Brevet FR2609708A1 — publié le 19880722

La présente invention concerne un dispositif pour la fabrication de fibres à partir d'une masse fondue minérale. On connaît différents procédés et dispositifs pour fabriquer de la laine minérale. Le procédé qui est industriellement le plus connu consiste à couler la masse fondue chaude obtenue à partir de roches ou de laitier sous la forme d'un jet sur la surface extérieure d'un disque tournant à grande vitesse autour d'un axe perpendiculaire à la direction du jet de masse fondue. Des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé sont décrits par exemple dans les EP-A-0167508 et EP-A-00591 52. En général, la masse fondue est coulée sur plusieurs disques disposés très près les uns des autres et les uns au-dessous des autres, grâce auxquels on obtient à chaque contact avec-un disque une dispersion supplémentaire de la masse fondue, sous la forme de gouttelettes. Les gouttelettes ainsi formées sont soumises à une forte accélération centrifuge et de ce fait sont étirées sous forme de fibres à partir de la surface extérieure des disques. L'ensemble des fibres ainsi formé permet d'obtenir de la laine minérale. Le rendement final de l'opération est défini par le taux de fibres par rapport aux gouttelettes non transformées en fibres qui sont appelées "perles" lorsqu'elles sont refroidies et à l'état solide. Ainsi pour pouvoir étirer la plus grande partie de gouttelettes en fibres, il est nécessaire de partir d'une masse fondue ayant une viscosité bien définie qui dépend étroitement de la température. Ainsi, dans le cas d'une masse fondue à base de laitier de haut fourneau composée de SiO2, CaO, Al203 et -Mgo, la viscosité de départ doit être de 8 + 3 dPas. Cette viscosité est obtenue lorsque la masse fondue est à 17280K + 55 . Par ailleurs, la masse fondue et en particulier les gouttelettes subissent un important refroidissement pendant leur trajet sur les différents disques. Ce refroidissement résulte en premier lieu d'un échange thermique avec les disques de fibrage et en second lieu d'une déperdition par rayonnement. Les disques de fibrage doivent pour des raisons de tenue mécanique, être réalisés en acier et sont refroidis par une circulation d'eau pour éviter une augmentation de la température et par suite une diminution de leur résistance mécanique. En effet, on peut facilement obtenir un échauffement excessif des disques de fibrage,- étant donné que la masse fondue est coulée sur ces derniers à une température comprise entre 1700 et 1850 OK. Compte tenu du fait que la viscosité de la masse fondue dépend très étroitement de sa température, la viscosité idéale de fibrage n'est obtenue que pendant une durée extrêmement courte, en général pendant qu'une gouttelette se trouve au niveau du premier ou du second disque. Lors de son trajet sur les disques suivants, la viscosité de la masse fondue augmente tellement du fait de la chute de température, que les gouttelettes formées ne peuvent plus être com lètement étirées en fibres, de sorte qu'elles subsistent dans la laine minérale, sous la forme indésirée de perles. Lorsque le dernier disque est trop froid on observe tres souvent des petites plaquettes de verre dans la laine minérale. Celles-ci correspondent à des gouttelettes aplaties qui n'accrochaient pas à la surface du disque. Le but de la présente invention est de créer un dispositif pour la fabrication de fibres minérales permettant de réduire la chute de température de la masse fondue, notamment des gouttelettes, pendant leur trajet sur les disques de fibrage, de telle sorte que la viscosité idéale de fibrage de la masse fondue soit maintenue depuis le premier jusqu'au dernier disque de fibrage. La température à la surface des disques pouvant dépasser celle admissible pour les disques en acier actuels qui est de l'ordre de 8500K. Suivant 1 invention, le dispositif pour la fabrication de fibres à partir d'une masse-minérale fondue, dans lequel, on coule un jet de cette masse fondue sur la surface extérieure d'une série de disques métalliques tournant à grande vitesse autour d'un axe perpendiculaire à la direction du jet est caractérisé en ce que la surface extérieure de ces disques comprend une couche d'une matière présentant une conductibilité thermique suffisamment faible pour que la température de la masse fondue soit maintenue sensiblement inchangée entre le premier et le dernier disque, cette matière résistant à la température de la masse fondue et à l'attaque chimique de celle-ci et cette matière étant mouillée par cette masse fondue au moins comme le métal des disques. Les matériaux pouvant convenir dans l'application considérée par la présente invention sont de préférence choisis dans le groupe comprenant le carbure de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium et d'aluminium et le titanate d'aluminium et autres métaux des groupes IIA, IIIA, IVA et IVB de la classification périodique des éléments. Ces matériaux présentent les propriétés physiques recherchées. Ces matériaux sont connus pour posséder une grande résistance mécanique, une faible conductibilité thermique et une densité relativement faible. Outre ces propriétés connues, la demanderesse a découvert de façon surprenante que ces matériaux présentent des propriétés de mouillabilité vis-à-vis de la masse fondue minérale comparablEs à celle de l'acier constituant les disques. Cette propriété est en effet essentielle pour que les gouttelettes de masse fondue puissent