Brevet FR2513242A1 — publié le 19830325

L'invention concerne une matière réfractaire coulable convenant au garnissage des récipients dénom- més poches, servant au transport, ou de récipients de réaction, pour les métaux fondus à haute température, comme le fer et l'acier fondus. On constate, dans les dernières années, une tendance toujours plus grande à utiliser comme matières réfractaires pour le garnissage des poches, des matiè- res réfractaires coulables, formées par addition de 6 3 8 % d'eau, ainsi que d'autres substances telles que des liants, des agents de défloculation, de floculation, de durcissement et d'accélération de dessication, à des matières réfractaires amorphes; après mélange, on place ces réfractaires par coulée et un grand nombre de matières réfractaires coulables ont été développées et utilisées. L'installation des garnissages par coulée avec de telles matières réfractaires coulables présente l'avantage d'une économie de main d'oeuvre comparati- vement à une installation mécanisée, ainsi qu'une amélioration de l'environnement de l'opération, et qu'une simplification d'un retorchage partiel de répa- ration, etc. On utilise généralement pour les matières réfractaires coulables pour le garnissage des poches, comme principales matières premières, des réfractaires du type de la silice, de la silice-zircon, du zircon, etc, qu'on peut grossièrement diviser en matières réfractaires coulables à prise hydraulique, pour les- quelles on utilise un ciment alumineux comme liant, et en matières réfractaires coulables liées par l'ar- gile, pour lesquelles on utilise une argile réfrac- taire pulvérisée, comme l'argile dite de "Kibusi", ou le kaolin, comme liant. Les matières réfractaires coulables à prise 13242 -2- hydraulique contiennent généralement 10 % en poids, ou plus, du liant de ciment alumineux et elles sont de ce fait, désavantageuses à l'emploi, parce que leurs pro- priétés à chaud, aux températures élevées de plus de 1200 'C, se détériorent, et que leur résistance est considérablement affaiblie par la déshydratation aux températures intermédiaires entre 800 et 1000 'C, de plus, et particulièrement dans le cas des matières réfractaires coulables contenant de la silice (Si O 2) comme principal constituant, dont la prise hydraulique est obtenue par addition de ciment alumineux, toute quantité excessive de A 1203 abaisse considérablement la température de-fusion; ce type de matières réfrac- taires coulables ne convient donc pas à l'emploi pour le garnissage réfractaire des poches. Dans le cas des matières réfractaires coulables liées par l'argile, les A 1203 et Ca O dûs à l'agent de floculation, par exemple l'aluminate ou l'hydroxyde de calcium, et les principales matières premières, comme les matières siliceuses et le zircon, sont cause de la formation de substances à point de fusion diminué dans les matières réfractaires coulables à base de silice; il en résulte une détérioration des caractéristiques de perte par fusion des garnissages obtenus avec ces matières réfractaires siliceuses et, de plus, une aug- mentation du frittage de leur surface chauffée; en conséquence, si ladite surface est soumise à un cycle thermique répétitif de chauffage et de refroidissement, il se produit fréquemment un écaillage de la surface réfractaire, accompagnée d'une diminution de la vie utile de la poche. La présente invention a pour objet une matière réfractaire coulable améliorée, permettant d'éviter les inconvénients décrits ci-dessus, relatifs aux matières réfractaires siliceuses coulables pour garnissage de -3- poches; la matière réfractaire de l'invention présente une excellente résistance à la corrosion par les sco- ries fondues et l'acier fondu dans la poche ainsi qu'une excellente résistance à l'écaillage thermique, dû aux cycles thermiques répétitifs de chauffage et de refroi- dissement. Selon un mode de réalisation de l'invention, on forme la matière réfractaire coulable pour garnis- sage de poches, par addition d'un ciment alumineux à un aggrégat réfractaire consistant en une matière première siliceuse et en zircon, et dont la teneur en alumine (A 1203) est de l'ordre de 1,0 % à 5,0 % en poids par rapport au