâce à ses caractéristiques de résistance thermique. Mais il est inutile de préciser qu'il est également utilisable pour filtrer, diffuser, récupérer, transférer, mélanger et transformer en mousse les fluides qui sont destinés à être filtrés par les matériaux filtrants céramiques. L'invention va maintenant être décrite, à titre d'exemple, en se référant à un bouchon poreux pour injecter de l'acier fondu. Répartition des tailles de particules de l'agrégat sphérique de mullite Au-dessus de 1 mm 0% en poids 1 mm - 500 Microns 43% en poids 500 - 350 Microns 37% en poids 350 - 177 Microns 17% en poids 177 - 74 Microns 3% en poids Composition des mélanges Agrégat sphérique de mullite 100,0% en poids Alumine frittée 5,08 Alumine calcinée 7,5% Agalmatolite 2,0% Pierre à porcelaine 2,0% Bentonite 1,0% Oxyde de Chrome 2,0% Fluorure de lithium 0,5% Poids spécifique de masse de l'article moulé : 2,10 g/cm3 Température de calcination 15500C (1) Propriété du produit 3 Poids spécifique de masse 2,47 g/cm3 Résistance à la compression 550 Kg/cm2 Porosité 26,7% 3 2 Taux de pénétration de gaz 2,5 cm /cm cm. sec.cm d'eau Diamètre moyen des pores 80 microns (2) Produit de comparaison Des particules détruites de mullite de même taille standard de particules que dans l'invention ont été mélangées avec le liant des mêmes composants, et selon le même rapport, puis le mélange a été calciné à la même température. Le produit ainsi préparé possède les propriétés suivantes Poids spécifique de masse 2,35 g/cm3 2 Résistance à la compression 510 Kg/cm Porosité 25,5% 3 2 Taux de pénétration de gaz 1,5cm3/cm2/cm. sec.cm d'eau Le produit de la présente invention et le produit de comparaison ont tous deux été montés au fond d'une poche de 20 tonnes, comme bouchon d'injection de gaz possédant un diamètre supérieur de 100 mm, un diamètre inférieur de 150 mm et une hauteur de 200 mm. On a versé de l'acier fondu à une température de 1600 à 17000C dans la poche puis on a introduit un gaz argon 2 à raison de 0,5 à 2,0 Kg/cm2 à travers le bouchon, pour ainsi effectuer un traitement de dégazéification pendant 50 à 90 minutes. A ce moment on a pu comparer ledit produit et ledit article quant à leur capacité d'endurance, ce qui a donné le résultat suivant Produit de la présente invention 3 - 5 fois Produit de comparaison 1 à 2 fois Ainsi, on a observé une grande différence entre ledit produit de l'invention et ledit produit de comparaison et on a remarqué que le premier pouvait durer de 1,5 à 5 fois plus longtemps que le dernier. REVENDICATIONS 1. Matériau filtrant pour fluide, caractérisé par le fait qu'il est constitué par un corps fritté comprenant, pour 100 Parties en poids d'alumine réfractaire, dont plus de 95% en poids dudit réfractaire sont constitués de sphéroïdes granulés de taille de particule inférieure à 1,0 mm, de 15 à 30 parties en poids de liant minéral possédant une taille de particules inférieure à 40 microns et de 0,1 à 1 partie en poids de fluorure et/ou d'oxyde de lithium, que son diamètre moyen de pores est de 500-1 microns et que sa porosité est de 15 à 40%. 2. Matériau filtrant pour fluide selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réfractaire d'alumine est cons titué par au moins l'une des alumines hautement réfractaires choisies dans le groupe des alumine industrielle, corindon, mullite, bauxite, diaspore et sillimanite. 3. Matériau filtrant pour fluide selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que le liant minéral est constitué par au moins l'un des matériaux frittés choisis dans le groupe des kaolinite, bentonite, agalmatolite, alumines calcinées ou frittées, pierre siliceuse, feldspath, pierre à porcelaine, verre et autres minerais.