Brevet FR2617157A1 — publié le 19881230

L'invention concerne des composants réfrac- taires utilisés dans la coulée de métaux et, en particulier, des revêtements thermiques isolants servant à protéger les composants réfractaires et d'en rehausser les performances en prolongeant leur temps de service. Le revêtement isolant selon l'invention convient parfaitement pour emploi sur divers corps réfrac- taires tels que des busettes de coulée immergée, des tubes de protection de jet pour les transferts poche-répartiteur de coulée desservant les tubes de protection ou des arti- cles analogues qu'on emploie dans la coulée continue de métaux, tels que l'acier. Jusqu'à présent, pour protéger les busettes immergées, les tubes de protection ou autres, du choc thermique qu'ils subissent lors du démarrage d'une opération de coulée continue, il était courant de traiter les busettes d'une façon quelconque pour réduire le choc thermique causé par leur mise en route à froid. Fréquem- ment, on préchauffait la busette avant la coulée. Un autre expédient de protection du choc thermique lors du démarrage à froid est l'application d'une protection iso- lante en feuille ou nappe imprégnée de fibres céramiques sur l'extérieur de la busette de coulée. Bien qu'ayant une bonne efficacité pour minimiser le choc thermique et les problèmes afférents à la fissuration, cette nappe isolante est onéreuse en raison de la coupe, du nappage et de sa fixation nécessaires pour ajuster correctement la feuille 2 6 1 7 1 5 7 isolante autour de la surface extérieure de la busette réfractaire. Bien entendu, le revêtement de papier n'est pas appliquée dans les cavités intérieures de la busette. Outre, les problèmes de choc thermique, les busettes de la technique antérieure qu'on uti- lise dans des opérations de coulée continue sont égale- ment sujets au pontage ou au figeage du métal entre la bu- sette immergée et les parois adjacentes du moule de coulée continue refroidi à l'eau. Les opérations précitées de préchauffage ou nappage avec du papier isolant ont ten- dance à réduire au minimum un tel pontage nuisible mais tous les problèmes sont loin d'être résolus. Par exemple, dans le cas d'une busette isolée enveloppée, il se produit une accumulation interne de métal figé du fait que l'inté- rieur de labusette ne possède aucune protection isolante. La présente invention résout un grand nombre des problèmes qui prennent du temps et sont onéreux, problèmes que l'on rencontrait jusqu'à présent dans la préparation et l'emploi de busette immergée et de composants analogues utilisés dans des opérations de coulée continue de l'acier. La présente invention fournit un revêtement iso- lant pour des busettes de coulée de ce type et des dis- positifs analogues, qu i permet d'éliminer la nécessité de préchauffer labusette. Le revêtement selon la présente invention empêche des chocs thermiques indésirables dans le corps de labusette pendant la mise en route et aussi supprime le pontage ou figeage indésirable entre la bu- sette etle moule pendant la coulée. Le revêtement isolant selon l'invention couvre également la face intérieureou cachée de labusette pour assurer une isolation dans celui-ci, ce qui empêche une accumulation indésirable de métal figé dans le corps de busette pendant la coulée. Brièvement, la présente invention fournit un revêtement thermique isolant pour un corps réfractaire exposé aux métaux en fusion, tel que des busettes immer- gées de coulée qu'on emploie dans la coulée continue de l'acier. De préférence, le revêtement isolant est appli- qué aussi bien sur les surfaces extérieures que les sur- fares intérieures du corps réfractaire sous forme d'un mélange défloculé, de préférence par immersion. La composition préférée du revêtement enbarbotine selon l'invention com- prend essentiellement: Ingrédient % en poids Grains de silice fondue 30 à 85% Fibres de matière céramique 0 à 10% Eau 15 à 30% 1-5 Liant 0 à 7% Fritte 0 à 40% On peut modifier le coefficient de dilatation thermique du revêtement pour simuler celui du substrat réfractaire en remplaçantiles grains de silice fondue dans la composition défloculée préférée ci-dessus, par une ou plusieurs matières céramiques. Les matières cérami- ques appropriées de remplacement sont notamment la poudre d'alumine, la poudre de zircone, la poudre de mullite et les billes d'alumine. Dans une forme préférée de l'invention, on enduit par immersion une busette de coulée continue ou un composant analogue en un matériau réfractaire classique tel que l'alumine-graphite avec ladite composition de mélan- ge réfractaire contenant de la silice fondue défloculée, pen- dant un temps déterminé se situant entre environ 5 et60secondes. Depréfé- rence, le coros réfractaireestsoumis à uneglaçureetpeut être à la tem- pérature ambiante ou préchauffé à une température d'en- viron 70 à -120 C avant l'immersion pour obtenir une épais- seur de revêtement isolant comprise entre environ 1 et 6 mm. Une épaisseur préférée du revêtement est d'environ 3 mm. Après une durée appropriée de séchage, le corps réfractaire revêtu est prêt à servir. Le revêtement pré- sente une surface relativement dure à l'état séché et résiste bien au maniement grossier qui est de règle à l'atelier. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION On prépare un mélange défloculé de la composition de revêtement isolant en formant d'abord une barbotine céramique, consistant de préférence en une partie pré- pondérante (30 à 85% en poids) de qrains de silice fon-- due (SiOn) plus 15 à 30% d'eau en poids. Les grains de silice fondue, qu'on obtient de préférence par un procédé d'atomisation, sont dans un état pulvérulent fin ayant une granulométrie de préférence inférieure à 145 microns. Les particules de SiO2 sont entièrement défloculées dansla barbotine avant la préparation de la composition du mélange. La fine granulométrie de la poudre de silice fondue assure une réaction très rapide permettant d'obtenir la défloculation rapide désirée dans la barbotine. La masse volumique ap- parente (MVA) de la barbotine doit être réglée dans l'in- tervalle d'environ 1,700 à 2,000 g/cm. De préférence, il convient de régler la viscosité dans l'intervalle de 0,3 à 0,5 Pa/s, en utilisant un viscosimètre Brookfield de modèle LV comportant une broche n l qui tourne à 12 t/min. On peut substituer en totalité ou en partie d'autres matières céramiques pour diluer ou remplacer la silice fondue; les matières ainsi utilisables sont notamment: la poudre d'alumine, la poudre de zircon.e, la poudre de mullite et les bulles d'alumine. La silice fondue présen- te des coefficients très faibles de dilatation thermique et de conductivité thermique,et constitue ainsi un maté- riau de premier ordre dans la plupart des applications de revêtement. Cependant, dans certaines applications, il peut être souhaitable d'augmenter le coefficient de dilatation thermique du revêtement ou d'autres propriétés pour une concordance encore plus proche avec le corps réfractaire-substrat. Dans de tels cas, les poudres cé- ramiques de dilution qui ont été citées peuvent être uti- lisées dans le mélange défloculé d'une façon bien connue des spécialistes. La composition de revêtement selon l'inven- tion contient aussi de préférence une addition allant jusqu'à 10% en poids de fibres céramiques qu'on incorpore dans le mélange en suspension. Une fibre céramique préférée qu'on peut utiliser est une fibre alumine- silice disponible dans le commerce et relativement bon marché, présentant un diamètre typique de 1 à 5 vm et une longueur d'environ 1 à 10 mm. La composition chimique, la dimension et/ou le type spécifique des fibres céramiques ne sont pas eux- mêmes considérés comme critiques aux fins de l'invention7 mais la présence de fibres céramiques est importante pour augmenter la résistance à l'état brut du revêtement. D'autres matières qu'on peut utiliser en remplacement des fibres céramiques alumine-silice sont par exemple les fibres de zircone, les fibres de titane, les fibres de carbure silicium, etles fibres d'alumine. Les billes allégées d'alumine et les billes allégées de zircone qu'on trouve dans le commerce sont également des produits de remplacement efficaces pour les fibres céra- miques et non seulement confèrent un supplément de résis- tance au revêtement brut, mais améliorent également les caractéristiques d'isolement thermique du revêtement en raison des espaces d'air emprisonné dans leurs coquilles creuses. Comme il a été indiqué plus haut, on prépare lemélange défloculé en incorporant la poudre de silice fondue fine a ve c l'eau pour assurer une défloculation complète, ou la dispersion de la barbotine. On ajoute ensuite les fibres céramiques. On obtient de bons résultats en utili- sant un mélangeur à pales tel qu'un mélangeur Zyklos. On ajoute aussi de préférence des liants en une quanti- té allant jusqu'à 7% en poids environ. On peut utiliser des liants tels que le sodium hexaméthaphosphate, le silicate de sodium ou des résines acryliques pour conférer une rigidité, c'est-à-dire dureté et résilience, au revêtement. Si l'on incorpore trop de liant dans la composition du revêtement, oil observe une baisse indési- rable du caractère réfractaire du produit. La composition défloculée contient aussi de préférence une fritte génératrice de verre dont le but est de conférer une certaine pyroplasticité au revête- ment pendant l'utilisation à haute température. Les frit- tes sont bien connues,et ce sont des mélanges d'oxydes ayant des phases vitreuses qui subissent un ramollis- sement dans des intervalles spécifiques de températures et qui servent à combler les éventuelles fissures de re- trait pouvant apparaître dans le revêtement par suite du frittage à mesure qu'augmente la température.. Après application du revêtement iso- lant àla surface du corps réfractaire et après séchage, on