Brevet FR2593805A1 — publié le 19870807

L'invention est relative à une composition réfractaire destinée notamment à la confection de creuset ou four à bassin pour la fusion de l'aluminium. Bien que l'invention ait été spécifiquement développée pour la fusion de l'aluminium, les propriétés particuliéres qui découlent de l'utilisation de la composition réfractaire décrite ci-aprés pourront également être utilisées dans le cas de la fusion d'autres métaux non ferreux présentant des caractéristiques similaires. L'aluminium est un métal largement utilisé de nos jours en raison de ses nombreuses propriétés. Il s'agit d'un métal léger qui présente de bonnes propriétés mécaniques, en particulier il est maléable et ductible. En outre, l'aluminium conduit bien la chaleur et l'électricité et posséde une grande capacité calorifique. L'aluminium résiste parfaitement à l'air grâce à la fine pellicule d'alumine trés résistante qui le recouvre et protège son volume intérieur. Ces utilisations sont multiples dans l'industrie aéronautique, de la construction automobile, dans l'industrie électrique, .... L'élaboration de l'aluminium est réalisée à partir de la bauxite qui est chauffée pour réduire l'oxygène. Cette opération est réalisée dans des creusets ou fours à bassin à une température d'environ 680 à 700 C. L'aluminium fondant à 650 C. on assiste à une liquéfaction de l'aluminium qui occupe sous forme fluide le fond du creuset. Plusieurs moyens de chauffage peuvent être utilisés néanmoins, bien souvent on emploie des brûleurs à gaz, disposés à la partie supérieure du creuset qui chauffent directement l'aluminium. Sous l'action de l'air, le bain d'aluminium en fusion s oxyde en surface et l'on voit apparaitre des cristaux d oxyde d'aluminium appelés corindon. Le corindon est extrêmement dur et sert notamment à la fabrication de l'émeri. Les creusets utilisés pour la fusion de l'aluminium peuvent être réalisés en béton réfractaire dense à partir d'agrégats liés par un ciment alumineux additionné d'eau. Cette composition réfractaire ne donne cependant pas satisfaction car elle est très vulnérable. En effet, on enregistre de nombreux éclatements du béton réfractaire formant le revêtement réfractaire au niveau de sa paroi située à proximité de la surface du bain d'aluminium en fusion. Des études ont montré que la dégradation de ces revêtements réfractaires est due à une infiltration d'aluminium dans la paroi du creuset qui, en se cristallisant, sous forme de corindon, fait alors éclater le matériau réfractaire, Il se produit deux effets complémentaires, d'une part l'accrochage de la surface et d'autre part l'infiltration à coeur ce qui donne des effets expansifs et dislocations. On a pu remarquer que l'aluminium s'accrochait à la péripherie du four en zone "ceinture du bain" sur une hauteur de 400 à 500 mm, ce qui rendait cette zone très sensible limitant la durée de vie du four. Bien que les causes du vieillissement prématuré des revêtements réfractaires (creuset, etc...) aient pu être déterminées, jusqu'à présent aucune solution n'a été apportée. Le but principal de la présente invention est de présenter une composition réfractaire destinée notamment à la confection de creuset ou revêtement réfractaire de four à bassin pour la fusion de l'aluminium, qui puisse résister à l'action néfaste du corindon. De la sorte, le revêtement réfractaire réalisé bénéficiera d'une résistance nettement améliorée et pourra jouir d'un usage prolongé. La présente invention permettra de diminuer très sensiblement le coût de fabrication de l'aluminium en minimisant les frais d'entretien et notamment de remplacement des revêtements réfractaires. Un autre but de la présente invention est de présenter une composition réfractaire qui présente des propriétés de faible porosité et une diminution de la mouillabilité superficielle. Les propriétés de la composition réfractaire la rendent invulnérables à l'oxyde d'aluminium. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaitront au cours de la description suivante qui n'est cependant donnée qu'à titre indicatif. La composition réfractaire, destinée notamment à la confection de creuset ou revêtement réfractaire de four à bassin pour la fusion de l'aluminium apte à contenir un bain d'aluminium fondu dont la surface par contact avec l'atmosphère s'oxyde et forme du corindon, est caractérisée par le fait qu'elle comprend - un corindon électro-fondu déferré dont la porosité est nulle ou presque, - de la chromite Cr203 non poreux, - un agent non mouillant. