Brevet FR2502039A1 — publié le 19820924

L'invention concerne un nouveau procédé de fusion partielle de la surface de matériaux ou corps solides, en particulier de matériaux de construction, et un appareil pour la mise en oeuvre du procédé. Pour répondre aux besoins croissants de l'industrie du bâtiment, on utilise de plus en plus des éléments de construction préfabriqués. Les procédés actuellement appliqué pour façonner la surface des éléments de construction ne sont pas satisfaisants quant à la possibilité de fabrication en série à la longévité et à l'esthétique des éléments.Depuis des années déJà, des expériences sont en cours pour constituer à la surface d'éléments de construction des couches superficielles vitreuses afin d'éliminer les inconvénients ci-dessus. Âfin de fournir la chaleur nécessaire à la fusion partielle, on a tenté d'appliquer des flammes d'oxygène et d'acétylène dissous et des arcs électriques, mais ces procédés sont très longs et coûteux de sorte qu'ils n'ont pas pu répondre aux exigences de la fabrication in- dustrielle en grande série. En effet, par ces procédés, on pouvait seulement obtenir des températures de quelques milliers de degrés Kelvin et par suite, pour obtenir une surface partiellement fondue de qualité acceptable, il faut maintenir longtemps la source de chaleur aux différents points de la surface.Ainsi, la fusion elle-même dure longtemps, le procédé nécessite des moyens importants et son rendement aussi est mauvais, compte tenu du fait que l'élément de construction s'échauffe Jusqu'à des profondeurs relativeaent grandes. La fusion partielle effectuée au moyen d'un arc électrique est en principe une solution notablement meilleure que le procédé utilisant la flamme d'oxygène et d'acétylène dissous, car dans le cas où l'intensité du courant est appropriée, il peut même apparattre, dans l'axe du coeur de l'arc, des températures de plusieurs dizaines de milliers de degrés Kelvin. Or en pratique, seule la surface de l'arc, à quelques milliers de degrés Kelvin, peut titre mise directement en contact avec la surface à fondre superficiellement.Par exemple, on mentionnera le procédé du brevet hongrois N 162 488 dans lequel on tente de fondre la surface d'éléments de construction au moyen d'arcs à haute tension, Outre ce qui précède, ce procédé a l'inconvénient qutil faut disposer de la haute tension nécessaire au fonctionnement, qu'il est difficile de respecter les prescriptions de sécurité propres à l'utilisation des hautes tensions et que l'arc long et erratique ne peut pas être mis en contact dans n importe quelle direction avec la surface à fondre0 Un autre inconvénient est qu'une partie seulement du coeur de l'arc peut entrer directement en contact avec la surface à travailler, ce qui entraîne un rendement désavantageux ; pour stabiliser l'arc, il faut des procédés spéciaux et lors du changement de plaque ou de panneau, il existe toujours un risque d'extinction de l'arc. Ainsi, l'application de l'arc électrique n'a pas conduit non plus à un procédé convenant à la fabrication en série. L'invention a pour but, tout en supprimant les ;ncon- vénients des procédés connus, de fournir un procédé très simple et économique de fusion partielle de la surface de matériaux ou corps solides, en particulier d'éléments de construction, qui puisse s'insérer directement dans le processus de fabrication en série des éléments de construction dans l'industrie du bfi*i- ment et permette même de diminuer la durée antérieure des la fabrication, ainsi qu'un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé. Ce problème est résolu selon l'invention. L'invention repose sur cette constatation que l'on peut obtenir une solution économique, convenant même à la fabrication en série et assurant une bonne qualité si, pour fondre partiellement la surface des matériaux ou corps solides tels que des éléments de construction, au lieu de mettre directement l'arc électrique en contact avec la surface à fondre, on utilise l'arc pour chauffer un gaz servant de source de chaleur et que l'on fait s'écouler à grande vitesse et si l'on applique à la surface la chaleur nécessaire au moyen du plasma ainsi engendré, qui peut être bien dirigé ou oriente L'invention a donc pour objet un procédé de fusion partielle de la surface de matériaux ou corps solides, en particulier d'éléments de construction, utilisant un arc électrique comme source de chaleur et caractérisé par le fait que l'on fait passer un gaz à travers l'arc électrique et que l'on assure l'action thermique