être étirées en fibres. La demanderesse a constaté par ailleurs qu'une couche constituée de la matière précitée, projetée sur la surface extérieure des disques, par exemple au moyen d'un pistolet à plasma n'était pas suffisamment résistante vis-à-vis des contraintes mécaniques et thermiques mises en jeu. Selon une version préférée de l'invention, la couche constituée de la matière précitée est composée d'éléments formant ensemble un anneau, des moyens étant prévus pour maintenir entre ces éléments et entre ceuxci et la surface extérieure des disques métalliques un jeu suffisant pour rendre l'anneau formé par les éléments insensible aux contraintes dues à la dilatation thermique. L'espace entre l'anneau et le disque métallique sert également à l'isolation thermique de l'anneau. La température de celui-ci peut alors être maintenue grâce à l'énergie apportée à l'impact des gouttelettes de masse fondue. L'avantage important apporté par l'anneau en céramique est que la tempe rature de celui-ci peut dépasser nettement la température maximum égale à 8500K admissible pour les disques en acier. Dans le cas d'un anneau en céramique, cette température peut en effet atteindre 1200 à 1300"K à sa surface. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-apres. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs: la figure 1 est une vue schématique du dispositif conforme à l'invention; la figure 2 est une vue partielle en perspective d'un disque du dispositif selon l'invention portant à sa surface des éléments en matière céramique; la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 concernant une variante de réalisation; la figure 4 est une vue analogue aux figures 2 et 3 concernant une autre variante. Dans le dispositif représenté schématiquement sur la figure 1, on coule un jet 1 de masse minérale fondue 2 telle que de la roche ou du laitier sur la surface extérieure d'une série de disques 3, 4, 5, 6 en acier tournant à une vitesse de l'ordre de 4000-7000 t/mn autour d'axes perpendiculaires à la direction du jet. Chaque disque 3, 4, 5, 6 a un diamètre de l'ordre de 30 à 40 cm et une épaisseur de l'ordre de 10 cm. La température du jet 1 de masse fondue est comprise entre 1600 et 1800pu. Cette masse fondue est coulée sur les disques 3, 4, 5, 6 à raison d'environ 3-5 tonnes par heure. Le premier disque 3 est en général plus petit que les autres et sert essentiellement à transformer le jet dense de masse liquide en jets de gouttelettes. La surface extérieure des disques en acier 3, 4, 5, 6 est maintenue à environ 6500K par une circulation d'eau (non représentée) à l'intérieur des disques. A son impact sur les disques rotatifs 3, 4, 5, 6, le jet 1 est divisé en gouttelettes qui sous l'effet de la force centrifuge sont étirées sous forme de fibres. Chaque gouttelette arrivant sur un disque se divise en deux, une moitié restant collée au disque et l'autre moitié étant éjectée en étirant une fibre entre ces deux moitiés. Dans la réalisation connue, on constate que la température des gouttelettes de masse fondue diminue de façon significative entre le premier disque 3 et le dernier disque 6, de sorte que les gouttelettes formées sur le dernier disque 6 sont beaucoup moins étirées que sur les disques 5 et 4. Ainsi les fibres obtenues contiennent une forte proportion de "perles" c' est-à-dire de gouttelettes solides non transformées en fibres. Dans la réalisation selon la figure 2, le disque en acier 3a comprend une couche extérieure formée par des éléments 7, 8 en matière céramique constituant ensemble un anneau. Cette matière céramique est choisie dans le groupe comprenant le carbure de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium et d'aluminium et le titanate d'aluminium. Parmi les céramiques ci-dessus, les unes sont plus denses que les autres et présentent une résistance mécanique plus importante. Cependant elles sont plus sensibles aux chocs mécaniques. Le meilleur compromis est donc constitué par les céramiques ayant une densité de valeur intermédiaire et une résistance au choc thermique suffisante. La résistance aux chocs thermiques est en effet une propriété essentielle, notamment lors du démarrage du procédé lorsque les disques sont froids et entrent brusquement en ccntact avec la masse fondue portee à 18000K. Cette rési.C ance aux chocs thermiques dépend de la conductibilité thermique du matériau. Celle-ci est excellente pour les métaux, acceptable pour les céramiques à base de carbures et faible pour celles à base de nitrures. Cette résistance aux chocs thermiques est conditionnée également par une faible dilatation thermique. Celle-ci est très faible dans le cas des céramiques à base de nitrures et de carbures. L'anneau en céramique présente une conductibilité thermique nettement plus faible que celle de l'acier, de sorte que les gouttelettes de masse fondue ne sont pratiquement plus refroidies entre le premier et le dernier disque. L'écart de température n'est plus que de 50"C environ. Ainsi, les gouttelettes arrivant sur le dernier disque sont transformées en fibres dans les mêmes conditions que celles arrivant sur le premier disque. La demanderesse a observé que la surface de la matière céramique qui compose les éléments 7 et 8 n'était pas attaquée chimiquement par les gouttelettes de masse fondue et que celles-ci mouillaient cette surface au moins aussi bien que la surface extérieure des disques en acier de l'art antérieur. Cette dernière propriété est inattendue, et est