Brevet FR2541590A1 — publié le 19840831

PROCèDE ET DISPOSITIF D'OBTENTION DE GRANULES EN MATERlAU CRAMIQUE CRU La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif d'obtention de granulés en matériau céramique cru. On sait réaliser des granulés en matériau céramique cru a partir d'une barbotine séchée a l'air chaud. Le séchage est obtenu dans un atomiseur dans lequel une barbotine est pulvérisée sous forme d'un fin brouillard dans un courant de gaz chaud. Le gaz chaud est en général de l'air atmosphérique réchauffe jusqu'a une température pouvant atteindre 600 - C. A la température de séchage, la. pression partielle de l'eau dans le gaz de séchage est très faible ce qui permet d'obtenir un séchage rapide des gouttelettes. On obtient alors une poudre constituée par des billes en général creuses appelées cénosphères. Ces cénosphères ont une coquille plus ou moins épaisse suivant la concentration de la barbotine. Cette forme cénosphérique est celle qui donne aux poudres atomisees leur propriété de coulabilité exceptionnelle et qui contribue à les rendre aptes au pressage à sec. D'autre part, chaque grain est séché comme sil était seul et présente l'humidité moyenne de lwensemble de la poudre. La demanderesse a cependant constaté que pour certains types de céramique, la pressabilité de la poudre n'était pas excellente et que la résistance mécanique des produits obtenus après fritage n'etait pas satisfaisante. La demanderesse a alors constaté que les poudres céramiques obtenues lors de la fabrication selon le procédé de l'art antérieur comportaient une quantité non négligeable d'air emprisonné, auquel on peut attribuer lors du pressage les phénomènes éventuels de feuilletage, de sous-densification et de foison- nement.De plus, chaque cénosphère est formée d'une croûte dure entourant un centre plus mou ou la porosité est jmportante. On peut attribuer a cette croûte dure la responsabilité d'un abaisseltlent de la frittabiJité des pièces obtenues par pressage a. sec. Le procédé selon l'invention se propose de remédier à ces inconvénients en permettant la fabrication de sphères de consistance et de dureté aussi homogène que possible en tout point et presentant on minimum d'air emprisonné. En particulier, le procédé selon l'invention a pour but d'éviter que les sphères produites présentent une croute extérieure dure. Dans ce but, l'invention a pour objet un procédé d'obtention de granulés en matériau céramique cru a partir d'une barbotine séchée à l'air chaud caractérisé en ce que l'air chaud présente une humidité relative suffisamment élevée pour que les granulés obtenus soient homogènes. La pulvérisation des gouttes dans une atmosphère où la teneur en eau est stabilisée et maintenue a une valeur élevée a pour conséquence de diminuer considérablement la vitesse de diffusion de l'eau contenue dans la goutte en évitant ainsi la formation dlune croûte dure à la surface de celle-ci et en limitant dans des proportions importantes la quantité d'air emprisonné dans les granules. L'humidité relative de l'air chaud injecté peut ekre comprise entre 20 et 80 96; elle est de préférence de l'ordre de 30 %. L'air chaud peut etre améné à une température de l'ordre de 250 à 6000 C. Selon un mode de réalisation, lå barbotine comporte une poudre à base de 95 % d'oxyde de titane, le reste comprenant au moins un agent minéralisateur, par exemple de la silice et de l'alumine et au moins un liant organique, par exemple du latex ou du polyéthylène, avec un extrait sec compris entre 60 et 70 ,ó. La poudre a de préférence une granulométrie inférieure ou égale à 2 microns. Après séchage, on obtient des granulés de diamètre de l'ordre de 280 microns. Selon un autre mode de réalisation, la barbotine comporte une poudre d'alumine et au moins un liant organique, par exemple du latex ou du polyéthylène, avec un extrait sec compris entre 60 et 70 %. L'invéntîon a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé et comprenant un atomiseur présentant un dispositif d'arnenée d'air chaud à température donnée de maniere à produire un flux d'air chaud, et un dispositif de pulvérisation d'une barbotine sous forme de gouttelettes dans le flux d'air chaud. Il est caractérisé en ce qu'il cornporte au moins une buse de pulvérisation d'un brouillard d'eau dans le flux d'air chaud de telle sorte que le brouillard d'eau soit évaporé dans le flux d'air chaud selon une steuchiométrie correspondant à l'humidité relative souhaitée pour le flux d'air chaud.Le mélange entre l'air chaud et le brouillard d'eau vaporisé peut être amélioré par le fait que l'atomiseur comporte a sa partie superieure, et dans l'axe de celui-ci, une tôle perforée, que le canal d'amenée d'air chaud est disposé perpendiculairement à l'axe de l'atomiseur, que la buse de pulvérisation d'un brouillard d'eau est orientée parallèlement à l'axe de l'atomiseur et qu'elle est disposée en amont de la tôle perforée. Ladite température donnée peut être de l'ordre de 250 à 6000 C. