Brevet FR2641475A1 — publié le 19900713

FILTRE CERAMIQUE POUR LA FILTRATION DE METAUX EN FUSION La présente invention se rapporte à un filtre céramique pour la filtration de métaux en fusion présentant une struc- ture alvéolaire à cellules ouvertes à base de céramique à point de fusion élevé, comportant deux surfaces de traversée qui se font face en s'étendant transversalement à la direc- tion d'écoulement du métal en fusion et au moins une surface latérale s'étendant sensiblement dans la direction d'écoule- ment, et dans lequel: un matériau alvéolaire organique est imprégné d'une suspension de céramique à viscosité élevée, après séchage, le matériau mousse est éliminé par chauffage et le matériau céramique restant est cuit ou calciné.et, le cas échéant, est prévu un traitement de surface ultérieur avec un matériau réfractaire, apres le séchage. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication de tels filtres, dans lequel une mousse ou un produit alvéolaire organique présentant les dimensions du filtre à réaliser est imprégnée d'une suspension à haute viscosité en matériau céramique à point de fusion élevé, est séchée, est chauffée pour éliminer la mousse organique et est calcinée, et subit, le cas échéant, un traitement de surface ultérieur avec un matériau présentant des propriétés réfractaires. De tels filtres céramiques sont connus depuis longtemps et sont utilisés avec succès en fonderie, afin d'éliminer des pièces moulées en cours d'élaboration, des impuretés telles que des scories, du sable et des matériaux réfractaires. Les filtres céramiques à structure alvéolaire à cellu- les ouvertes sont habituellement préparés par imprégnation de mousse ou matière alvéolaire organique, proche de la mousse polyuréthane, par une suspension céramique à basse viscosité ou par imprégnation par une suspension à haute viscosité et pressurage de l'excès de suspension entre des cylindres de laminage. En utilisant une suspension à basse viscosité, on obtient une répartition régulière du matériau céramique sur la mousse. En utilisant une suspension à haute viscosité, il peut se produire, selon le durcissement au refoulement de la mousse, et selon le réglage des cylindres de laminage et la rhéologie de la suspension, des entassements de la masse en suspension à l'intérieur ou sur les faces parallèles à la direction de transport par les cylindres de laminage. Afin de garantir l'effet de filtration, le filtre doit présenter une fiabilité élevée en ce qui concerne ses pro- priétés thermiques et mécaniques à l'égard du métal liquide. Dans les filtres connus, il se produit toujours -en fonction de la chargepour une partie bien déterminée en pourcentage, des ruptures et une érosion de la céramique dans le métal liquide. Ceci se produit en particulier dans la zone des surfaces latérales qui s'étend sensiblement dans la direction d'écoulement du métal en fusion, également lorsqu'il se trouve dans cette zone un entassement considérable de maté- riau par suite du laminage correspondant, ainsi que sur les parois creuses, ouvertes vers l'extérieur, de la structure alvéolaire. Ces dernières se forment de telle façon qu'au cours de l'imprégnation du matériau alvéolaire, une partie de la suspension est à nouveau enlevée au cours du transport de la mousse imprégnée et qu'à la cuisson du matériau alvéo- laire, la pression de vapeur qui s'y forme provoque, sur les fonds de cellules exposées à l'extérieur, des ouvertures plus ou moins en forme de fentes. On connaît de WO 82/03339 un filtre céramique à struc- ture alvéolaire à cellules ouvertes réalisé à base de cérami- que à point de fusion élevé, qui est réalisé par imprégnation d'un matériau alvéolaire organique par une suspension céra- mique à haute viscosité, par séchage, par chauffage pour éliminer le matériau alvéolaire et cuisson. La suspension en excès est éliminée après l'imprégnation du matériau alvéo- laire, celui-ci étant guidé par un système de paire de cylindres de laminage. En outre, on peut protéger de la rupture les parois de cellules exposées vers l'extérieur, auquel cas le matériau alvéolaire séché et imprégné est soumis en plus, en surface, à une imprégnation supplémentaire par une suspension céramique. On augmente ainsi simultanément la résistance du filtre à la température. Cette imprégnation ultérieure présente cependant des inconvénients, d'une part du fait que ce ne sont pas seulement les fonds des cellules exposées vers l'extérieur, mais aussi les zones du filtre situées en-dessous qui reçoivent une couche de suspension supplémentaire, ce qui réduit défavorablement la perméabilité du filtre et qui, d'autre part, ne conduit pas à une résis- tance suffisante pour les divers cas d'utilisation, en particulier pour des hauteurs de chute importantes du métal en fusion, ce qui fait qu'il se produit relativement souvent