peut manier de façon normale le produit réfractaire revêtu sans endommager le revêtement. A l'état séché, une composition préférée du revêtement comprend essentiel- lement: Ingrédient % en poids silice vitreuse* environ 45 à 100 fibres céramiques 0 à environ 10 liant 0 à environ 7 frittes 0 à environ 40 * comme précédemment stipulé, la silice fondue peut aussi être partiellement remplacée par l'alumine, la.zircone et/ou la mullite. Les exemples suivants, dans lesquels toutes les proportions sont en poids, servent à illustrer l'in- vention sans aucunement en limiter la portée! Exemple 1 Cinq tubes de protection de jet en réfrac- taire alumine-graphite du type qu'on emploie dans la coulée continue d'acier sont plongés dans une suspension ayant la composition suivante enpoids: 72%degrainsdesilice vitreuse d'une granulométrie inférieure à 145 microns, 5% de fibres céramiques d'alumine-siliue et 23% d'eau. On déposera au préalable sur les tubes une glaçure conventionnelle antioxydante et ensuite on préchauffe ces tubes à une température comprise dans un écart de 70 à 120 C. Le tableau ci-dessous montre l'effet dela tem.pérature de préchauffage en fonction du temps d'im- mersion sur l'épaisseur du revêtement. Tableau - Epaisseur du revêtement temps d'immersion (s): 10 20 30 température des tubes C 2,0 mm 2,5 à 3,5 mm 4,0 à 5,0 mm 600 C non mesurable - 1,0 mm 2,0 mm Les données de ce tableau indiquent qu'une plus haute température du tube ou une plus longue durée. d'immersion se traduit par une plus grande épaisseur de revêtement. Par les essais, on constate que l'épaisseur du revêtement doit être de préférence comprise entre en- viron 1 et 6 mm pour.pouvoir empêcher efficacement les chocs thermiques et/ou le pontage entre le tube et les parois latérales du moule. L'épaisseur du revêtement est de préférence d'environ 3 mm,et on voit sur le tableau ci-dessus qu'on l'obtient quand le tube est à une tempé- rature de préchauffage d'environ 100 C etestplongédanslemélan- gedéfloculépendant environ 20 secondes. L'épaisseur du revêtement est également déterminée par la viscosité et par la teneur en eau du mélange en suspension, une plus grande épaisseur étant obtenue avec une plus forte viscosité, le temps et la température étant constants. L'immersion - d'un tube à température ambiante est également possible et est l'un des procédés préférés de l'invention. Bien entendu, les spécialistes comprendront qu'on peut utiliser des procédés autres que l'immersion pour appliquer un revêtement en suspension aqueuse sur une pièce réfractaire. Parmi les autres procédés possibles, on peut indiquer la pulvérisation, l'application au pinceau ou la coulée de la composition. Le procédé par immersion pour appliquer le mélange isolant convient particulièrement bien pour revêtir des tubes réfractaires tels que des busettes im- mergées de coulée, étant donné que les surfaces inté- l0 rieures des tubes peuvent être revêtues en même temps que l'extérieur quand la pièce est plongée dans la composition. Quand il est appliqué sur les faces intérieures, le revêtement assure une couche isolante efficace pendant la mise en route à froid ce qui empêche le figeage du métal sur les parois du tube et les limitations qui en résultent du débit d'écoulement. Exemple 2 On soumet à une glaçure anti-oxydante vingt-quatre busettes réfractaires en graphite d'alu- mine et ensuite on les revêt par immersion dans un mélange défloculé préparé avec la même composi- tion que dans l'exemple 1. Le revêtement présente 3 mm d'épaisseur et, après séchage, comprend essentiellement environ 93% en poids de silice fondue et 7% en poids de fibres cérami- ques alumine-silice.Onrevêt aussi bien les surfaces ex- térieures que les surfaces intérieures des busettes. On teste les vingtquatre busettes dans une aciérie o le figeage ou pontage de l'acier entre le tube de coulée et le moule continu refroidi à l'eau est un problème fré- quent. Les essais de coulée avec les vingt-quatre busettes ne font apparaître aucun figeage ni pontage dans l'une quelconque des busettes testées selonl'invention. Exemple 3 On revêt par immersion quatorze autres busettes immergées en réfractaire alumine-graphite, aussi bien sur l'intérieur que sur l'extérieur en utilisant la même composition de revêtement que dans les exemples 1 et 2. On teste les épouvettes pour observer l'effet du démarrage à froid sur une busette de coulée continue. Normalement, ces busettes réfractairessontpréchauf- fées à une température de 1000 à 2000 C pour empêcher les endommagements par choc thermique (fissuration). On soumet chacun des quatorze busettes revêtues àun démar- rage à froid (sans préchauffage) de coulée et tous sur- vivent sans aucun signe d'endommagement par choc thermique. En outre, on ne constate aucune accumulation visible de métal figé sur les faces internes de l'une quelconque des quatorze pièces d'essais. On ne constate aucune oxydation