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif, conjointement avec les figures 1 à 4 qui représentent des modes de réalisation d'un atomiseur pour la rnise en oeuvre du procédé suivant l'invention. Le séchage par pulvérisation réalise un transfert du liquide contenu dans une goutte pour le vaporiser dans un courant de gaz chaud. Un certain nombre de paramètres entrent en ligne de compte, à savoir la surface de contact entre la goutte et le gaz chaud, la vitesse de migration de Peau à l'intérieur de la goutte depuis le centre de celle-ci jusqu'à sa surface et enfin la différence de pression partielle de l'eau dans le gaz de séchage et au niveau de la particule à sécher. Les techniques classiques utilisées pour Je séchage par pulvérisation pour obtenir des granulés en matériau céramique cru sont avant tout orientées vers le rendement de la production. On cherche par conséquent ddns ces procédés à obtenir un séchage aussi rapide que possible. Le gaz chaud utilisé pour 3e séchage est de l'air sec obtenu à partir d'air atmosphérique réchauffé. Le réchauffage de l'air atmosphérique fait baisser considérablement son humidité relative. Le séchage total ainsi obtenu a pour conséquence que l'évapo- ration de l'eau à l'extérieur de la goutte asséchée est plus rapide que la vitesse de migration de l'eau depuis le centre de la goutte jusqu'à sa surface.C'est a ce phénomène que l'on peut attribuer la formation d'une croûte dure à l'extérieur du granulé, croate entourant un centre plus mou où la porosité est importante. En outre, les granulés sont très souvent creux et comportent une quantité non négligeable d'air emprisonné. Le principe à la base du procédé suivant l'invention consiste à diminuer la vitesse d'évaporation de l'eau à la périphérie de la goutte de manière à ce que celle-ci se rapproche de la vitesse de migration de l'eau depuis le centre de la goutte jusqu sa surface, de manière à éviter la formation d'une crotte dure à la surface des granulés obtenus. Il va de soi qu'il est illusoire d'espérer obtenir à chaque instant que la vitesse d'évaporation corresponde à la vitesse de migration, ou qu'elle lui soit toujours inférieure. Il faut tenir compte des paramètres propres des atomiseurs utilisés.D'une part, l'humidité relative du gaz chaud augmente au fur et à mesure que celui-ci s'enrichit des gaz vaporisés pendant l'échange et d'autre part, il faut que la vitesse d'évaporation soit de toute façon suffisante pour que l'on recueille à la sortie de l'atomiseur des granulés convenablement séchés. En outre, les vitesses de migration et d'évaporation sont pratiquement impossibles à mesurer sinon à -évaluer. Le critère d'évaluation du procédé sera en définitif le résultat obtenu en matière de pressabilité èt de performance du matériau obtenu. Dans le procédé selon l'invention, les granulés sont obtenus à partir d'une barbotine séchée par pulvérisation dans un courant d'air chaud. L'air chaud est tel qu'il présente une humidité relative suffisamment élevée pour que les granulés obtenus soient homoge- nes, c'est-à-dire que précisérnent ils ne comportent pas de crotte superficielle dure entourant un centre plus mou. C'est cotte horrlo- généité qui précisément assurera une meilleure pressabilité aux granulés. Cette pressabilité va se traduire par une meilleure rnise en contact des grains du matériau céramique lors du frittage.Or, le frittage met en oeuvre des diffusions qui s'opèreront d'autant mieux que les grains des matériaux seront étroitement en contact les uns avec les autres. Cet avantage va alors se traduire en pratique par une diminution de la température de frittage, toutes choses égales par ailleurs. Cette diminution peut aller de quelques degrés a quelques centaines de degrés suivant les céramiques mises en oeuvre. De plus, i'homqgénéité des granulés favorise la tenue à la cuisson en procurant un retrait homogène. En pratique, dans un atomiseur donné avec un débit d'air chaud donné a une température donnée et pour un débit donné de barbotine, la pressabîlité des granulés obtenus en fonction de l'humidité relative de gaz chaud est une courbe passant par un maximum. En