Brevet FR2515546A1 — publié le 19830506

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un article réfractaire composite présentant un passage d'écoulement au travers duquel un courant de métal fondu peut s'écouler et comprenant une première masse de matière réfractaire qui délimite une surface de ce- passage, la dite première masse étant solidarisée à une seconde masse de matière réfractaire, et l'invention comprend des articles réfractaires composites du type cité ci-dessus. Les articles réfractaires composites qui concernent parti- culièrement la présente invention sont utilisés en tant que parties et accessoires de dispositifs utilisés en métallurgie et plus particulière- ment en fonderie De tels articles comprennent des pièces utilisées pour guider ou contrôler l'écoulement de courants de métal fondu telles que des plaques d'obturation et des ajutages collecteurs de dispositifs d'obtu- ration coulissants. On rencontre en fonderie le problème de l'érosion de ma- tière réfractaire par un courant de métal fondu qui s'écoule au travers d'une pièce de cette matière Il est connu par exemple d'utiliser une plaque d'obturation d'un dispositif d'obturation coulissant à base de magnésie pour contr 8 ler l'écoulement de métal fondu d'un four à pot, et en général la plaque d'obturation doit être remplacée à chaque remplis- sage du four à pot parce que l'écoulement d'acier au travers du passage d'écoulement de la plaque d'obturation tend à élargir ce passage-et à le rendre irrégulier Après usage, de telles plaques d'obturation sont rejetées Il est également connu de fabriquer de telles pièces réfrac- taires vulnérables en une matière de qualité plus élevée, telle que l'alumine, mais ceci est coûlteux Il est également connu de sceller des garnitures de matière réfractaire de haute qualité, par exemple de zircone, dans des masses de matière réfractaire à leurs endroits les plus vulnérables Ceci convient en pratique puisque la garniture et le reste de la masse réfractaire doivent 'tre soigneusement adaptés en forme et en dimension. De plus, il est connu par la demande de brevet britannique de Flogate Limited N O 2 065 278 de former un article réfractaire ayant une partie de surface qui, à l'emploi, est en contact avec un courant de métal fondu, comprenant une masse composite intégrée ayant une première pièce réfractaire formant la dite portion superficielle, une feuille mé- tallique en forme de cuvette entourant la première pièce réfractaire, et une seconde pièce réfractaire d'appui supportant la première pièce entourée de la feuille métallique, la première pièce réfractaire étant constituée d'une matière réfractaire plus résistante que la seconde pièce pièce réfractaire Cette demande de brevet de Flogate enseigne également un procédé de fabrication d'un tel article réfractaire comprenant les étapes (i) de formation d'un premier espace de moulage à partir d'une feuille métallique en forme de cuvette et d'une pièce complémentaire permanente de moulage dont la forme est complémentaire de la dite partie de surface; (ii) de remplissage du dit premier espace de moulage au moyen d'un mortier réfractaire moulable et de prise au moins partielle du ciment; (iii) d'assemblage de la feuille et du moulage à l'intérieur en un second espace de moulage formé de pièces de moulage complémen- taires; (iv) de remplissage du second espace de moulage au moyen d'un second mortier réfractaire qui est de moindre qualité que le premier mortier; et (v) de prise du second mortier et, dans la limite o il n'est pas encore entièrement pris, également du premier mortier. Un des objets de la présente invention est de procurer des variantes nouvelles et utiles de procédés de fabrication d'articles composites qui présentent certains avantages sur ce qui est connu à ce jour ainsi qu'on le mentionnera dans la présente description. La présente invention procure un procédé de fabrication d'un article réfractaire composite présentant un passage d'écoulement au travers duquel un courant de métal fondu peut s'écouler et comprenant une première masse de matière réfractaire qui délimite une surface de ce passage, la dite première masse étant solidarisée à une seconde masse de matière réfractaire, caractérisé en ce que dans un orifice de la dite seconde masse, de plus grande section que le dit passage, on forme la dite première masse de matière réfractaire délimitant la surface du dit passage d'écoulement et on assure sa cohésion de son adhésion à la dite seconde masse par fusion ou fusion partielle in situ. Un procédé selon la présente invention présente les avan- tages d'être applicable aussi bien à la fabrication de nouveaux articles réfractaires qu'au reconditionnement ou à la réparation d'articles ré- fractaires usagés Un procédé selon la présente-invention est également spécialement simple à sa mise en application puisqu'une surface de la première masse réfractaire formée au cours de la mise en oeuvre d'un tel procédé se conformera à la seconde masse