des ruptures et de l'érosion. Le but de l'invention est, en conséquence, de proposer un filtre céramique qui présente une stabilité mécanique et thermique augmentée à l'égard des métaux en fusion et des 0O bains de fusion métalliques. A cet effet, selon l'invention, la ou les surface(s) latérales sont munies dans la direction circonférentielle, toutes ensembles, d'une couche fermée en matériau réfractaire présentant une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm. Les parois libres des cellules de la structure alvéolaire sont bloquées sur les surfaces de traversée par un revêtement en matériau réfractaire qui est déposé sur une épaisseur compri- se entre 0,1 et 1 mm. La couche et/ou le revêtement en matériau réfractaire est fabriqué à partir de la suspension de céramique utilisée pour l'imprégnation. Le procédé de réalisation du filtre céramique selon l'invention est caractérisé en ce que, dans la zone de la ou les surface(s) latérale(s) d'entourage du matériau alvéo- laire, on introduit suffisamment de matériau à propriétés réfractaires dans le matériau alvéolaire pour que l'on obtienne dans cette zone, sur toute la longueur dans la direction circonférentielle, une couche fermée présentant une profondeur comprise entre 0,5 et 3 mm. Selon un autre mode de réalisation, un traitement ultérieur est réalisé sous la forme d'un revêtement des parois libres des cellules sur les surfaces de traversée de la structure alvéolaire avec un matériau présentant des propriétés réfractaires. Le revêtement des parois libres des cellules est avantageusement réalisé sur une épaisseur de 0,1 à 1 mm et avec une masse de revêtement comprise entre 40 et 400 mg/cm2. Selon un autre mode de réalisation, on comprime la mousse organique après l'imprégnation à l'aide d'un tampon qui présente la même surface de base que la mousse, puis on laisse la mousse se détendre. La mousse organique imprégnée peut être guidée par une paire de bandes qui s'ouvrent, pour exprimer la suspension en excès. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, le nombre de pores de la mousse organique sur la ou les surface(s) latérale(s) d'entourage est réduit de telle façon qu'il s'y forme par imprégnation la couche de suspen- sion fermée. Le nombre de pores est réduit par collage de matériau alvéolaire à plus faible nombre de pores correspon- dant à l'épaisseur de couche de la couche de suspension fermée. Le nombre de pores peut être réduit par apport d'un filet ou réseau de fines fibres de colle sur la ou les surface(s) latérale(s) d'entourage. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, la mousse imprégnée, séchée et non cuite est guidée par ses faces latérales à l'aide d'au moins deux cylindres de laminage placés en position verticale, et la suspension à haute viscosité est appliquée et pressée dans la mousse à la profondeur prévue. Après cuisson, le filtre est guidé par ses surfaces latérales à l'aide d'au moins deux cylindres de laminage placés en position verticale qui appliquent un moyen durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires et qui le presse dans le filtre à.la profondeur prévue. Selon un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, la mousse imprégnée, séchée et non cuite est guidée par deux cylindres de laminage placés en position verticale qui recouvre les parois libres des cellules d'une suspension à haute viscosité. Apres cuisson, le filtre est guidé par deux cylindres de laminage placés en position verticale et les parois libres des cellules sont revêtues d'un moyen durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires. On obtient ainsi que le filtre, dans la zone des surfaces latérales d'entourage présente un cadre fermé. En particulier, les parois libres sur les surfaces de traversée sont bloquées par un revêtement qui ne gêne pas la porosité du filtre. Dans la zone des surfaces latérales d'entourage (dans le cas d'un filtre à surface de base ronde ou ovale, il n'est prévu qu'une seule surface latérale d'entourage) du matériau alvéolaire de la mousse prévue dans les dimensions du filtre à réaliser, on introduit dans le matériau alvéolaire une quantité suffisante de matériau présentant des propriétés réfractaires qu'il se forme, dans cette zone, sur toute sa longueur dans la direction circonférentielle, une couche fermée présentant une épaisseur de 0,5 à 3 mm et l'on prévoit un traitement ultérieur sous la forme d'un revêtement des parois libres des cellules sur les surfaces de traversée de la structure alvéolaire avec un matériau présentant des propriétés réfractaires. La couche fermée sur les surfaces latérales, de même que le revêtement des parois libres des cellules, est réa- lisée de préférence par la suspension céramique utilisée pour imprégner. Les matériaux utilisés à cette fin sont connus en eux-mêmes. Il s'agit par exemple de