poids total de la matière réfrac- taire La matière première siliceuse utilisée selon l'invention comprend une ou plusieurs des substances sable siliceux, silice, agalmatolite, et silice amorphe, les dimensions des particules de l'aggrégat étant inférieures à 0,6 mm Bien que le zircon (Zr Si O 4) consiste principalement en une poudre fine de moins de 0,3 mm, on peut aussi utiliser des substances riches en zircon de dimensions de particule inférieures à 6 mm Le ciment alumineux convenant à l'invention peut être l'un quelconque des produits du commerce comme, par exemple les ciments vendus sous les dénominations commerciales: ALCOA CA-25 (par la Société dite Aluminium Company of America), DENKA HIGH ALUMINA CEMENT SUPER (par la Société dite Denti Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha), SECAR-250 (par la Société dite Lafarge Fondu International), ou encore le ciment alumineux de-pre- mière ou seconde catégorie répondant à la norme japonaise JIS R 2511. Selon l'invention, la proportion de ciment alumineux doit de préférence être comprise dans l'in- tervalle de 0,5 à 2,0 % en poids par rapport à l'agré- gat réfractaire Ceci a pour effet de diminuer la -4- teneur en alumine de la matière réfractaire coulable totale, comme décrit ci-après, une proportion du ciment alumineux inférieure à 0,5 % augmente la durée de la prise après la mise en place de la matière réfractaire coulable, avec une gêne apportée à la mise en service de la poche Si la proportion du ciment alumineux est supérieure à 2,0 % en poids, il en résulte une augmen- tation des quantités de Ca O et de Al 203 ayant pour conséquence l'effet indésirable d'une tendance à dimi- nuer du point de fusion de la matière réfractaire, et d'un "surfrittage" dans la zone des hautes températures. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non limitatifs de modes de réalisation préférés selon l'invention et à l'examen du dessin annexé Sur ce dessin: La Figure 1 est un diagramme montrant la relation entre la teneur en alumine (représentée en abcisse) et le caractère réfractaire des matières coulables de l'invention, dont les valeurs numériques, données en ordonnée, sont exprimées en termes de tem- pératures. Selon un trait important de l'invention, on prépare les matières réfractaires coulables, principa- lement constituées de silice, de manière telle que la teneur en alumine (A 1203) de la quantité totale des matié- res premières brutes, à savoir l'aggrégat siliceux, le zircon et l'argile cuite ainsi que le ciment alumineux, est comprise dans l'intervalle de 1,0 à 5,0 % en poids. La Figure 1 montre l'effet qu'exerce la teneur en alumine de la matière réfractaire coulable, de silice-zircon, sur le caractère réfractaire On mesure le caractère réfractaire avec des cônes d'essai, formés et fixés sur une base réfractaire conformément à la méthode de la norme japonaise JIS R 2204, on chauffe les cônes dans un four à la vitesse d'environ 100 C/mn 13242 -5- aux températures supérieures à 10000 C, et on mesure les températures auxquelles les pointes des cônes ramolissent, ou fondent et basculent jusqu'à toucher la base (désignées comme températures de renversement à l'état fondu). On voit d'après la Figure 1 que la tempéra- ture de renversement à l'état fondu de la matière ré- fractaire coulable, diminue considérablement avec une augmentation de la teneur en A 1203 Les pertes par fusion d'une poche, au cours de son usage, augmentent à mesure que la température de renversement à l'état fondu décroît et, de plus, le rétrécissement par frit- tage est cause de phénomènes de fissures et d'écaillage du garnissage réfractaire. En ce qui concerne la teneur en alumine, il convient de prendre en considération la teneur minimale nécessaire en ciment alumineux et les teneurs en A 1203 des aggrégats réfractaires, etc dans la composition; on détermine ainsi que la limite inférieure doit être de 1,0 % en poids, et la limrite supérieure de 5,0 % en poids, étant donné que la tempéra bure de renversement à l'état fondu nécessitée par le garnissage réfractaire de la poche, ne peut être assurée avec des teneurs supé- rieures à 5,0 % en poids. Des additions enfhibles quantités de phosphate de sodium ou d'aluminate de sodium comme agent de défloculation, afin d'augmenter le fluage pendant la mise en place, d'hydroxyde de calcium comme accéléra- teur de prise du ciment alumineux et d'aluminium métal- lique comme accélérateur de dessication, sont avanta- geuses pour améliorer l'efficacité de la mise en place et faciliter la prise et la dessication des matières réfractaires coulables de l'invention. Dans les exemples qui suivent, les Tableaux la et lb représentent les proportions des composants, ? 