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée de dessins en annexe parmi lesquels: - la figure 1 schématise une installation pour la fusion de l'aluminium, - la figure 2 illustre la structure microscopique de la composition réfractaire. La présente invention vise une composition réfractaire destinée notamment à la confection de creuset ou de revêtement réfractaire de four à bassin pour la fusion de l'aluminium. La figure 1 schématise une installation comportant un creuset 1 renfermant de l'aluminium 2 en fusion chauffé en surface par des brûleurs à gaz 3. Néanmoins, d'autres moyens de chauffage pourraient également être envisagés (énergie électrique-fuel). Cette opération est généralement menée entre 680 et 700 C. La fusion de l'aluminium étant réalisée à l'air libre, il s'en suit alors une production superficielle d'oxyde d'aluminium 4. Cet oxyde d'aluminium a tendance à s'accrocher à la périphérie 5 du four sur une hauteur de 400 à 500 mm. A ce sujet, il faut noter que le niveau du bain fluctue peu. Par un phénomène de capillarité, l'oxyde d'aluminium qui a pénétré au sein de la paroi du creuset 1 fait éclater la dite paroi lorsqu'il se cristallise sous forme de corindon ce qui fragilise la texture en la rendant plus rigide. Ce phénomène réduit fortement la durée de vie des revêtements réfractaires 1 et majore singulièrement le -- coût de production de 1 aluminium. Puisque la destruction de la paroi du creuset 1 est essentiellement due à un phénomène de cristallisation interne et de surface de l'oxyde d'aluminium, l'objectif de la présente invention est d'éviter l'accrochage et le développement des germes d'aluminium oxydés; le germe en effet crée la cinétique du développement de la réaction de cristallisation du corindon. La perméabilité "ouverte" des compositions réfractaires actuelles utilisées pour la confection de creuset est la cause principale du développement interne de la cristallisation du corindon. Aussi, par un choix judicieux des matériaux entrant dans la composition réfractaire il est possible de minimiser les effets de cette action. Selon la présente invention, c'est vers la recherche d'une composition réfractaire à faible porosité et également non mouillante que se sont dirigés les efforts. La composition réfractaire de la présente invention est employée pour la réalisation d'un béton formé d'agrégats liés par un- ciment. Tout d'abord, le choix des agrégats réfractaires entrant dans la composition du béton réfractaire dense doit être fait pour que ceux-ci aient un comportement inerte vis-à-vis du corindon. Ces agrégats doivent eux-mêmes présenter une absence de porosité pour éviter d'être contaminés. Le produit à haute teneur en alumine possède cette propriété. Par conséquent, la présente invention preconise l'emploi d'agregats à base de corindon, bauxite ou alumine tabulaire. De préférence, le corindon brun électro-fondu déferré de porosité nulle ou presque est utilisé, car cet agrégat ne risque pas d'être attaqué par des infiltrations d'agents agressifs. Une adjonction de chromite Cr203 dans la composition réfractaire est souhaitable. En effet, la chromite est inerte et résiste parfaitement aux agents acides ou basiques. La chromite pourra être plus ou moins riche en fer. La neutralité vis-à-vis des agents acides ou basiques donne une bonne résistance à la plupart des attaques chimiques. Les matériaux cités précédemment permettent d'annuler en presque totalité la porosité de la composition réfractaire. Parallélement à cette action. il est judicieux de réduire également la mouillabilité superficielle du béton servant à la confection des revetements réfractaires afin d'éviter que l'oxyde d'aluminium puisse s'accrocher en surface et se cristalliser. A cet égard, l'adjonction du baryte BaSO4 est décisive. Son action tend à favoriser la non-mouillabilité du réfractaire évite ainsi l'accrochage du corindon. Le sulfate de baryum a un effet protecteur de la réduction de SiO par les métaux non ferreux et diminue sensiblement la mouillabilité du réfractraire par les métaux métaux non ferreux en fusion à l'état liquide. La baryte ou sulfate de baryum devra présenter une teneur comprise entre 3 Z et 6 7. dans la composition réfractaire pour être significative. Une addition de zircon ou silicate de zirconium est bénéfique : haute réfractarité, bonne résistance aux agents réducteurs (aluminium, par exemple), faible dilatation et bonne résistance aux chocs thermiques. En effet, ce silicate est inattaquable par l'aluminium en fusion. Le choix des matériaux entrant dans la composition réfractaire ayant été défini précédemment, il est néanmoins indispensable de determiner une répartition granulomérique entres les sous-classes des différents agrégats réfractaires pour obtenir une faible porosite totale. En effet, l'action de la baryte seule avec un béton très poreux serait inefficace. La porosité de la composition réfractaire est fonction bien entendu du choix des matériaux entrant en jeu mais également fonction de leurs teneurs respectives. La figure 2 schématise la composition microscopique de la présente invention formée d'une juxtaposition de granulats 