Brevet FR2501191A1 — publié le 19820910

ú501 191' L'invention concerne un matériau réfractaire destiné à être mis en contact avec de l'aluminium fondu. La réalisation de pompes électromagnétiques pour aluminium fondu nécessite l'emploi d'un matériau présentant des propriétés physiques, chi- miques et mécaniques particulières. On pourra se reporter par exemple à la demande de brevet français nO 79-14585 déposée le 7 Juin 1979 par la Deman- deresse, qui décrit une pompe électromagnétique pour aluminium fondu. Dans cette demande de brevet la figure 2 montre que la spire 7 et les circuits magnétiques 3 et 5 sont ménagés dans des pièces en matériau réfractaire 11, 12 et 13 qui sont immergées dans un bain d'aluminium fondu. Ces pièces en matériau réfractaire doivent résister à l'oxydation à l'air à haute tempé- rature et à l'action corrosive de l'aluminium et de ses alliages à l'état fondu si l'on utilise la pompe pour de tels alliages; ces pièces en maté- riau réfractaire doivent également supporter les chocs thermiques, en parti- culier au moment o l'on immerge la pompe dans l'aluminium fondu; elles doivent aussi être résistantes à la fatigue thermique puisque, une fois im- mergées, elles doivent supporter une haute température pendant une longue durée. En outre, ces pièces de matériau réfractaire doivent être mises en forme et usinées facilement car leurs formes sont complexes, en particulier parce que l'évidement qui forme la spire 7 doit avoir une forme spéciale. Jusqu'à présent le matériau réfractaire utilisé dans les pompes électromagnétiques pour aluminium fondu par la Demanderesse était un béton réfractaire fibreux tel que le béton décrit dans le brevet français nO 2.203.788 déposé le 24 Octobre 1972 par la Demanderesse. Ce béton fibreux était très résistant aux chocs thermiques ainsi qu'à la corrosion par l'aluminium, mais il présentait un grave inconvénient car il possédait des caractéristiques mécaniques faibles. Il s'ensuivait que, lors du nettoyage de la pompe, c'est-à-dire de la spire 7 si l'on se reporte à la demande de brevet nO 79-14585 citée plus haut, on érodait le béton trop tendre avec les outils métalliques utilisés. Ainsi, ce béton pré- sentait une mauvaise résitance à l'abrasion. La Demanderesse a tenté de remédier à ces inconvénients: le but de la présente invention est d'obtenir un matériau réfractaire qui présen- te non seulement une grande résistance à l'oxydation à l'air à haute tempé- rature, à l'action corrosive de l'aluminium et de ses alliages à l'état fondu, aux chocs et à la fatigue thermique, mais qui comporte aussi la propriété de pouvoir être mis en forme et usiné facilement tout en possé- dant une grande résistance à l'abrasion. Pour parvenir à ce résultat, l'inventeur a eu l'idée d'utiliser un matériau réfractaire constitué d'un agrégat lié par un ciment et dans lequel, selon l'invention, l'agrégat est constitué par du nitrure de sili- cium. De préférence, le nitrure deh silicium entrant dans la composition du matériau réfractaire selon l'invention se trouve dans une proportion com- prise entre 50 % et 90 % du poids total du produit final et dans un mode préféré de réalisation, la proportion du nitrure de silicium est comprise entre 70 7e et 80 % du poids tctal du produit final. De préférence, le nitrure de silicium entrant dans la composition du matériau est un nitrure de silicium fritté par réaction. Dans un mode préféré de réalisation du mairiau selon l'invention, le ciment utilisé pour lier l'agrégat est de lvaluminate de calcium. L'invention concerne aussi le procédé de fabrication d'un matériau réfractaire selon l'invention. Ce procédé est caractérisé en particulier par le fait que le nitrure de silicium et l'aluminate de calcium sont d'abord méï- langés à sec, puis malaxés dans un malaxeur humide avec une teneur en eau de l'ordre de 15 % avant d'être coulés dans des moules. La granulométrie du nitrure de silicium employé peut être multiple: elle est adaptée aux dimensions des pièces à réaliser. Le matériau ainsi obtenu présente des propriétés tout-à-fait excep- tionnelles. Il résiste à l'oxydation à l'air, à l'action corrosive de l'alu- minium et de se; alliages à l'état fondu, aux chocs et à la fatigue thermi- que et possède des propriétés mécaniques nettement supérieures à celles des matériaux développés jusqu'à présent pour les pompes