réfractaire sans aucune opération spéciale de conformation. A, L'expression "fusion ou fusion partielle de matière réfractaire" telle qu'on l'utilise ici décrit une opération au cours de laquelle cette matière passe totalement par une phase liquide ou dans laquelle des particules de matière réfractaire sont substantielle- ment toutes fondues au moins en surface de manière que, lors du refroidissement, elles forment une masse cohérente, Une telle liaison par fusion doit être distinguée d'un simple frittage dans lequel une poudre compacte est chauffée à une température inférieure à la température nécessaire pour produire une phase liquide mais suffisamment élevée pour JO que se produise une réaction en phase solide ou une intercristallisation; elle doit également être distinguée d'autres techniques de solidarisation dans lesquelles des particules réfractaires sont solidarisées à l'état non fondu dans une matrice de liaison, une telle matrice passant elle-même par une fusion ou non Dans les formes les plus importantes de réalisation de l'invention, la dite première masse réfractaire-est com- posée de matière réfractaire fondue ou partiellement fondue La struc- ture interne d'une dite première masse réfractaire qui est fondue ou partiellement fondue selon cette caractéristique préférée de la présente invention est différente de celle d'une masse frittée ou d'une masse formée par des particules réfractaires non fondues dans une matrice de liaison et présente des avantages particulièrement importants aux fins poursuivies puisque cette structure est très cohérente et résistante à l'érosion par du métal fondu. Il est'spécialement préféré que la dite première masse réfractaire soit constituée d'une matière de qualité relativement élevee et que la dite seconde masse soit constituée d'une matière de qualité moins élevée Les termes réfractaire de qualité plus élevée et moins élevée tels qu'on les utilise ici décrivent des degrés relatifs de ré- sistance à l'érosion à haute température En général, le prix d'une masse réfractaire augmente avec l'accroissement de sa résistance à l'é- rosion à haute température Dis lors, l'adoption de cette caractéristique présente l'avantage important d'être efficace en ce qui concerne son prix, puisque la première masse réfractaire de qualité élevée, relative- ment chère, peut former les régions de l'article réfractaire composite qui sont les plus exposées à l'érosion, tandis qu'elle est supportée par une seconde masse réfractaire de moindre qualité et moins chère. De préférence, la dite première masse réfractaire est formée par une technique de pulvérisation Une telle pulvérisation peut etre une pulvérisation par plasma, mais une telle masse est avantageu- sement formée par pulvérisation à la flamme d'un mélange d'une matière oxydable de manière exothermique et d'autres matières de façon à former une masse réfractaire cohérente Ceci constitue une manière très simple et appropriée de formation in situ d'une masse réfractaire sur une autre masse réfractaire et peut par exemple être mise en oeuvre au moyen d'un procédé et d'un dispositif tels que décrits dans les brevets bri- tanniques de Glaverbel N O 1 330 894 et 1 330 895. La dite matière oxydable est avantageusement pulvérisée sour forme de particules ayant une dimension moyenne inférieure à ,=m et de préférence inférieure à 10,um En variante ou en complément, la dite matière oxydable peut avantageusement être pulvérisée sous forme de particules ayant une surface spécifique de 500 cm 2/gramme au moins et de préférence de 3 000 cm 2/gramme au moins Cette caractéristique favorise la combustion rapide et sûre de la matière oxydable. La dite autre matière est avantageusement pulvérisée sous forme de particules ayant une dimension moyenne inférieure à 500,um. La dite matière oxydable consiste avantageusement au moins partiellement en un métal ou un métalloïde choisi de préférence dans le groupe: aluminium, magnésium, silicium, zirconium et des mélanges de deux ou plusieurs de ces matières D'autres matières oxydables que l'on peut utiliser comprennent le calcium, le manganèse et le fer. Avantageusement, la dite matière combustible constitue moins de 35 x en poids du mélange pulvérisé La proportion de matière combustible requise dépend évidemment, entre autres, de la quantité de chaleur qui doit ître dégagée par la combustion, et la proportion utilisée doit 'être suffisante à cette fin Cependant, un autre facteur que l'on doit tenir à l'esprit est la quantité de substance combustible non brûlée (s'il y en a) restant dans la masse réfractaire formée Spéciale- ment lorsqu'on utilise un métal comme combustible, il est souhaitable que tout le métal soit brûlé puisque en général l'oxyde a de meilleures propriétés réfractaires que le métal L'emploi d'un excès de métal aug- mente indûment les prix et peut entraîner une moindre qualité de produit. L'autre dite matière comprend un ou plusieurs composé(s) choisi(s) parmi