6. Les granulats 6 ne sont en eux-memes pas poreux et par conséquent la porosité de la composition dépendra du matériau ou vide occupant les interstices 7 disposés entre les granulats 6. Pour abaisser la porosité de la composition, il est souhaitable de sous-doser le liant c'est-à-dire le ciment. Ainsi, il faut moins d'eau pour réaliser le béton et lors du séchage on diminue la porosité par le départ d'une quantité minime d'eau. Un artifice permet de compenser ce sous-dosage en léger surdosage par ajout de fines ( Des essais ont montré que les compositions réfractaires suivantes donnaient satisfaction et permettaient notamment un allongement notoire de la durée de vie des creusets destinés à la fusion de l'aluminium EXEMPLE A (Composition massique centésimale - sable chromite : 10,6 Z - sable zircon : 1% - corindon brun : 2,9 % (1) * électrofondu 010,2 * " " 0,2/2 35,9 * " 2/5 - sulfate de baryum : 4,8 Z | (2) (prémélange) Z (1) - liant alumineux : 13,3 Z (produit commercialisé par Lafarge fondu International : "Secar 80") - rendement volumétrique : 3,32 T/m3 en place - eau hydratation : 5,9 Z - résistance mécanique à l'écrasement après 24 H étuvage à 110 "C : 775 bars - porosité totale : 3,1 Z AUTRES FORMULATIONS (Compositions massiques centésimales) ESSAI N 1 ESSAI N 2 ESSAI N 3 SABLE ZIRCON 5% 10,60% 10,60% SABLE CHROMITE 1% 10,20% 1% CORINDON DEFERRE 0/0,2 mm 7,5% 0,7% 2,9% 0,2/2 mm 75,9% # 36,4% 61,1 % # 32,3% 69% # 35,2% 2/5 mm 32,0% 28,1% 30,9% SULFATE DE BARYUM 4,8% 1,8% 4,7% "SECAR 80" 13,3% 13,3% 14,7% RENDEMENT VOLU METRIQUE 3,290 3,310 3,280 (T/M3 en place) EAU HYDRATATION 4,9Z 4,9Z 5,4% (Z) RESISTANCE MECA NIQUE A L'ECRASE MENT APRES 24H 524 386 479 ETUVAGE A 110 C (BARS) POROSITE TOTALE 3,7% 4,2% 3,8% (%) Ces différents essais permettent de vérifier qu'en modifiant les proportions entre composants par rapport à la formulation de base déposée, on développe la porosité totale, donc la perméabilité du réfractaire en corrélation avec un affaiblissement de la résistance mécanique à l'écrasement. Cette tendance étant favorable à l'attaque du réfractaire par accrochage et infiltration du corindon sur et dans celui-ci. D'autres mises en oeuvre de la présente invention en particulier des matériaux présentant des propriétés analogues à ceux préconisés par la présente invention auraient également pu être envisagés sans sortir du cadre de celle-ci. Ainsi, la teneur en sulfate de baryum pourra être comprise entre 3 et 6 Z, celle en sable de zircon de 0,5 et 1,5 Z, et quant à celle en sable de chromite, elle pourra être comprise entre 8 et 12 X, L'Homme de l'Art lors de l'établissement de la formulation devra tenir compte des directives suivantes s utiliser des agrégats réfractaires inertes vis-å-vis de l'agression physico-chimique à chaud de l'alu en fusion, * introduire le minimum de Si0 afin de limiter au mieux l'effet de réduction de cet oxyde par 1 Al en fusion et les conséquences qui en découlent, * Diminuer "les attaques de surface" - en introduisant un agent favorisant la non mouillabilité donc le non accrochage de 1 Al en fusion sur le réfractaire (BaSOI) - en réduisant au mieux la porosité ouverte (cf proportions en composants de la formulation). * Diminuer "les attaaues à coeur" - en respectant la loi de "FULLER BOLOMEY" relative à la répartition volumique centésimale entre les différentes sous-classes complémentaires du poste "agrégats réfractaires" - en opérant à un "sous dosage liant" permettant lors de l'opération de gachage de réduire au mieux l'introduction d'eau. REMARQUE : effet de compensation sur le plan granulométrique (particules + eq 8aSo4 permettant ainsi par léger surdosage de parfaire les lacunes de remplissage entre les sous-classes granulométriques complémentaires. REVENDICATIONS 1. Composition réfractaire, destinée notamment à la confection de creuset ou revêtement réfractaire de four à bassin pour la fusion de l'aluminium apte à contenir un bain d'aluminium fondu (2) dont la surface (5) par contact avec l'atmosphère s'oxyde et forme du corindon. caractérisée par le fait qu'elle comprend - un corindon brun électro-fondu déferré à porosité nulle ou presque, - de la chromite Cr203 non poreuse, - un agent non mouillant. 2. Composition réfractaire selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'agent non mouillant est de la baryte ou sulfate de baryum. 3. Composition réfractaire selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la teneur en baryte est comprise entre 3 Z et 6 Z. 4. Composition réfractaire selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend une faible adjonction complémentaire de zircon ou silicate de zirconium. 5. Composition réfractaire selon la revendication 1, pour réaliser un béton formé d'agrégats additionnés de liant et d'eau, caractérisée par le fait que le béton est sous-dosé en liant,