électromagnétiques à métal fondu. En particulier, il peut être mis en forme et usiné facilement tout en pouvant être nettoyé sans être érodé. Un tel matériau peut gre utilisé dans les pompes électromagnéti- ques dont nous avons parlé plus haut, mais il peut être aussi utilisé dans d'autres domaines, par exemple pour la fabrication de moules de fonderie d'aluminium, de toutes pièces de forme en contact avec l'aluminium liquide, de tuyaux, de briques réfractaires, de goulottes de coulée de métaux liqui- des, mais également pour la fabrication de revêtements de fours, de poches, de canalisations de sortie de liquides ou de gaz très chauds particulière- ment réactifs. Son utilisation n'est pas limitée à l'industrie de l'alumi- ú501191 ' nium: ce matériau réfractaire peut également être utilisé en contact avec d'autres métaux. Afin de mieux comprendre l'invention, nous allons décrire ci- dessous un exemple de réalisation de l'invention. On a utilisé un nitrure de silicium fritté par réaction, c'est-à- dire dans lequel le frittage et la réaction de nitruration ont eu lieu si- multanément, présentant les caractéristiques suivantes: Densité: 2,4 g/cm3 Porosité: 22 % Coefficient de dilatation: 3.10'6 K- = 3.106 C' Conductivité thermique: 16 W.m-1 6K-1 à 300 K (soit 16 W.m1 C-1 à 270C) Résistance à la rupture:550 M Nm2 à la compression Module dtYoung: 170 G Nm-2 Ce nitrure de silicium a été mélangé à l'aluminate de calcium dans un mélangeur en Y, à sec. Le mélange obtenu a ensuite été malaxé dans un malaxeur humide avec une teneur en eau de l'ordre de 15 %. Le mortier obtenu a été coulé dans des moules fixés sur table vibrante et lubrifiés. Après prise du matériau, les pièces ont été démoulées, étuvées puis cuites à 800 C. On a alors obtenu un produit présentant les caractéristiques sui- vantes: Densité: 2,1 g/cm3 Résistance à la compression: 50 MN.m2 Module d'Young: 4.104 M Nm'2 Energie de rupture: 150 J/m-2 -1 -1-1 - Coefficient de conductibilité: 3 W m' K-1 = 3 W m' oc t1ermique Coefficient de dilatation: 3,6.106 K' Comme on peut le voir, la résistance à la compression de ce maté- riau est élevée ainsi que son énergie de rupture, alors que son coefficient de dilatation et son module d'Young sont faibles: ce produit est résitant à l'abrasion et aux chocs thermiques. En utilisant le procédé précité, l'inventeur a pu obtenir un maté- riau de composites suivant: Aluminate de calcium:21 % Nitrure de silicium:79 %, avec la granulométrie suivante: 8 - 14 mesh:30 % 14 - 28 mesh:16,2 % - 28 mesh:21,4 % -325 mesh:11,4 %. Ce matériau a donné des résultats très satisfaisants dans les pompes à aluminium liquide utilisées par la Demanderesse. Le matériau dont nous allons donner la composition ci-dessous a également donné des résultats très satisfaisants: Aluminate de calcium 22 % Nitrure de silicium: 78 %, avec la granulométrie suivante: 14 - 28 mesh: 34,5 % 28 - 48 mesh: 28,5 % -325 mesh: 15 % Bien entendu, ces deux compositions ne sont que deux exemples de compositions ayant donné de très bons résultats: ces exemples ne sont pas limitatifs. 2 5 0 119 1 REVENDICATIONS 1.- Matériau réfractaire, destiné en particulier à être mis en contact avec de l'aluminium fondu, constitué d'un agrégat lié par un ciment, caractérisé par le fait que l'agrégat est constitué par du nitrure de sili- cium. 2.- Matériau réfractaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le nitrure de silicium entre dans sa composition dans une proportion comprise entre 50 % et 90 % du poids total du produit final. 3.- Matériau réfractaire selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le nitrure de silicium entre dans sa composition dans une proportion comprise entre 70 % et 80 7 du poids total du produit final. 4.- Matériau réfractaire selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le nitrure de silicium entrant dans sa composi- tion est un nitrure de silicium fritté par réaction. 5.- Matériau réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le ciment entrant dans sa composi- tion est constitué par de l'aluminate de calcium. 6.- Procédé de fabrication d'un matériau réfractaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le nitrure de silicium et l'aluminate de calcium sont d'abord mélangés à sec, puis mala- xés dans un malaxeur humide avec une teneur en eau de l'ordre de 15 % avant d'être coulés dans des moules.