au moyen du plasma dirigé ainsi engendré. Grâce à l'invention, il devient possible d'utiliser la teneur en chaleur de l'arc électrique dans une mesure telle que la température du plasma qui entre en contact avec la surface à fondre partiellement dépasse d'un ordre de grandeur (15 000 à 30 000ou) les températures appliquées dans tous les procédés connus de fusion partielle. D'après les expériences de la Demanderesse, le plasma à haute température forme très rapidement une surface vitreuse de bonne qualité et le matériau solide ou le corps solide, par exemple l'élément de construction, n'est chauffé que sur une très faible épaisseur de sorte que la majeure partie de la teneur en chaleur du plasma est utilisée directement pour la fusion partielle.La forme du plasma reste inchangée à cause de l'écoulement à grande vitesse du gaz et il devient possible de diriger ou d'orienter à volonté le plasma ou de disposer (de déplacer) de la façon la plus avantageuse et la plus économique la surface à fondre. Un autre avantage du procédé selon l'invention est que l'arc servant à chauffer le plasma peut être engendré avec un courant continu à basse tension (30 à 150 V), ce qui constitue un mode d'exécution avantageux du procédé selon l'invention. En effet, selon l'invention, on peut facilement appliquer un arc très court (quelques millimètres) dont la stabilité est facile à assurer et dont on peut régler la teneur en chaleur pratiquement à une valeur quelconque en faisant varier l'intensité du courant (300 à 700 A). Selon un mode d'exécution préférentiel, on dispose la source de plasma à une distance de 2 à 80 mm de la surface à fondre et on règle l'axe du plasma sous un angle de 10 à 900 relativement à la surface à fondre, car on obtient ainsi l'effet le plus avantageux. Par suite, à la surface de la matière traitée thermiquement en bandes, on peut assurer une couche fondue de façon entièrement uniforme. Toutefois, en faisant varier la largeur de bande et la profondeur de fusion, il est possible de former des dessins quelconques permettant de satisfaire les exigences esthétiques les plus diverses.Les valeurs indiquées plus haut pour la disposition de la source de plasma tiennent compte du fait que selon la qualité de la matière à fondre, il peut être nécessaire de modifier les paramètres de fonctionnement (par exemple l'intensité du courant et la vitesse du gaz) de la source de plasma et la vitesse de mouvement de la source de plasma ou du matériau. Selon la composition du matériau à fondre et la qualité désirée de la surface traitée thermiquement, on peut aussi modifier le gaz de plasma utilisé dans le procédé. De préférence, on utilise comme gaz de plasma l'argon, l'azote, l'air, un hydrocarbure, l'hydrogène ou un mélange de ces corps0 Dans le cas où l'on utilise un gaz ayant une action corrosive, on peut assurer la protection de la cathode, selon un mode d'exécution spécial, en formant une couche de gaz protecteur, La possibilité d'utiliser différents gaz augmente les variations possibles dans le travail et la composition la plus avantageuse du gaz de plasma dans chaque cas d'espèce est déterminée par la quantité et la qualité des matériaux à travailler ainsi que par des considérations économiques. Le procédé selon l'invention donne aussi une bonne possibilité de colorer durablement les surfaces à fondre, Pour la coloration, on utilise de préférence des matières minérales, en particulier des oxydes métalliques. Déjà en fonction de la composition du matériau de base, il se forme des surfaces de coloration différente qui sont aussi satisfaisantes esthétiquement en elles-mêmes. En adoptant comte fond l'effet de couleur qui dépend du matériau de base, O peut, avant ou pendant le traitement au plasma, appliquer des colorants sur la surface par un procédé de projection. Après le refroidissement, les colorants minéraux qui se trouvent dans la phase fondue s'incorporent au matériau de base, plus précisément ils s'y dissolvent ou s'y mélangent et donnent, sous la protection du revêtement vitreux, une surface colorée uniforme.En mélangeant les colorants à des additifs (par exemple l'alumine ou la silice) en différentes proportions, on peut obtenir les nuances désirées et en même temps, diminuer la consomoation spécifique des colorants coûteux, en particulier des oxydes métalliquesO L'action de l'atmosphère réductrice, inerte ou oxydante, selon la nature du colorant, fournit une autre possibilité de variation. Selon un mode d'exécution spécial, on utilise simultanément