zircone, zircon, silice, alumine, chrome-magnésie, magnésie, ces matières étant de haute qualité. On notera que le choix de matières pour former la première masse réfractaire affectera la qualité de la liaison entre cette masse et la seconde masse réfractaire en fonction de la matière constituant cette seconde masse Il est également souhaitable de choisir les pre- mière et seconde matières réfractaires de manière que leurs coefficients de dilatation thermique soient similaires. Un procédé selon l'invention est particulièrement précieux dans la fabrication d'articles réfractaires composites dans lesquels la première masse réfractaire est formée dans une plaque d'obturation d'un dispositif d'obturation coulissant Une telle plaque peut être une plaque coulissante ou une plaque contre laquelle coulisse la plaque coulissante. Dans certaines formes préférées de réalisation de l'in- vention, une telle plaque d'obturation est pourvue d'un ajutage collec- teur intégré recouvert, au moins partiellement par la dite première masse réfractaire. On a trouvé de pratique particulièrement appropriée de former la première masse réfractaire et de la forer ensuite pour former le passage d'écoulement. Ainsi qu'on l'a cité ci-avant, l'invention ne s'applique pas seulement à la fabrication de nouveaux articles réfractaires, mais aussi à la réfection ou à la réparation d'articles réfractaires usages, et certaines formes de réalisation de l'invention présentent la carac- téristique facultative préférée que la dite première masse réfractaire soit formée dans un orifice réalisé par enlèvement de matière autour d'un passage d'écoulement d'un article réfractaire usagé. L'invention comprend un article réfractaire composite fa- briqué par un procédé tel que décrit ci-dessus. L'invention comprend également un article réfractaire composite présentant un passage d'écoulement au travers duquel un courant de métal fondu peut s'écouler et comprenant une première masse de matière réfractaire qui délimite une surface de ce passage, la dite première masse étant solidarisée à une seconde masse de matière réfractaire, ca- ractérisé en ce que la dite première masse est formée dans un orifice de la dite seconde masse de plus grande section que le dit passage, et en ce que la dite première masse est unie et adhère à la seconde masse par fusion ou fusion partielle in situ. La dite première masse réfractaire est de préférence com- posée de matière réfractaire fondre ou partiellement fondue. Dans des formes préférées de réalisation de l'invention le dit premier article réfractaire est constitué d'une masse réfractaire de haute qualité et la dite seconde masse est une masse réfractaire de moindre qualité. La dite première masse réfractaire comprend de préférence un ou plusieurs composé(s) choisi(s) parmi zircone, zircon, silice, alumine, chrome-magnésie, magnésie. De préférence, les matières des dites première et seconde masses réfractaires s'interpénètrent à leurs couches limites Avantageu- sement, la dite première masse réfractaire entoure un passage d'écoulement d'une plaque d'obturation d'un dispositif d'obturation coulissant et dans certaines formes préférées de réalisation de l'invention, la dite plaque d'obturation comporte un ajutage collecteur intégré au moins par- tiellement recouvert par la dite première masse réfractaire. Des formes préférées de réalisation de l'invention seront maintenant décrites avec plus de détails en se référant aux dessins sché- matiques annexés dans lesquels: La figure 1 est une section transversale d'un dispositif d'obturation coulissant disposé au fond d'un four à pot; La figure 2 représente deux étapes de la réparation d'une plaque coulissante d'un dispositif d'obturation usagé; et La figure 3 représente une autre étape de la fabrication d'une plaque coulissante d'un dispositif d'obturation selon l'invention. Dans la figure 1, la sole 1 d'un four à pot présente un orifice 2 pour décharger du métal fondu contenu dans le four L'orifice 2 est obturable au moyen d'un dispositif d'obturation coulissant compre- nant une plaque coulissante 3 et une seconde plaque (la plaque d'ajutage) 4 qui comporte un ajutage collecteur intégré 5 La plaque coulissante 3 est un article réfractaire composite consistant en une première masse réfractaire en forme de bouchon creux 6 définissant un passage d'écoule- ment 7 et supporté par une seconde masse réfractaire 8 qui constitue la masse de la plaque coulissante La plaque d'ajutage 4 est également un article réfractaire composite et consiste en une première masse réfrac- taire 9 sous forme d'un doublage du passage d'écoulement 10 au travers d'une seconde masse réfractaire Il constituant la plaque d'ajutage 4 et l'ajutage collecteur intégré qu'elle comporte. Le bouchon creux 6 ou le doublage 9 est constitué d'une matière réfractaire de qualité relativement élevée et est formée in situ dans un orifice dans la seconde masse réfractaire 8 ou 1 I de sa plaque d'obturation respective 3 ou 4 de manière à s'unir et adhérer à la