d'autres termes, Si I'humidité relative est plus faible que la valeur idéale, le séchage sera trop rapide et subsistera une tendance à former une crotte dure. D'autre part, si l'humidité relative est trop élevée, la vitesse de séchage des gouttes sera trop faible et les granulés obtenus présenteront une humidité résiduelle trop importante qui nuira aux performances obtenues lors du pressage et de la cuisson. Avec les atomiseurs du type connu, l'humidité relative des gaz à l'entrée de l'atomiseur sera en pratique comprise en 20 et 80 %. On constate en e8fiof que pour des humidités relatives inférieures à 20 Xs environ, la diminution de la vitesse d'évaporation nPest pas suffisante pour produire des résultats significatifs. Au delà d'une humidité relative de 80 %, l'évaporation des gouttes est ralentie dans une proportion telle que le séchage des gouttes de barbotine est insuffisant. Bien entendu, des valeurs d'humidités relatives supérieure res à 80 % pourraient être mise en oeuvre en adaptant des atomiseurs et notamment en rallongeant de manière significative le trajet parcouru par les gouttes de barbotine en cours de séchage.En pratique, avec les atomiseurs usuels à co-courant on a constate qu'une humidité relative de l'ordre de 30 % est de nature à donner satisfaction sans conduire à des dépenses énergétiques trop importantes. La température de séchage sera choisie de manière à être compatible avec la température maximale supportable par les composés organiques qui sont incorporés dans le fluide à granuler. En pratique, cette température sera comprise en 250 et 6000 C. On notera à ce sujet que la valeur de la température influe relativement peu sur la vitesse de séchage alors que celle-ci varie très rapidement en fonction de l'humidité relative du gaz chaud. De cette considération résulte d'ailleurs le fait qu'e seule une augmentation provoquée de l'humidité relative de 1Pair chaud est de nature à produire le résultat souhaité. Selon la figure 1, un atomiseur 1 a co-courant présente un corps cylindrique 10 se terminant à sa partie inférieure par un tronc de cône Il se prolongeant par un orifice de sortie 12. A la partie supérieure de l'atomiseur, est disposée une buse 7 connue en soi et assurant la pulvérisation * de gouttelettes de barbotine suivant un angle suffisamment large pour permettre aux gouttes de se répartir dans l'espace intérieur du corps 10. A la partie supérieure est ménagée également une . conduite 9 amenée d'air chaud 5. Une buse 8 pulvérise des gouttelettes d'eau 5 dans le courant d'air chaud. Les gouttelettes pulvérisées dans le courant d'air chaud se vaporisent sous l'action des calories cédées par celui-ci et l'air chaud ainsi humidifié va se mélanger aux gouttelettes de barbotine pulvérisées par la buse 7 et l'humidité contenue dans les gouttes de barbotine va progressivement donner lieu à une évaporation dans le courant d'air chaud dont l'humidité relative va par conséquent augmenter en même temps que sa température va diminuer. A la partie inférieure du corps 10, on recueillera l'air chaud et les granulés séchés, la séparation pouvant s'opérer par des moyens connus en soi, par exemple dans un cyclone. L'humidité relative de l'air chaud à l'erjtrée de l'atomiseur est déterminée de manière steuchiométrique, Cest-a'-dire en réglant les débits relatifs d'air chaud et d'eau pulvérisée, de telle sorte qu'on obtienne le degré hygrométrique désiré pour l'air chaud. Selon la figure 2, l'atomiseur 2 est identique à l'atomiseur 1'de la figure 1 à ceci près que la buse 8 est remplacée par une buse 18 en forme de couronne disposée au débouché du conduit d'amenée d'air chaud 9 de telle sorte que la vaporisation de l'eau pulvérisée 5 n'est lieu qui la partie supérieure du corps 10. Dans la figure 3, l'air chaud et les particules circulent à contre courant. L'atomiseur comporte un corps 30 à la partie supérieure duquel est ménagé un profil tronconique 35 se prolongeant par une ouverture 32 destinée à la sortie des gaz chaud et à sa partie inférieure une partie tronconique 31 se terminant par une ouverture 34 destinée à recueillir les granulés séchés. L'arrivée des particules pulvérisées des barbotines à lieu à la partie supérieure du corps 30 au niveau de la jonction de celui-ci avec la partie tronconique 35. La pulvérisation des gouttes de barbotine a lieu grâce à une buse du type couronne référencée 27. L'arrivée du gaz chaud à lieu par une conduite 25 qui traverse la paroi du corps 30 à sa partie inférieure juste au-dessus de sa liaison avec la partie tronconique 31. Cette