3242 -6- les compositions chimiques, les propriétés physiques et les résultats pratiques obtenus à l'emploi dans les poches, pour les matières de l'invention ainsi que pour des matières réfractaires coulables, convention- nelles, à liant d'argile cuite Le Tableau 2 indique les analyses chimiques des matières premières utilisées pour les matières réfractaires des Tableaux la et lb. 13242 7 - Tableau la Exemples de l'invention xemple 1 Exemple 2 Exemple 3 Silice, dimensions de particules inférieures à'6 mm galmatolite, moins de 19 6 mm Zircon, moins de 70 70 70 3 mm ilice, farine (fines 2 articules) rgile réfractaire 2 6 4 Ciment riche en 1 alumine Ciment alumineux JIS R 2511 lère 1,5 catégorie Phosphate de sodium 0,1 0,1 O 1 Ca(OH)2 0,02 0,02 Borax 0,03 Température de renverse 1780 1760 1750 ment à l'état fondu (OC) A 1203 1,6 2,9 3,8 Compositions Si C 2 50,2 48,9 46,9 chimiquess _ (poids %) Zr O 2 46,6 46, 6 46,6 a O 0,3 0,6 0,4 M a> $ 4 ffi na 4-' r 4 Résistance à l'écra- sement (kg/cm 2) 300 460 400 O Porosité apparente (%) 21,6 16,5 20,2 l Densité apparente en vrac 2,76 2,89 2,84 Teneur en eau à la mise en place (%)5,5 6,3 6,7 Résultats d'emploi réel Fissures Fissures issures e dans une poche de métal et écail et écail écaillage fondu d'une capacité de lage faibles lage mo odérés 250 t dérés Durée de Durée de urée de ie moyen vie moyen-vie moyen- e en ser ne en ser-ne en ser- ice = 100 vice = 65 vice = 62 charges charges charges -9- Tableau lb Matières réfractaires convention- nelles, coulables, à liant d'argile réfractaire Exemple Exemple Exemple Comparatif Comparatif Comparatif 1 2 3 galmatolite, parti- c ules de moins de 23 24,5 19 6 mm J _ 6 oN o i N S de Zircon, moins de 70 70 70 j 03,3 mm Argile refractaire 6 4 10 iment riche en a lumine 1 1 C iment alumineux JIS R 2511 lère 1,5 g atégorie Phosphate de sodium 0,I 1 0,1 0,1 Ca(OH)2 0,03 0,01 0,03 Température de renver sement a l'état fondu 1710 1680 1570 ( C) A 1203 5,5 5,5 6,3 Compositions Si O 2 chimiques SO _ _ 45,7 45,6 44,5 chimiques 2 (poids %) Zr O 46,6 46,6 46,6 Ca O 0,4 0,6 0,4 Ca O 04,6 0,4 - Tableau lb (suite) Matières réfractaires convention nelles, coulables, à liant d'argile réfractaire Exemple Exemple Exemple Comparatif Comparatif Comparatif 1 2 3 Variations linéaires (%)+ 0,63 + 0,31 -0,13 linéaires (% Module de rup 130 140 170 j 130 140 170 ture (kg/cm 2) > Résistance à e -u l'écrasement 550 580 650 44 o X Do (kg/cm 2) a o Porosité appa 12,4 10,9 8,8 -14 12,4 10,9 8,8 -' Densité appa- m D e S t p a 2,89 2,90 2,92 rente en vrac 2,89 2,90 2,92 Teneur en eau à la 6,7 6,7 7,0 mise en place (%) Résultats d'emploi Fissures et réel dans une poche écaillage Idem Idem de métal fondu nombreux d'une capacité de 250 t Durée de Durée de vi E Durée de vie moyenne vie moyenne vie moyenne en service= en service = en service 47 charges 45 charges 35 charges 11 - Tableau 2 i 02 Fe 203 A 1203 Ca O Zr O 2 Silice 99,5 0,2 0,1 Trace Agalmatolite 84, 9 0,3 12,1 0,1 Zircon 32,6 0,1 0,4 Trace 66,3 Farine de silice 89,2 0,5 0, 7 0,5 Argile réfractaire 1 44,5 0,8 38,5 Trace Argile réfractaire 2 55,2 1,4 29,8 0,3 Argile réfractaire 3 55,7 2,3 29,0 0,6 Crilen réfrctaie 3 e 57 n, 9,, Ciment riche en 0,3 0,4 73,4 25,5 alumine Ciment alumineux JIS R 2511 lère 3,5 1,2 53,9 38,8 catégorie Dans l'exemple 1, la matière réfractaire coula- ble de silice-zircon contient 70 % en poids de zircon, la teneur en ciment alumineux est de 1,0 % en poids et la teneur en A 1203 de la matière réfractaire totale est de 1,6 % en poids, ce qui représente moins du 1/3 de celle des matières réfractaires coulables, conventiennelles, à liant d'argile réfractaire En conséquence, sa température de renversement à l'état fondu est d'un niveau élevé, de 1780 C, et elle est à peine frittable, comparativement aux matières réfractaires coulables conventionnelles, comme le montrent ses propriétés physiques après chauffage Les résultats de l'emploi réel dans la poche de 250 t d'acier fondu montrent qu'il ne se produit pratiquement aucune fissure ni écaillage, avec une durée de vie de 100 char- ges, presque le double de celle des matières convention- nelles. 