seconde masse réfractaire 8 par fusion ou fusion partielle Une telle seconde masse réfractaire est constituée d'une matière réfractaire de moindre qualité Une telle formation in situ tend à provoquer l'inter- pénétration des matières réfractaires à la limite entre les masses réfractaires respectives 6 et 8 ou 9 et 11. En complément, le bouchon creux 6 ou le doublage 9 peut être constitué de matière réfractaire qui est fondue ou partiellement fondue et solidarisée à sa seconde masse réfractaire respective 8 ou 11. La figure 2 représente une étape de la réparation d'une plaque coulissante usagée d'un dispositif d'obturation coulissant La plaque coulissante 12 était à l'origine constituée d'une masse réfrac- taire unique ayant un passage d'écoulement 13 indiqué en trait interrom- pu A l'emploi le passage d'écoulement s'élargit par érosion ainsi que l'indique le côté droit de la figure 2, cette érosion étant particuliè- rement forte aux extrémités du passage d'écoulement 13 Afin de réparer cette plaque coulissante 12, de la matière réfractaire supplémentaire est enlevée du pourtour du passage d'écoulement 13 de façon à laisser un orifice élargi 14 dont le profil est indiqué en trait plein sur la partie gauche de la figure et en trait interrompu à droite On notera que le profil de l'orifice élargi 14 est étagé de manière à former un épaulement 15 pour fournir un support mécanique supplémentaire a un bouchon réfractaire que l'orifice élargi doit contenir En variante de formation d'un tel support, le profil de l'orifice 14 peut être conique. On peut évidemment donner un profil partiellement conique, facultative- ment étagé, si on le désire. Après formation de l'orifice 14, ce dernier est rempli par un bouchon 16 (figure 3) de matière réfractaire de manière que la plaque coulissante soit constituée d'une première et d'une seconde masses réfractaires 16, 17 En fait, dans la pratique habituelle, le bouchon 16, lorsqu'il est formé le premier, peut dépasser la surface supérieure de la seconde masse réfractaire 17 Dans un tel cas un usinage sera néces- saire pour procurer à la plaque coulissante 12, une surface supérieure plate Après sa formation, le bouchon 16 est foré pour former un passage d'écoulement tel que le passage d'écoulement 7 dans la plaque coulissante 3 de la figure 1 Afin de donner au bouchon 16 une surface inférieure plate, une plaque de moulage 18 de matière réfractaire telle que de la silice ou un métal approprié est placée contre la face inférieure de la plaque coulissante 12 avant la formation du bouchon. Il convient particulièrement de former le bouchon 16 au moyen d'un dispositif tel que décrit dans le brevet britannique de Glaverbel N O 1 330 895, c'est-à-dire un dispositif pour la pulvérisation à la flamme d'un mélange de fines particules comprenant des particules combustibles (par exemple de métal ou de métalloïde) et de particules d'autres matières telles que des particules d'oxyde réfractaire pour former une masse réfractaire cohérente. On notera évidemment que le bouchon 16 de la figure 3 peut également être formé dans une masse encore non utilisée de matière réfrac- taire, et qu'une plaque à ajutage telle que la plaque 4 de la figure 1 peut également fabriquée ou réparée de façon similaire. Exemple 1 Afin de former un bouchon dans une masse de matière réfrac- taire basique constituée principalement de magnésie, on prépare un mélange de particules et on le projette dans un trou formé dans la matière réfrac- taire du type basique au moyen du dispositif décrit dans le brevet bri- tannique 1 330 895. La masse réfractaire est préchauffée à 500 %C. Le mélange de particules est projeté à-raison de 20 kg/heure dans un courant d'oxygène débité à raison de 13 000 1/heure et a la com- position suivante en poids: Zr O 2 45 Z, Si O 2 28 %, AI 203 15 %, Si 12 %. Les particules de silicium ont une dimension moyenne de grain maximum de 10,u M, et une surface spécifique de 5 000 cm 2/gramme, et les autres particules ont une dimension maximum moyenne de grain de 500 >im La chaleur de combustion du silicium est suffisante pour fondre au moins la surface des autres particules de manière à former par fusion un bouchon cohérent de matière réfractaire directement solidarisé à la masse réfrac- taire de type magnésien. Exemple 2 En variante de l'exemple 1, les particules d'oxydes du mélange projeté sont remplacées par Zr O 2 ( 50 Z en poids du mélange) et Ai 203 ( 38 %). Exemple 3 Afin de former un bouchon dans un bloc réfractaire basique constitué essentiellement de magnésie, un mélange de départ de particules finement divisées consistant en 40 % Mg O, 40 7 Zr O et 20 7 de silicium est projeté à raison de 0,7 kg/min dans un courant d'oxygène débité à raison de 240 1/min. Le bloc est préchauffé à une température de 500 'C environ. A nouveau on obtient par fusion une masse cohérente de matière réfractaire. En variante de cet exemple, de petites quantités de Si O 2 sont présentes dans le mélange de départ. Exemple 4 