plusieurs sources de plasma et on déplace celles-ci, selon les dessins ou grains désirés, dans le plan de la surface à fondre et perpendiculairement à celle-ci, avantageusement selon un programme prédéterminé. Par suite, on peut former les dessins les plus divers et augmenter à volonté la vitesse de fusion0 Pour le procédé de fusion partielle selon l'inventior on engendre de préférence une flamme de plasma ayant une longueur de 100 à 250 mm et une largeur de 6 à 100 mm. Pour y parvenir, on adopte pour la cathode du générateur utilisable comme source de plasma un angle de conicité de 16 à 500 et pour l'anode un angle de conicité de 20 à 600. L'invention a donc aussi pour objet un générateur de plasma destiné à la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comportant une cathode conique et une anode conique et caracté- risé par le fait que l'angle de conicité de la cathode est de 16 à 50e et l'angle de conicité de l'anode de 20 à 600. Le générateur de plasma ainsi conçu convient à la réalisation de n'importe quelle fusion superficielle, compte tenu des conceptions de la fabrication en grande série. La fabrication en grande série exige une fonctionnement continu de la source de plasma, ce qui nécessite une grande longévité de la cathode et de l'anode du générateur de plasma. Par suite, pour atteindre ce but, selon un mode d'exé- cution avantageux du générateur de plasma selon l'invention, la cathode de celui-ci est formée de tungstène, ou de tungstène additionné de thorium, fabriqué par métallurgie des poudres, et son anode de cuivre refroidie par eau. Des expériences de la demanderesse ont démontré qu'avec ces matériaux, dans des con- ditions économiques, on peut assurer un fonctionnement d'au moins 10 à 12 heures, après quoi on peut effectuer le changement des électrodes en quelques minutes. Cela répond dans une large mesure aux besoins de la fabrication industrielle.Par un refroidissement intense de la cathode, il est devenu possible d'appliquer un arc électrique de 600 à 700 A (ce qui signifie une plus grande largeur de bande et une plus grande profondeur de fusion) et grâce à I1 exécution du système de refroidissement direct de l'anode, il devient possible d'utiliser des anodes en cuivre peu coûteuses, On expliquera plus précisément l'invention ciuaprès, à propos du dessin annexé qui montre, en coupe longitudinale, un mode d'exécution du générateur de plasma selon l'inventione Dans le générateur de plasma destiné au traitement thermique de la surface de plaques ou panneaux de construction fabriqués en série sont disposées en position fixe une cathode I et une anode 2 de polarité opposée, avec un espacement mutuel de 1 à 2 mm. L'angle de conicité 6 de l'anode 2, dans ce mode d'exécution, est de 400 et l'angle de conicité 7 de la cathode 1 est de 27-. La cathode 1 est fixée à un porte-cathode 9 fabriqué en-cuivre. La protection des électrodes 1 2 contre l'action de la chaleur est assurée par une cavité de refroidissement 3 comportant un refroidissement intense par eau, l'écoulement du gaz de fonctionnement est assuré à gra*ffie vitesse et l'étalement uniforme du gaz de fonctionnement est assuré par un anneau distributeur 4.Le plasma engendré par larc électrique est accéléré à peu près à deux fois la vitesse du son dans une partie 5 de l'anode 2, présentant un plus petit diamètre, Enfin, le plasma quitte le générateur de plasma par l'anode 2 exécutée avec un angle de conicité de sortie de 8 à 100. Par exemple, on traite thermiquement selon l'inven- tion de nombreuses éprouvettes d'élément de construction en matériaux à base de silicate. Après le traitement thermique, lors des essais nécessaires de résistance aux intempéries, de diffusion de vapeur (essai d'aération) et des autres essais prescrits par les normes, on constate que le procédé selon l'invention permet d'obtenir, même en grande série, des surfaces répondant à toutes les exigences, notablement plus résistantes aux intempéries et plus esthétiques que les revêtements antérieurs. Un grand avantage du procédé selon l'invention est que la fusion partielle des surfaces, effectuée au moyen d'un plasma, donne lieu à un revêtement vitreux mais en même temps poreux.La porosité répond aux mêmes conditions que les matériaux classiques quant à la diffusion de vapeur. La surface fondue partiellement ne perd pas son éclat vitreux même sous l'action de l'atmosphère et les surfaces peuvent être maintenues propres par lavage ou de façon naturelle (pluie). Le procédé selon l'invention est une technique nouvelle