12 - Dans l'exemple 2, la matière réfractaire coula- ble de silice-zircon contient 70 % en poids de zircon, et ses teneurs en argile réfractaire et ciment alumineux sont, respectivement, 3 fois et 1, 5 fois celles de l'exemple 1, ce qui élève la teneur globale en Al 203 à 2,9 % en poids En conséquence, bien que la tempéra- ture de renversement à l'état fondu soit inférieure de 'C et que le taux de frittage soit légèrement plus élevé, comme il ressort des propriétés physiques, l'emploi réel dans la poche de métal fondu fait apparaître une excellente résistance à la corrosion et un excellent nombre moyen de charges de 65. Dans l'exemple 3, la matière réfractaire coula- ble d'agalmatolite-zircon contient 70 % en poids de zircon, et la teneur globale en A 1203 est augmentée jusqu'à 3,8 % en raison de l'addition d'A 1203 provenant de l'aggrégat d'agalmatolite et de l'addition de 1,0 % en poids de ciment alumineux Cependant, les résultats de l'emploi dans la poche de 250 t de métal fondu, font apparaître une excellente résistance à la corrosion et d'excellentes propriétés de fissurage et d'écaillage, comparativement à celles des matières réfractaires cou- lables conventionnelles, d'agalmatolite-zircon, à liant d'argile réfractaire Bien qu'il apparaisse un fissurage et un écaillage dans certaines portions, et que le nom- bre de charges de 62 soit inférieur à celui de l'exemple l, la matière réfractaire coulable de l'exemple 3 con- vient à l'emploi dans les applications pratiques. Il apparaît de la description qui précède, qu'étant donné les effets constatés de la température de renversement à l'état fondu d'une matière réfractaire coulable, essentiellement constituée de silice, sur sa résistance à la corrosion et sur ses propriétés de fis- surage et d'écaillage, et donc sur sa durée de vie dans une poche, et d'après la corrélation existant entre la température de renversement à l'état fondu et 13 - la teneur en A 1203, la teneur totale en alumine de la matière réfractaire doit être limitée à l'intervalle de 1,0 à 5,0 % en poids; on obtient de la sorte une matière réfractaire coulable pour le garnissage des poches, d'une longue durée de vie jamais atteinte jusqu'à présent, d'en- viron le double de celle des matières réfractaires cou- lables conventionnelles à liant d'argile réfractaire. Bien entendu, l'invention n'est nullement limi- tée aux exemples décrits Elle est susceptible de nom- breuses variantes, selon les applications envisagées, sans qu'on s'écarte pour cela de l'esprit de l'invention. 14 - REVENDICATIONS 1. Matière réfractaire coulable, pour le gar- nissage de poches de fonderie, caractérisée en ce qu'elle comprend un mélange d'un aggrégat réfractaire, constitué d'une matière première siliceuse et de zircon, et d'un ciment alumineux, ledit mélange étant tel que la teneur en alumine (A 1203) est comprise dans l'intervalle de 1,0 à 5,0 % en poids par rapport à ladite matière réfractaire coulable. 2. Matière réfractaire coulable selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière pre- mière siliceuse comprend un aggrégat d'une ou plusieurs substances appartenant au groupe du sable siliceux, de la silice, de l'agalmatolite et de la silice amorphe, d'une dimension de particule inférieure à 6,0 mm. 3 Matière réfractaire coulable selon la revendication 1, caractérisée en ce que le zircon com- prend un aggrégat d'une dimension de particule inférieure à 6,0 mm. 4. Matière réfractaire coulable selon la revendication 1, caractérisée en ce que le ciment alumi- neux constitue entre 0,5 et 2,0 % en poids de l'aggrégat réfractaire. 5. Poches de fonderies comportant un garnissage constitué d'une matière réfractaire selon l'une des revendications 1 a 4.