conduite d'amenée 25 se prolonge par un coude à 90" 36 qui assure le déplacement de l'air chaud vers Je haut de l'atomiseur et dans l'axe de celui-ci. Une buse de pulvérisation d'eau 28 du type couronne est disposée au débouché du coude 36. Les granulés séchés sont recueillis à la partie inférieure de l'atomiseur au niveau de l'orifice 34 alors que les gaz chaud s'échappent par l'ouverture 32 ménagée à la partie supérieure de l'atomiseur 3. On remarquera que dans cette configuration où l'échange thermique se fait à contre courant, le séchage des gouttelettes commence à s'effectuer dans un courant d'air chaud qui a été enrichi en humidité non seulement par l'apport d'eau pulvérisée par la buse 28, mais également par la vaporisation des gouttelettes. Il en résulte que l'échange à contre courant permet de dirninuer l'hurni- dité relative dans le courant d'air chaud à son entrée dans le corps 30 de l'atomiseur 3 et de diminuer la consommation énergétique pour une même efficacité de séchage et des performances identiques des granulés. Selon la figure 4, l'atomiseur comporte une arrivée d'air chaud latérale 9 à la partie supérieure du corps 10. La température de l'air chaud est mesurée par une sonde 41. Un mélange d'eau et d'air comprimé est injecté par une buse 43 parallèlement à l'axe du corps 10 au débouché de la conduite 9. La barbotine sous pression est injectée par une buse 7 qui débouche en aval d'une tôle perfo rée 51 dont la fonction est de canaliser l'air chaud injecté latéralement pour qu'il forme un courant parallèle à l'axe de corps 10. L'eau étant injectée parallèlement à l'axe du corps 10 au débouché de la conduite 9 se mélange trés facilement à l'air chaud. En effet, le mélange a lieu dans une région relativement turbulente où l'air chaud voit sa direction d'écoulement défléchie de 90". A la partie inférieure du corps 10, un conduit d'aspiration des fines aspire les granulés trop fins. L'aspiration est réalisée par un ventilateur V disposé dans une conduite verticale 45 qui débouche en aval sur un dépoussiéreur 46 puis sur un conduit d'évacuation 47 vers une cheminée. La conduite 45 est reliée en amont à la partie supérieure d'un séparateur à air 44. Le séparateur à air 44 permet de recueillir et de diriger vers une conduite 48, 49 de régénération des fines, les granulés qui ont des dimensions suffisantes pour tomber par gravité au fond du séparateur à air. La détente de flux gazeux qui se produit lorsque le conduit d'aspiration des fines débouche dans la section plus large du séparateur à air permet de réaliser cette fonction, le séparateur à air fonctionnant comme un cyclone.La température de sortie de l'air est mesurée par une sonde 42 placée à la partie supérieure du séparateur à air 44 qui alimente une conduite 48, 49 de régénération des fines qui sont injectées coaxialement avec la barbotine sous pression par une buse 50 entourant le conduit d'amenée de la buse 7 de telle sorte que les fines sont mises en contact avec le brouillard divergent de barbotine. Exemple 1 On utilise une cornposition contenant 95 % d'oxyde de titane le reste étant constitué par un agent minéralisateur, par exemple un mélange de silice et d'alumine, le tout sous forme pulvérulente avec une granulométrie inférieure à 2 microns. Cette composition est mise en barbotine avec des liants organiques du type latex ou polyéthylène avec un extrait sec compris entre 60 et 70 %. A condition d'atornisation égale (dimension de buse, pression de barbotine, température d'air à l'entrée et à la sortie de l'atomiseur), on obtient pour une humidité de l'air d'entrée inférieure ou égale à s 96, ctest-à-dire en procédant selon l'art antérieur à partir d'air atmosphérique, une densité du granulé non tassé de 0,98 ; la densité obtenue sur presse hydraulique pour une pression de 600 kilos au centimètre carre est de 2509. En mettant en oeuvre le procédé selon l'invention, avec une humidité relative de l'air d'entrée de 30 96, la densité du granulé non tassé est de 1,05 et la densité obtenue sur presse hydraulique pour une pression de 600 kilos au centimètre carré est de 2,20. D'autre part Je matériau préparé suivant le procédé suivant l'invention permet d'obtenir une céramique présentant de meilleures performances mécaniques. Cette amélioration des performances Inécani- ques est dfle à la meilleure cohésion de la céramique. Cette cohésion est elle même dûe au fait que les granulés ne présentent pas de croûte dure et se déforment mieux lors de la mise sous presse. lis présentent alors entre eux des surfaces de contact plus