Brevet FR2721098A1 — publié le 19951215

L'invention concerne les rouleaux céramiques pour fours à rouleaux. Un four à rouleaux est un four à passage dont la sole est composée de rouleaux céramiques disposés parallèlement les uns aux autres et mis en rotation autour de leur axe central au moyen d'un système d'entraînement. Tous les rouleaux tournent dans le même sens et sensiblement à la même vitesse. Ce mouvement entraîne la charge à cuire à travers le four. Ces fours sont principalement employés pour la cuisson des carreaux céramiques utilisés pour le revêtement des sols et des murs. Les carreaux à cuire sont posés directement sur les rouleaux à l'entrée du four. Toutefois, les fours à rouleaux sont également utilisés pour cuire des pièces de forme complexe : articles de vaisselle, éléments de sanitaire, substrats pour l'électronique. Dans ce cas, les produits à cuire sont chargés sur des dalles formant supports, celles-ci étant alors posées sur les rouleaux. Les rouleaux actuels ont une longueur de 1200 à 4000 mm et leur diamètre extérieur est compris entre 25 et 55 mm pour une épaisseur de parois de 5 à 6 mm. Ils sont soumis à divers types de contraintes 3 Contraintes mécaniques poids propre et charges provenant des produits à cuire fatigue dynamique (rotation). z Agressions chimiques par les vapeurs alcalines dégagées par les produits à cuire par oxydation (dans le cas des rouleaux en SiC). E Gradients thermiques : entre la partie située à l'intérieur du four et les extrémités traversant les parois du four. z Chocs thermiques loris de l'introduction d'un rouleau neuf froid dans un four en fonctionnement pour remplacer un rouleau défaillant ; loris des mises en veilleuse ou arrêts pour entretien. Il existe trois types de rouleaux sur le marché - les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base d'oxydes cuits à température modérée ( - les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température ( > 1500 C) - les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium et/ou d'oxynitrure de silicium et/ou de sialon (appelés ci-après matériaux à base d'au moins un composé du silicium), tels que les matériaux formés de grains de SiC liés par un liant nitrure de silicium (tel que le matériau Advancer commercialisé par la Société Norton), le carbure de silicium recristallisé (tel que le produit Crystar de Norton), ou les matériaux à base de carbure de silicium imprégnés de silicium. Les rouleaux à base d'oxyde cuits à température modérée ont l'inconvénient de ne supporter que des charges modestes: ainsi, les meilleurs rouleaux à base d'alumine-mullitecordiérite sont limités à des charges maximales telles que la contrainte de flexion totale (charge + poids propre), soit inférieure à 50 kg/cm2 pour une température maximale d'emploi inférieure ou égale à 1250 C. Ceci limite fortement leur utilité pour certaines applications. Les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température supportent des contraintes de flexion pouvant atteindre 80 kg/cm2 pour des températures d'emploi maximales inférieures ou égales à 1300-1350"C, mais leur coût est très supérieur à celui des rouleaux cuits à basse température. Par contre, les rouleaux formés d'un matériau à base d'au moins un composé du silicium supportent des contraintes de flexion de 200 à 500 kg/cm2, pour une température limite d'emploi pouvant atteindre 1600"C, mais leur coût est de 7 à 20 fois celui des rouleaux à base d'oxydes. Il serait donc très utile à l'industrie de disposer de rouleaux présentant des propriétés améliorées par rapport aux rouleaux à base d'oxydes classiques, tout en étant moins onéreux que les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite frittés à très haute température ou à base d'au moins un composé du silicium actuellement commercialisés. L'invention vise à satisfaire ce besoin. Plus précisément, l'invention concerne un rouleau composite pour fours à rouleaux comprenant un rouleau extérieur creux en un matériau réfractaire à base d'oxydes et un élément de renforcement en un matériau réfractaire présentant un module d'élasticité à 1200"C plus élevé que celui du matériau du rouleau extérieur, disposé à l'intérieur du rouleau extérieur, la plus grande dimension de la section transversale de l'élément de renforcement étant légèrement inférieure au diamètre intérieur du rouleau extérieur. Avantageusement le module d'élasticité à 1200"C du matériau de l'élément de renforcement est égal à au moins 2 fois celui du rouleau extérieur et, de préférence, à au moins 3 fois. Le module de l'élément de renforcement peut être jusqu'à 20 fois, et même plus, supérieur à celui du matériau de l'élément extérieur. Le rouleau extérieur sera habituellement réalisé en un matériau à base d'oxydes bon marché convenant à la fabrication de rouleaux de fours, par exemple en un matériau à base d'oxydes cuit à température modérée, tel qu'un matériau alumine-mullite cordiérite précité. Un tel matériau a typiquement un module d'élasticité à 1200"C de 10 à 25 GPa. L'épaisseur de paroi du rouleau extérieur est typiquement de l'ordre de 5-6 mm, sans que ces valeurs aient une importance critique. L'élément de renforcement intérieur peut présenter diverses formes, par exemple celle d'un cylindre creux ou celle d'un barreau creux à section hexagonale, carrée, triangulaire ou d'un profilé en forme de X. De préférence, pour des raisons d'économie de matière, de résistance mécanique et de facilité de fabrication, on utilisera