Afin de former un bouchon dans un bloc réfractaire basique constitué essentiellement de magnésie, un mélange de départ de particules finement divisées constitué (en poids) de 60 % de chrome-magnésie, % de Zr O 2 et 20 % de matière combustible est projeté à raison de 0,7 kg/min dans un courant d'oxygène débité à raison de 240 1/min La matière combustible utilisée est du silicium, et le bloc est préchauffé à une température de 500 QC avant pulvérisation. Exemple 5 Un bloc réfractaire basique est colmaté par projection, à raison de 0,7 kg/min dans un courant d'oxygène débité à raison de 220 l/min, d'un mélange de particules finement divisées constitué de (en poids) 15 % A 1203, 12 % Si O 2, 60 % Zr Si O 4 et 13 % de matière combus- tible. Le bloc est préchauffé à 5000 C. 2541 2515546 REVEND IC AT IONS 1 Procédé de fabrication d'un article réfractaire composite présentant un passage d'écoulement au travers duquel un courant de métal fondu peut s'écouler et comprenant une première masse de matière réfractaire qui délimite une surface de ce passage, la dite première masse étant solidarisée à une seconde masse de ma- tière réfractaire, caractérisé en ce que dans un orifice de la dite seconde masse, de plus grande section que le dit passage, on forme la dite première masse de matière réfractaire délimitant la surface du dit passage d'écoulement et on assure sa cohésion et son adhésion à la dite seconde masse par fusion ou fusion partielle in situ. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite première masse réfractaire est composée de matière réfractaire fondue ou partiellement fondue. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, ca- ractérisé en ce que la dite première masse réfractaire est constituée d'une matière de qualité relativement plus élevée que celle constituant la dite seconde masse. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que la dite première masse réfractaire est formée par une technique de pulvérisation, de préférence par pulvérisation à la flamme d'un mélange d'une matière oxydable de manière exothermique et d'autres matières de façon à former une masse réfractaire cohé- rente. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dite matière oxydable est pulvérisée sous forme de particules ayant une dimension moyenne inférieure à 50 >um et de préférence inférieure à 10 >um. 6 Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, ca- ractérisé en ce que la matière oxydable est pulvérisée sous forme de particules ayant une surface spécifique de 500 cm 2/gramme au moins et de préférence de 3 000 cm 2/gramme au moins. 7 Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, ca- ractérisé en ce que l'autre matière est pulvérisée sous forme de particules ayant une dimension moyenne inférieure à 500 "um. 8 Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, ca- /44 2515546 ractérisé en ce que la dite matière oxydable constitue moins de 35 % en poids du mélange pulvérisé. 9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, ca- ractérisé en ce que la dite première masse réfractaire est formée dans une plaque d'obturation d'un dispositif d'obturation coulissant. Procédé selon l'une des revendications I à 9, ca- ractérisé en ce que la dite première masse réfractaire est formée et est ensuite forée pour former le dit passage d'écoulement. 11 Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, ca- ractérisé en ce que la dite première masse réfractaire est formée dans un orifice réalisé par enlèvement de matière autour d'un passage d'écoulement d'un article réfractaire usagé. 12 Article réfractaire composite fabriqué par un pro- cédé selon l'une des revendications 1 à 11. 13 Article réfractaire composite présentant un passage d'écoulement ( 7, 10, 13) au travers duquel un courant de métal fondu peut s'écouler et comprenant une première masse de matière réfrac- taire ( 6, 9, 16) qui délimite une surface de ce passage, la dite pre- mière masse étant solidarisée à une seconde masse de matière ré- fractaire ( 8, 11, 17), caractérisé en ce que la dite première masse est formée dans un orifice ( 14) de la dite seconde masse de plus grande section que le dit passage ( 7, 10, 13), et en que la dite première masse est unie et adhère à la seconde masse par fusion ou fusion partielle in situ. 14 Article selon la revendication 13, caractérisé en ce que la dite première masse réfractaire est composée de matière réfractaire fondue ou partiellement fondue. Article selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la dite première masse réfractaire a une qualité relativement supérieure à celle de la dite seconde masse. 16 Article selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que la dite première masse réfractaire entoure un passage d'écoulement dl une plaque d'obturation ( 3, 12) d'un dispositif d'obturation coulissant. 17 Article selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que les matières des dites masses réfractaires s'interpénètrent à leurs couches limites