substances présentant, comme élément principal, de l'A1 203 ou un autre matériau hau- tement réfractaire, en particulier à forte teneur en argile, tel que la sillimanite, la mullite ou l'argile réfractaire. La viscosité des suspensions utilisées est située avanta- geusement dans la zone comprise entre 104 et 2.104 cps à 20 tr/min. Le cas échéant,-on peut utiliser, à la place de la suspension utilisée pour l'imprégnation et la fabrication de la couche et/ou du revêtement fermé des parois libres des cellules, également une autre suspension en matériau réfrac- taire ou un moyen durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires, tel que par exemple le verre solu- ble, un sol de silice, de la résine, du phosphate d'aluminium, de l'oxychlorure de zirconium, du silicate d'éthyle. D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaî- tront à la lecture de la description d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé o: - la figure 1 représente une couche schématique par- tielle et à plus grande échelle d'un filtre céramique avant cuisson; - les fig. 2a et 2b représentent un mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'une couche d'enveloppe fermée; - les fig. 3 et 4 représentent deux modes de réalisa- tion d'un procédé de fabrication de deux couches fermées opposées; - la figure 5 représente un dispositif d'essai pour filtre céramique. On a représenté en coupe sur la figure 1 un filtre brut avant cuisson, dans lequel une armature ou cadre en matériau alvéolaire 1, en matière organique telle que de la mousse de polyuréthane ou similaire, qui est par exemple de forme carrée avec quatre surfaces latérales de délimitation et d'entourage 2 et deux surfaces de traversée 3 parallèles et opposées, est tout d'abord imprégné d'une suspension cérami- que à haute viscosité 4. Comme on l'expliquera en détail par la suite, on réalise sur toutes les surfaces latérales 2 une couche fermée 5 présentant une profondeur de 0,5 à 3 mm, en matériau réfractaire, en particulier en une suspension utilisée également pour l'imprégnation. En outre, les parois libres 6 des cellules sont munies, sur les surfaces de traversée 3, d'un revêtement 7 en matériau réfractaire, en particulier en une suspension utilisée également pour l'im- prégnation. Après la calcination ou cuisson, l'armature en matériau alvéolaire est soumise à une cuisson à coeur et la suspension est fixée. Afin d'obtenir une couche fermée continue 5 dans la zone des surfaces latérales 2, d'après les figures 2a et 2b, on peut presser l'armature en matériau alvéolaire 1 imbibée de la suspension, à l'aide d'un tampon 8 qui présente la même surface de base que l'armature en matériau alvéolaire 1, jusqu'à ce que la suspension en excès se répartisse dans la zone des surfaces latérales 2 et se rassemble partiellement sur la face extérieure sous la forme d'un bourrelet, comme représenté à la figure 2a. Par détente de l'armature en matériau alvéolaire 1, à la suite de la levée du tampon 8, il se forme une armature constituée de la suspension et fermée de tous côtés, car le bourrelet de l'excès de matériau en suspension se répartit sur les surfaces latérales 2 par détente, de façon régulière sur ces surfaces latérales 2. Ensuite, la mousse imprégnée est séchée et cuite et est munie du revêtement 7 soit avant, soit après la cuisson. Comme représenté à la figure 3, l'armature en matériau alvéolaire 1 peut également, après l'imprégnation par la suspension, être guidée par une paire de bandes 9 qui s'ou- vrent et entre lesquelles l'armature en matériau alvéolaire imbibé 1 est d'abord pressée, ce qui exprime latéralement l'excès de suspension vers l'extérieur et y forme un bombe- ment ou bourrelet correspondant. Par avancée supplémentaire & travers la paire de bandes 9, l'armature en matériau alvéo- laire 1 est à nouveau détendue et le bombement de la suspen- sion est réparti régulièrement sur les deux surfaces laté- rales 2 qui se font face, de telle façon qu'il se forme deux couches 5 fermées et opposées. Selon la figure 4, les couches fermées 5 sont réalisées de telle façon que les armatures en matériau alvéolaire imprégné et séché 1 soient guidées à l'aide d'un transporteur horizontal 10, à travers deux cylindres de laminage verti- caux 11, ces cylindres appliquant chacun, sur deux surfaces latérales opposées 2, du matériau réfractaire, de la suspen- sion ou un matériau durcissant à l'air correspondant et le pressant dans la structure poreuse jusqu'à la profondeur prévue. Sur la surface extérieure des cylindres de laminage, on obtient ainsi toujours de façon sûre une épaisseur de couche régulière en matériau à appliquer, à l'aide d'une raclette ou d'un atelier de laminage. Ce procédé de fabrication de la couche fermée 5 peut être réalisé à l'aval de celui de la figure 3, afin d'obte- nir, sur les quatre surfaces latérales 