de traitement de surfaces, en particulier pour les genres de construction réalisés au moyen de grands éléments (par exemple les habitations, édifices publics et bâtiments industriels), mais il est applicable aussi à tout produit formé d'un matériau à base de silicate, par exemple au nouveau traitement industrialisé (automatique) de la surface des plaques ou panneaux de parement dans la construction légère.Ce procédé peu coûteux et rapide permet de former des surfaces aussi bien planes que bombées présentant des dessins colorés et variés et offre même la possibilité de créations artistiques individuelles. Le procédé qui convient à la fabrication en série assure une qualité uniforme et la longévité des surfaces de béton fondues dépasse celle du béton servant de matériau de base. Le procédé selon l'invention est indépendant de la teneur en humidité du matériau et des conditions climatiques (teneur en vapeur et température du milieu, travail en hiver ou en été, en plein air ou dans des locaux fermés). l'application pratique de l'invention procure un grand avantage économique. La solution convenant à une fabrication en série de grande productivité entraîne pour l'industrie du bâtiment des économies notables avec des investissements relativement faibles car les étapes de formation de parements sont ramenées à un seul processus de travail court pouvant être exécuté automatiquement. Le traitement de la surface des plaques ou panneaux de 12 m2 usuels dans l'industrie du bâtiment peut être obtenu selon l'invention en 15 minutes, ce qui répond dans une large mesure aux exigences de la fabrication en série. En comparant les frais de fonctionnement du procédé selon l'invention à ceux des principaux procédés de formation de parements actuellement appliqués, on peut constater que les parements colorés de ciment gris au calcaire concassé de qualité notablement inférieure entraînent une dépense supérieure d'environ 250% à celle du procédé selon l'invention, l'enduit coloré de matière synthé- tique de désignation commerciale "Dekolit P7200" une dépense supérieure d'environ 400%, l'enduit coloré de matière synthétique de désignation commerciale "Strukturit P7400" une dépense supérieure d'environ 60só et le revêtement de petits panneaux mosaîques laissés, une dépense supérieure d'environ 1200%. Waturellement, outre les parements de plaques ou panneaux de béton à grande surface, mentionnés-comme exenple, le procédé selon l'invention convient aussi à la fusion partielle de la surface d'ausres matériaux, corps et objets solides, pour leur coloration ou pour la formation de dessins. REVENDICATIONS 1. Procédé de fusion partielle de la surface de matériaux non-métalliqueg en particulier d'éléments de construction utilisant un arc électrique intérieur comme source dd chaleur e faisant passer un gaz à travers l'arc électrique à haute vitesse, caractérisé par le fait que l'on assure l'action thermique au moyen du plasma qui, dû à la haute vitesse du gaz, peut être dirigé directement sur la surface comme un jet bien contourné pour qu'elle soit fondue. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par 1 fait que l'on engendre l'arc électrique avec un courant contihu à basse tension. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on dispose la source de plasma à une distance de 2 à 80 mm de la surface à fondre et que l'on règle l'axe du plasma sous un angle de 10 à 900 relativement à la surface à fondre. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à caractérisé par le fait que l'on utilise comme gaz l'argon, l'azote, l'air, un hydrocarbure, l'hydrogène ou un mélange de ceux-ci. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'on colore la surface à fondre ave une matière minérale, en particulier un oxyde métallique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on utilise simultanément plusieurs sources de plasma et que l'on déplace celleaci, selon les dessins ou grains désirés, dans le plan de la surface à fondre et perpendiculairement à celle-ci, qvantageusement selon un programme prédéterminé. 7. Générateur de plasma pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 6, comportant une cathode conique et une anode conique et caractérisé par le fai que l'angle de conicité de la cathode est de 16 à 500 et l'ans de conicité de la sortie de l'anode de 8 à 1000, l'angle (7) de conicité de la cathode (1) étant inférieur à l'angle (6) de conicité de l'anode (12) de telle sorte que la vitesse du courant gazeux s'augmente et qu'un jet de plasma soit obtenu.