Brevet FR2644798A1 — publié le 19900928

L'invention a pour objet un procédé pour former un revêtement protecteur sur la surface d'un substrat métallique, ainsi qu'un article obtenu par ce procédé. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un tel article, constitué par un tube en acier dont la surface extérieure est recouverte par un revêtement protecteur, comme lance d'insufflation. Le procédé conforme à l'invention est particulierement utile en vue de la fabrication d'articles constitués par une pièce métallique dont la surface est recouverte par un revêtement protecteur, notamment un revêtement destiné à protéger cette surface contre l'oxydation ou l'attaque chimique à haute température, par exemple sous atmosphère oxydante ou au contact d'un métal en fusion. En particulier, ce procédé peut être employé dans la fabrication de lances d'insufflation céramisées, utilisées pour l'introduction de gaz et/ou de matières pulvérulentes dans les réacteurs métallurgiques, par exemple en sidérurgie, ou encore pour l'insu:flation d'oxygène à l'intérieur de fours électriques de fusion de l'acier. De telles lances sont constituées par un tube d'acier dont la surface extérieure est recouverte d'un revêtement protecteur en matière céramique. Le rôle de ce revêtement est de s'opposer à l'oxydation du tube d'acier lorsque la lance est introduite dans une enceinte enfermant une atmosphère gazeuse très oxydante à haute température, c'est-à-dire à une température supérieure à 1000 C, environ. Il est clair qu'il y a un intérêt économique considérable à éviter ou tout au moins à ralentir l'oxydation de la partie des lances d'insufflation mise en contact avec une telle atmosphère, puisqu'on réduit ainsi non seulement le nombre, et par conséquent le coQt, des lances nécessaires pour la fabrication d'une quantité donnée de produit métallurgique, mais également les frais de main-d'oeuvre encourus pour le remplacement des lances usées par de nouvelles lances. Conformément à l'état antérieur de la technique, on utilise, pour former le revêtement protecteur, des mélanges de matières céramiques et de liants minéraux ou organiques destinés non seulement à assurer la cohésion de la couche de revêtement, mais également à faire adhérer cette couche sur la surface du tube d'acier. L'expérience a toutefois montré que, même si l'on utilise des liants spécialement choisis en vue de remplir aussi bien que possible la double fonction susmentionnée, les cycles thermiques de chauffage et de refroidissement, qui sont nécessairement imposés aux lances d'insufflation au cours de leur utilisation, provoquent des fissurations du revêtement ainsi que des décollements de celui-ci de la surface du tube substrat. Ceci en raison de la différence importante entre le coefficient de dilatation thermique de l'acier et celui du revêtement céramique. I1 en résulte une diminution de la durée de vie de la lance allant à l'encontre de l'objectif économique poursuivi. L'invention a pour but de permettre l'obtention d'un revêtement protecteur, appliqué sur la surface d'un substrat métallique, qui soit apte à garder sa cohésion sans se déliter, même dans le cas où l'ensemble constitué par le substrat revêtu de ce revêtement subit un grand nombre de cycles thermiques entre la température ambiante et une température d'utilisation supérieure à 10000C. A cet effet, le procédé selon l'invention est caractérisé par le fait que l'on applique sur la surface du substrat métallique une couche de matière pâteuse,,constituée d'un mélange de matière céramique en poudre et de liant, et une structure fibreuse continue, de manière à noyer cette structure dans la couche de matière pâteuse, cette application étant suivie du durcissement de la matière pâteuse. L'invention résulte de la constatation du fait que la présence d'une structure en nappe fibreuse continue enrobée à l'intérieur du revêtement permet d'éviter la fissuration de la couche de revêtement, et son délitage. Cela, même dans le cas où le substrat métallique a un coefficient de dilatation présentant une grande différence avec celui du revêtement et où l'ensemble substrat-revêtement subit un grand, nombre de cycles thermiques entre une temperature ambiante et la température d'utilisation. Comme matiere céramique, on peut avantageusement utiliser un ciment réfractaire à liant chimique renfermant une charge minerale acide, telle que la silice, la chamotte, une charge amphotere comme l'alumine, etc., ou une charge minerale basique, telle que la magnésie, l'olivine, etc., ou un melange de ces charges. On peut cependant utiliser des ciments réfractaires autres que les ciments à liant chimique et, également, d'autres matieres céramiques telles que l'alumine. Comme liant, on peut utiliser, outre un liant chimique faisant partie de la composition d'un ciment réfractaire, d'autres sortes de liant, organiques ou minéraux, p.ex. une solution aqueuse de silicate de sodium. Avantageusement, la consistance et l'onctuosité de la matière pâteuse sont telles que cette matiere imprègne facilement et complètement la structure fibreuse lors de l'application de la couche de matière pâteuse et de cette structure sur le substrat. Comme structure fibreuse continue, on peut avantageusement utiliser une structure constituée de fils ou de fibres métalliques, minéraux ou organiques, ou encore des fibres de carbone, ces fils ou fibres étant entrecroisés et liés ensemble sous forme de mailles. Par exemple, il peut s t agir d'un tissu ou filet, présentant des fils ou fibres de chaine et des fils ou fibres de trame entrecroisés en formant des mailles carrées. On pourrait, cependant, également utiliser toute autre sorte de structure fibreuse continue, et notamment une structure non-tissée, telle qu'un feutre à larges mailles. De préférence, les dimensions et la