2, une couche fer- mée 5. On peut cependant, également, coupler l'un derrière l'autre deux dispositifs selon la figure 4 avec une station d'enroulement des structure de matériau alvéolaire 1 à 90', afin de munir les quatre surfaces latérales 2 d'une couche fermée 5. A la place de ce mode de réalisation, on peut également réaliser la couche fermée 5 de telle façon que les surfaces latérales 2 de la structure de matériau alvéolaire 1 soient munies d'une couche de matériau alvéolaire présentant un nombre de pores correspondant plus fin et qui est collée ou qui est recouverte d'un filet de fines fibres de colle. Par imprégnation avec la suspension, les pores ou les espaces intermédiaires de faible dimension restent remplis de suspen- sion dans la zone de bordure latérale d'entourage, ce qui forme une couche 5 circonférentielle et fermée. Le procédé selon la figure 4 peut également être utilisé de telle façon que les surfaces latérales 2 d'un filtre déjà soumis à la cuisson soient munies d'une couche fermée 5 en un matériau durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires. En outre, le procédé selon la figure 4 peut être utilisé afin d'introduire le revêtement 7 soit après le séchage et avant la cuisson sous la forme d'une suspension, soit après la cuisson sous la forme d'un matériau durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires. En utilisant un filtre en céramique alvéolaire pour la filtration des métaux en fusion, tels que la fonte (proche de la fonte GGL, GGG, GT NiResist), il se produit dans le système de coulée brutalement une charge thermique ou égale- ment statique du filtre dues au matériau liquide en cours de coulée. Le degré de charge thermique dépend plus ou moins de la composition et des propriétés de la suspension soumise à la cuisson et qui est utilisée pour la fabrication du filtre céramique. D'autres caractéristiques influant sur la stabilité sont constituées par les surfaces d'appui (de culée) du filtre, du fait de la forme ou de la forme propre et struc- turelle du filtre. Enfin, grâce au mode de réalisation selon l'invention, on améliore nettement, sans exercer d'influences défavorables, le débit d'écoulement du matériau liquide. De façon correspondante, on peut utiliser le filtre selon l'invention, à l'inverse de ceux fabriqués jusqu'à maintenant, pour des charges beaucoup plus importantes (hau- teur de chute et niveau de pression). Ceci peut être soumis à l'essai grâce au dispositif d'essai représenté à la figure 5. Le dispositif d'essai représenté comporte un réser- voir 12 destiné à recevoir le matériau liquide et qui est fermé du côté du fond par un bouchon 13. En-dessous du réservoir 12, se trouve un dispositif de réception de filtre comportant une portée de noyau standardisée 15 qui reçoit un filtre à essayer 16 présentant, par exemple, ces dimensions de 50 mm x 50 mm x 22 mm. Entre le réservoir 12 et le dis- positif de réception de filtre 14, se trouve un-tube de chute 17 qui est réalisé par exemple à l'aide de tronçons 17' de longueur prédéterminée et qui peut être prolongé. Les filtres à essayer 16 sont insérés dans le support de noyau 15 et, après enlèvement du bouchon 13, sont frappés d'une façon prédéterminée et par une quantité prédéterminée de fer ou de fonte qui les traverse. Les filtres céramiques fabriqués selon l'invention et de taille déterminée (pour la couche circonférentielle fermée 5, on prévoit une épaisseur de 2 mm et pour le revê- tement 7, une épaisseur de 0,5 mm), sont comparés à des filtres céramiques sensiblement identiques qui sont fabri- qués, dans tous les cas de façon courante, uniquement par imprégnation sans couche 5 et sans revêtement 7 et qui présentent la même résistance à la traversée, en utilisant le dispositif d'essai représenté à la figure 5 et, comme maté- riau, la fonte GGL. Les spectres de poids étaient sensible- ment les mêmes pour les deux genres de filtre. En outre, les deux genres de filtre étaient munis des mêmes parcours de four. Les données sont représentées dans le tableau qui suit. Fabrication Fabrication Fabrication selon Fabrication selon précédente linvention précédente 1-invention Hauteur de coulée.... 450 450450 mm 527 mm 527 m- Température de coulée, C....... 1440-1379 1440-1379 1438-1380 1438-1380 Nombre de filtres O10 essayés.......... 5 5 5 5 Nombre de filtres cassés.. ....... 3 0 4 0 Nombre de filtres intacts.......... 2 5 1 5 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de..DTD: l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 1i REVENDICATIONS 1.