importantes favorables au frittage ainsi qu'a la cohésion et à l'homogénéité de la céramique obtenue. Exemple 2 Une poudre d'alumine est mise en barbotine avec des liants organiques du type latex ou polyéthylène avec un extrait sec compris entre 60 et 70 %. Avec le procédé suivant l'invention, et pour une humidité relative également voisine de 30 %, on constate un gain relativernent faible au niveau de la densité- obtenue sur presse hydraulique, mais pour une densité donnée, le gain de température de frittage peut être estimé à 500 C. D'autre part, le matériau ainsi obtenu présente de meilleures propriétés mécaniques et est dépourvu de défauts apparaissant lors du frittage. On remarquera que ce gain au niveau de la température de frittage permet une diminution de la consommation d'énergie qui compense au moins partiellement la dépense d'énergie supplémentaire nécessitée par la vaporisation de l'eau. Pour les deux exemples cités ci-dessus, les conditions de fonctionnement de l'atomiseur ont été les suivantes - température d'air d'entrée: 2500C - tenpérature d'air de sortie: 1400C - humidité relative de l'air au début du séchage: 30 96 - débit d'eau correspondant: 60 1/h - humidité relative de l'air à la fin du séchage: 70-75 % - débit horaire de granulés récupérables au bas de l'atomiseur: 100 kg. Ainsi qu'il résulte de la description est des exemples ci-dessus, le procédé suivant l'invention est particulièrement avantageux dans le cas de compositions a haute teneur en oxyde et pour des matériaux ayant un comportement très peu compatible avec une mise en forme par pressage, c'est-à-dire se présentant sous la forme d'une poudre fine et non plastique. C'est pour de tels produits que les avantages du procédé selon Pinvention sont les plus importants tant au niveau de la mise en oeuvre lors de la fabrication qu'a celui des performances finales du produit. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention de granulés en matériau céramique cru à partir d'une barbotine séchée à l'air chaud caractérisé en ce que l'air chaud présente une humidité relative suffisamment élevée pour que les granulés obtenus soient homogènes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite humidité relative est comprise entre 20 et 80 %. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite humidité relative est de tordre de 30 %. 4. Procédé selon une des revendications l à 3, caractérisé en ce que l'air chaud est amené à une température de l'ordre de 2500 C à 6000 C. 5. Procédé selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la barbotine comporte une poudre à base de 95 % d'oxyde de titane, le reste comprenant au moins un agent minéralisateur et au moins un liant organique avec un extrait sec compris entre 60 et 70 %. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'agent minéralisateur est constitué par de la silice et de l'aluminium, et en ce que le liant organique est du latex ou du polyéthylène. 7. Procédé selon une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que la poudre a une granulométrie inférieure ou égale à 2 microns. 8. Procédé selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la barbotine comporte une poudre d'Al203 et au moins un liant organique avec un extrait sec compris entre 60 et 70 %. 9. Procédé selon Ja revendication 8, caractérisé en ce que le liant organique est du latex ou du polyéthylène. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications précédentes et co:nportant un atomiseur présentant un dispositif d'amenée d'air chaud å température donnée de manière a produire un flux d'air chaud, un dispositif de pulvérisation d'une barbotine sous forme de gouttelettes dans le flux d'air chaud, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une buse de pulvérisation d'un brouillard d'eau dans le flux d'air chaud, de telle sorte que le brouillard d'eau soit évaporé dans le flux d'air chaud et selon une steuchiométrie correspondant à l'humidité relative souhaitée pour le flux d'air chaud. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une tôle perforée (51) disposée à la partie supérieure de l'atomiseur et dans l'axe de celui-ci, en ce que le canal (9) d'amenée d'air chaud est disposé perpendiculairement à l'axe de l'atomiseur, en ce que la buse (43) de pulvérisation d'un brouillard d'eau est orientée parallèlement à l'axe de l'atomiseur, et en ce que celle-ci est disposée en amont de la tôle perforée (51). 12. Dispositif selon une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que la température donnée est de l'ordre de 2500 C à 600" C.