du carbone à la surface des pièces d'essais en alumine- graphite, ce qui confirme encore une fois les avantages du revêtement selon la présente inven- tion. Alors qu'on a décrit quelques modes de réa- lisation particuliers, ilva de soi qu'on peut apporter diverses modifications aux exemples présentés, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Composition de revêtement pour corps réfractaires du type utilisé dans la coulée des métaux en fusion, caractérisée en ce qu'elle comprend une suspen- sionaqueuse contenant environ 30 à 85% en poids d'un constituant finement divisé choisi parmi les grains de silice fondue, la poudre d'alumine, la poudre de zircone, la poudre de mullite et les bulles d'alumine; 0à environ 10% en poids d'une charge céramique choisie parmi les fibres d'alumine-silice, les fibres de zircone, les fibres de bioxyde de titane, les fibres de chrome-alumine, les bulles d'alumine et les bulles de zircone; environ à 30% en poids d'eau; 0 à environ 7% en poids d'un liant choisi parmi le sodium hexaméthaphosphate, le silicate de sodium et les résines acryliques, et 0 à environ 40% en poids d'une fritte génératrice de verre. 2. Composition de revêtement selon la re- vendication 1, caractérisée en ce qu'elle contient, en poids environ 70% de grains de silice fondue, environ 5% de fibres céramiques en aluminesilice et environ 25% d'eau. 3. Procédé de revêtement d'un corps réfrac- taire du type qui vient en contact avec un métal en fusion, caractérisé en ce qu'on prépare une suspension consistant essentiellement en ingrédients suivants, en poids: grains de silice vitreuse 30 à 85% fibres céramiques 0 à 10% liants 0 à 7%, frittes 0 à 40% eau f5 à 30%; on applique le mélange isolant au corps réfractaire pour former un revêtement sur celui-ci; et on sèche le revêtement déposé. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on applique sur le corps réfrac- taire une glaçure d'anti-oxydation avant l'applica- tion ducit revêtement en suspension. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le corps réfractaire est à la tem- pérature ambiante avant l'application dudit revêtement en suspension et en ce que ledit stade d'application consis- te à immerger le corps réfractaire dans le mélange défloculé pen- dant une durée réglée pour obtenir ainsi un revêtement ayant une épaisseur prédéterminée. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement est comprise entre 1 et 6 mm. 7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on préchauffe le corps réfractaire à une température prédéterminée avant le stade d'ap- plication, et en ce que le stade d'application consiste à immerger ledit corps réfractaire pré-chauffé dans le mélange défloculé pendant une période réglée pour obtenir ainsi un revêtement ayant une épaisseur prédéterminée. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement est comprise entre 1 et 6 mm. 9. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que les grains de silice vitreuse sont sous forme d'une poudre d' une granulométrie inférieure à 145 microns et on les dé- flocule dans l'eau pour former une barbotine déramique avant le stade de préparation de ladite suspension. 10. Procédé selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que la silice vitreuse de la suspension est remplacée en totalité ou en partie par une ou plusieurs matières céramiques qui sont la poudre d'alumine, la poudre de zircone, la poudre de mullite et/ou les bulles d'alumine. 11. Article pour utilisation dans la coulée de métaux fondus et similaires comprenant un corps ré- fractaire en matière céramique portant un revêtement iso- lant sur une ou plusieurs surfaces, caractérisé en ce qu'à l'état sec, ledit revêtement comprend essentiel- lement, en poids, environ 45 à 100% de silice fondue, 0 à 10% de fibres céramiques, 0 à 7% d'un liant et 0 à 40% d'une fritte. 12. Article selon la revendication 11, caractérisé en ce que le corps réfractaire est une busette de coulée et ledit revêtement isolant est présent sur les surfaces extérieures et intérieures de ladite busette de coulée. 13. Article selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement est de 1 à 6 mm environ. 14. Article selon la revendication 11, caractérisé en ce que le corps céramique est une busette en alumine - graphite pour utilisation dans la coulée continue de l'acier. 15. Article selon la revendication 11, caractérisé en ce que le corps céramique comprend éga- lement une surface glaisée anti-oxydante en contact avec ledit revêtement isolant. 16. Article selon l'une quelconque des reven- dications 12 à 15, caractérisé en ce que le revêtement présente environ 3 mm d'épaisseur. 17. Article selon l'une quelconque des reven- dications 11 à 16, caractérisé en ce que la portion de silice vitreuse du revêtement isolant comporte, en rempla- cement partiel ou total, une ou plusieurs matières céra- miques qui sont l'alumine, la zircone et la mullite.