- Filtre céramique à structure alvéolaire à cellules ouvertes réalisé à base de céramique à point de fusion élevé pour la filtration de métaux en fusion, comportant deux surfaces de traversée opposées transversales à la direction d'écoulement du métal en fusion, et au moins une surface latérale s'étendant sensiblement dans la direction d'écoule- ment, dans lequel un matériau alvéolaire organique est imprégné d'une suspension céramique à haute viscosité, après séchage, le matériau alvéolaire est éliminé par chauffage, et le matériau céramique restant est cuit ou calciné et, le cas échéant, subit, après séchage, un traitement de surface ultérieur avec un matériau réfractaire, caractérisé en ce que la ou les surface(s) latérale(s) (2) sont munies, dans la direction circonférentielle, toutes ensembles, d'une couche fermée (5) en matériau réfractaire, présentant une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 mm. 2.- Filtre céramique selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les parois libres des cellules (6) de la structure alvéolaire sont bloquées sur les surfaces de traversée (3) par un revêtement (7) en matériau réfractaire. 3.- Filtre céramique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le revêtement (7) est déposé sur une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm. 4.- Filtre céramique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la couche (5) et/ou le revête- ment (7) en matériau réfractaire est fabriqué à partir de la suspension céramique utilisée pour l'imprégnation. 5.- Procédé de fabrication d'un filtre céramique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel une mousse organique présentant les dimensions du filtre à fabriquer est imprégnée d'une suspension à haute viscosité en matériau céramique à point de fusion élevé, est séchée pour éliminer la mousse organique et est calcinée, et subit, le cas échéant, un traitement de surface ultérieur avec un matériau présentant des propriétés réfractaires, caractérisé en ce que, dans la zone de la ou des surface(s) latérale(s) d'entourage du matériau alvéolaire, on introduit suffisamment de matériau présentant des propriétés réfractaires pour que l'on obtienne, dans cette zone, sur toute la longueur dans la direction circonférentielle, une couche fermée présentant une profondeur comprise entre 0,5 et 3 mm. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement ultérieur est réalisé sous la forme d'un revêtement des parois libres des cellules sur les surfaces de traversée de la structure alvéolaire avec un matériau présen- tant des propriétés réfractaires. 7.- Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le revêtement des parois libres des cellules est réalisé sur une épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm et avec une masse de revêtement comprise entre 40 et 400 mg par cm2. 8.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que.a mousse organique est comprimée après l'imprégnation à l'aide d'un tampon qui présente la même surface de base que la mousse, puis en ce que l'on laisse ensuite la mousse se détendre. 9.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la mousse organique imprégnée est guidée pour exprimer la suspension en excès par une paire de bandes qui s'ouvrent. 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le nombre de pores de la mousse organique sur la ou les surface(s) latérale(s) circonféren- tielle(s) est réduit de telle façon qu'il s'y forme par imprégnation la couche de suspension fermée. 11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre de pores est réduit par collage de matériau mousse à plus faible nombre de pores correspondant à l'épais- seur de couche de la couche de suspension fermée. 12.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le nombre de pores est réduit par apport d'un réseau de fines fibres de colle sur la ou les surface(s) latérale(s) circonférentielle(s). 13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la mousse imprégnée, séchée et non cuite est guidée par ses surfaces latérales à l'aide d'au moins deux cylindres de laminage en position verticale, et en ce que la suspension à haute viscosité est appliquée et pressée dans la mousse à la profondeur prévue. 14.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'après cuisson, le filtre est guidé par ses surfaces latérales à l'aide d'au moins deux cylindres de laminage en position verticale, qui appliquent un moyen durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires et le presse dans le filtre à la profondeur prévue. 15.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, caractérisé en ce que la mousse imprégnée, séchée et non soumise à cuisson, est guidée par deux cylindres de laminage placés en position verticale qui recouvrent les parois libres des cellules d'une suspension à haute visco- Sité. 16.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 15, caractérisé en ce qu'après cuisson, le filtre est guidé par deux cylindres de laminage placés en position verticale et en ce que les parois libres des cellules sont revêtues d'un moyen durcissant à l'air et présentant des propriétés réfractaires.