disposition des fils ou fibres et des mailles sont telles qu'elles permettent facilement aux particules de la matière céramique d'infiltrer la structure fibreuse. De préférence, les mailles présentent un espace vide au moins égal à 0,2 mm. Comme substrat métallique, on peut utiliser toute pièce dont on désire protéger au moins une partie de la surface contre les effets indésirables d'une exposition à une atmosphère corrosive, notamment une atmosphère oxydante, ou encore du contact avec un liquide corrosif, à température Élevée. En particulier, le substrat peut être constitué par une pièce mécanique, telle qu'une plaque métallique destinée à garnir la face intérieure d'un portillon d'inspection ou d'alimentation d'une enceinte à haute température, telle qu'un four, renfermant, par exemple un métal en fusion, ou encore par un tube métallique, notamment un tube en acier. Avantageusement, on effectue simultanément l'application de la couche de matière pâteuse et de la structure fibreuse sur le substrat. On pourrait, cependant, éventuellement appliquer d'abord une première couche de matière pâteuse directement sur la surface du substrat, puis appliquer une nappe de la structure fibreuse sur cette première couche et, finalement, recouvrir cette nappe par une deuxième couche de matière pâteuse. Conformément à un premier mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on applique une seule nappe de la structure fibreuse sur le substrat, de maniere à enrober cette nappe dans la partie centrale de la couche de matière pâteuse. Selon un deuxième mode de mise en oeuvre du procédé, on applique la structure fibreuse en formant plusieurs nappes superposées, de manière à les enrober dans la couche de matière pâteuse, de façon telle qu'elles soient séparées les unes des autres par une certaine épaisseur de cette matière. Le durcissement final de la matière pâteuse peut être obtenu par tout moyen approprié, par exemple par séchage ou cuisson de cette matière, de manière à provoquer la prise du liant, ou encore par réaction chimique d'un ou plusieurs constituants du liant, soit entre eux, soit avec au moins un agent extérieur, tel que, par exemple, le gaz carbonique, dans le cas des silicates de sodium. Exemple 1: Pour la fabrication d'une lance d'insufflation céramisée, constituée par un tube d'acier rectiligne ayant un diamètre extérieur de 25 mm et une épaisseur de paroi de 2 mm, on applique, en une seule opération, sur la surface extérieure du tube d'acier, une couche de pâte constituée d'un mélange de ciment réfractaire et d'une solution aqueuse de silicate de sodium (verre liquide), ainsi qu'une nappe d'un filet constitué de fils en fibres de silice, ayant un diamètre de 0,25 mm, et formant des mailles carrées avec un interstice de 0,35 mm. On enroule cette nappe autour du tube en même temps que l'on applique la pâte, de façon à enrober complètement la nappe dans la partie centrale de la couche de revêtement dont l'épaisseur totale est de 2 mm. Le ciment réfractaire a une granulométrie inférieure à 0,2 mm et sa composition est la suivante (en pourcentage ponderal): Si O2 : 90,8 A12 O3 : 5,1 Na2 O : 3,3 autres oxydes métalliques : 0,8 La solution aqueuse de silicate de sodium, qui sert de liant à la pâte, correspond à un module (rapport SiO2/Na2O) de 2,5 et la proportion relative de cette solution par rapport au ciment réfractaire est de 5 pourcent en poids. On obtient le durcissement complet de la pâte en maintenant le tube, après l'application du revêtement, pendant 2 heures, à 900C, dans l'air ambiant, de façon à provoquer la prise du liant. La lance d'insufflation ainsi obtenue peut supporter, sans décollement ni fissuration de la couche de revêtement, au moins 5 cycles de chauffage jusqu'à 10000C, sous l'atmosphère oxydante régnant à l'intérieur d'un réacteur de sidérurgie, et refroidissement naturel jusqu'à la température ambiante, à l'extérieur du réacteur. Exemple 2: Identique à l'exemple 1, mais avec la composition suivante du ciment réfractaire (pourcentage pondéra 1): Si O2 : 51,5 A12 O3 : 39,2 Fe2 3 : 2,6 Ti O2 : 2,3 Ca O : 0,6 Mg O : 0,1 K2 O : 1,4 Na2 O : 1,9 autres oxydes métalliques : 0,4 REVENDICATIONS 1) Procédé pour former un revêtement protecteur sur la surface d'un substrat métallique, caractérisé par le fait que l'on applique sur cette surface une couche de matiere pâteuse, constituée d'un mélange de matière céramique en poudre et de liant, et une structure fibreuse continue, de manière à noyer cette structure dans la couche de matière pâteuse, cette application étant suivie du durcissement de la matière pâteuse. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la structure fibreuse continue consiste en un tissu ou filet de fils ou fibres métalliques, minéraux, organiques ou carbonés ou d'un mélange de ces différentes sortes de fils ou fibres. 3) Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on applique une seule nappe de la structure fibreuse sur le substrat, de manière à l'enrober dans la partie centrale de la couche de matière pâteuse. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on applique la structure fibreuse en formant une pluralité de nappes superposées, de manière à les enrober dans la couche de matière pâteuse, de façon telle qu'elles soient séparées les unes des autres par une certaine épaisseur de cette matière. 5) Article obtenu par le procédé selon la revendication 1. 6) Article selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il est constitué par une pièce metallique dont la surface est recouverte par un revêtement protecteur. 7) Article selon la revendication 6, caractérisé par le fait que la pièce métallique est un tube en acier dont la surface extérieure est recouverte par un revêtement protecteur. 8) Utilisation de l'article selon la revendication 7 comme lance d'insufflation.