essentielle pour la transformation des gouttelettes en fibres, Par ailleurs, les éléments 7, 8 en céramique résistent aux hautes températures (1600 à 18000K) de la masse fondue et à la très forte force centrifuge. Dans la réalisation de la figure 2, les éléments en céramique 7, 8 sont fixés au disque en acier 3a par des tenons 7a, 8a faisant partie de ces éléments, engagés dans des mortaises 7b, 8b ménagées à la périphérie du disque en acier 3a. Un certain jeu i est pratiqué entre les éléments 7, 8 et la surface extérieure du disque 3a Ce jeu i est suffisant pour rendre l'anneau formé par les éléments juxtaposés 7, 8 insensible aux contraintes dues aux dilatations thermiques. En effet, étant donné que les coefficients de dilatation thermique du disque en acier 3a et celui des éléments 7, 8 sont différents et que ceux-ci sont soumis à des températures différentes, ces éléments se fissurent et éclatent en l'absence du jeu i et du jeu compris entre les différents éléments. Le jeu i est avantageusement comblé par une matière compressible et thermiquement isolante telle que des fibres de céramique. La longueur des éléments 7, 8 mesurée suivant la circonférence du disque 3a est par exemple de l'ordre de 10 à 20 mm, tandis que leur dimension mesurée dans la direction radiale est de l'ordre de 5 à 10 mm. Le jeu i compris entre les éléments 7, 8 et le disque 3a et celui compris entre les éléments adjacents dans la direction circonférentielle est de l'ordre de quelques dixièmes de mm. Dans la réalisation de la figure 3, l'anneau en matière céramique entourant le disque en acier 3b est composé d'éléments 9, 10, 11. Comme dans le cas de la figure 2, les éléments 9, 10, 11 sont séparés de la surface extérieure du disque 3b par un jeu i1 de quelques dixièmes de mm qui peut être comblé par des fibres minérales. Ce jeu j1 est déterminé par des protubérances 12 faisant saillie à la surface extérieure du disque 3b. Les éléments en céramique 9, 10, 11 sont en contact les uns avec les autres par des surfaces 9a, 10a, lia formant un certain angle a avec la direction radiale. Par ailleurs, les éléments 9, 10, 11 sont fixés au disque 3b par des barres 13, 14 traversant ces éléments puis repliées et fixées contre les faces latérales du disque 3a par sciage, vissage, rivetage ou analogue. Dans la réalisation de la figure 4, les éléments 15, 16, 17 sont des tubes en céramique disposés en contact les uns avec les autres et avec la surface extérieure du disque en acIer 3c par des génératrices parallèles à l'axe de rotation de ce dernier. Ces éléments tubulaires 15, 16, 17 sont fixés au disque 3c par des barres métalliques 18, 19, 20 qui traversent ces éléments et qui sont fixés aux faces latérales du disque. Le fait que les éléments tubulaires 15, 16, 17 soient en contact avec la surface extérieure du disque 3c seulement par des génératrices permet de limiter les échanges thermiques entre ce disque 3c et les éléments en céramique. Dans tous les exemples de réalisation que l'on vient de décrire, la chute de température entre le premier et le dernier disque du dispositif selon l'invention ntatteint pas 50"C, de sorte que les gouttelettes formées à la surface de ces disques sont toutes étirées en fibres minérales dans des conditions optimales. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation que l'on vient de décrire et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi la forme et la disposition des éléments en céramique autour des disques métalliques 3a, 3b, 3c peuvent être différentes de celles décrites pourvu que- celles-ci les rendent insensibles aux contraintes thermiques engendrées lors du fonctionnement du dispositif selon l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la fabrication de fibres à partir d'une masse minérale fondue (2), dans lequel on coule un jet (1) de cette masse fondue sur la surface extérieure d'une série de disques métalliques (3,4,5,6) tournant à grande vitesse autour d'un axe perpendiculaire à la direction du jet, caractérisé en ce que la surface extérieure de ces disques (3,4,5,6) comprend une couche d'une matière (7,8; 9,10,11; 15,16,17) présentant une conductibilité thermique suffisamment faible pour que la température de la masse fondue (2) soit maintenue sensiblement inchangée entre le premier (3) et le dernier disque (6), cette matière résistant à la température de la masse fondue et à l'attaque chimique de celle-ci et cette matière étant mouillée par cette masse fondue au moins comme le métal des disques (3,4,5,6). 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la matière de ladite couche est choisie dans le groupe comprenant le carbure de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium et d'aluminium et le titanate d'aluminium et autres métaux des groupes IIA, IIIA, IVA et IVB de la classification périodique des éléments. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que la couche est composée d'éléments (7,8; 9,10,11) formant ensemble un anneau, des moyens étant prévus pour maintenir entre ces éléments et entre ceux-ci et la surface extérieure des disques métalliques (3a, 3b), un jeu (j j1) suffisant pour rendre l'anneau formé par les éléments insensible aux contraintes dues à la dilatation thermique. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce que le jeu (j, j1) compris entre les éléments (7,8; 9,10,11) t la surface extérieure des disques métalliques (3a, 3b) est rempli d'une matière réfractaire, compressible et thermiquement isolante.