un élément de renforcement cylindrique creux, c'est-à-dire en forme de tube, ayant une épaisseur de paroi de l'ordre de 1,5 à 4 mm. L'élément de renforcement peut être réalisé, par exemple, en un matériau à base d'oxydes cuits à haute température, tel qu'un matériau à base d'alumine, d'aluminemullite ou de mullite ou un matériau à base d'au moins un composé du silicium tel que ceux mentionnés ci-dessus, entre autres. Les matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à haute température ont typiquement un module d'élasticité à 1200"C de 50 à 200 GPa, tandis que les matériaux à base d'au moins un composé du silicium ont typiquement un module d'élasticité à 1200"C de 150 à 400 GPa. L'élément de renforcement intérieur présente avantageusement une longueur inférieure ou égale à 0,9 fois celle du rouleau extérieur à renforcer. Pour des raisons d'économie de matière, on préfère employer un élément de renforcement de longueur substantiellement inférieure à celle du rouleau extérieur, par exemple d'une longueur représentant 0,15 à 0,65 fois celle du rouleau extérieur. Par exemple, pour un rouleau extérieur de 3 m de long, l'élément de renforcement a de préférence une longueur de 0,5 à 2 m environ. La dimension maximale de la section transversale de l'élément de renforcement doit être légèrement inférieure à celle du diamètre intérieur du rouleau extérieur pour permettre à l'élément de renforcement d'être mis en place et d'exercer son action dès que le rouleau extérieur fléchit un peu sous une charge. Par exemple un jeu de 0,1 à 0,5 mm est habituellement satisfaisant sans que ces valeurs soient critiques. L'élément de renforcement sera avantageusement centré par rapport aux appuis du rouleau sur les paliers du four supportant le rouleau, ou encore par rapport aux charges supportées par le rouleau en service, de façon que le rouleau extérieur à base d'oxydes se trouve renforcé mécaniquement dans la zone où règne, en service, la contrainte de flexion maximale. L'expérience a montré qu'il n'était pas nécessaire d'interposer du feutre céramique ou une couche de colle ou de ciment entre l'élément de renforcement et le rouleau extérieur. Au cours de l'assemblage, l'élément de renforcement peut être maintenu en place par un peu de colle organique. Lors de la mise en service, celle-ci brûle et l'élément de renforcement sera maintenu en place dans la position choisie par l'effet de flèche. Sur le dessin, la figure unique est une vue, en coupe longitudinale, d'un rouleau composite conforme à l'invention. Sur la figure, la référence 1 désigne le rouleau extérieur à base d'oxydes, la référence 2 un élément de renforcement en forme de tube et de longueur inférieure à celle du rouleau extérieur, la référence 3 désigne les zones où le rouleau sera, en service, en appui sur des paliers, et la référence 4 désigne la partie du rouleau qui saillera du four et recevra des moyens d'entraînement du rouleau, par exemple une roue dentee (non représentée). L'exemple non limitatif suivant est donné dans le but d'illustrer l'invention. EXEMPLE On a réalisé des rouleaux composites du type de celui représenté sur la figure dont le rouleau 1 était réalisé en SIROLL LP (matériau du type Alumine-Mullite-Cordiérite commercialisé par la Société Nuova Sirma) et présentait les caractéristiques suivantes - rayon extérieur : 20 mm - rayon interieur : 15 mm - longueur : 3 m - module d'Young à 1200 C : 22000 Mpa - coefficient de dilatation : 5,2 x 10-6K-1 - masse volumique : 2360 kg/m3 L'élément de renforcement 2 était réalisé en ADVANCER (grains de SiC liés par un liant nitrure de silicium commercialisé par la Société Norton) et présentait les caractéristiques suivantes - rayon extérieur : 14,5 mm - rayon intérieur : 12,5 mm - longueur : 0,5 m - module d'Young à 1200 C : 225000 Mpa - coefficient de dilatation : 4,8 x 10-6K- - masse volumique : 2820 kg/m3 Les rouleaux ainsi produits ont été montés dans un four à rouleaux destiné à la cuisson de carreaux céramiques à une température de l'ordre de 1200"C. La distance entre les appuis de chaque rouleau sur les paliers du four était de 2,91 m et la longueur chargée était de 1,83 m. Première expérience On a comparé la flèche prise par ces rouleaux composites à celle de rouleaux identiques en SIROLL LP non renforcés et à celle de rouleaux en Advancer de géométrie identique ayant une épaisseur de paroi de 5-6 mm. On constate que le poids des éléments de renforcement en Advancer entraîne à vide un accroissement de la flèche des rouleaux composites d'environ 1 mm, par rapport à celle des rouleaux en Siroll LP non renforcés. Par contre, en faisant circuler une charge dans le four, correspondant à une charge de 1,25 kg par rouleau répartie sur la portion centrale du rouleau, de longueur 1,83 m, on remarque que les rouleaux composites de l'invention présentent une flèche environ 3 fois plus faible que celle des rouleaux non renforcés : 3,4 mm au lieu de 11,1 mm, tandis que la flèche des rouleaux en Advancer est de 2 mm. Deuxième expérience On a chargé les rouleaux en Siroll LP avec une charge de 3 kg par rouleau répartie sur une longueur de 1,83 m. La flèche mesurée est de 12 mm et la rupture survient très rapidement, après quelques heures de fonctionnement. Par contre, la flèche mesurée est de 6,0 mm pour les rouleaux composites de l'invention supportant la même charge. La présente invention permet donc d'obtenir des performances en service très supérieures à celles des rouleaux à base d'oxydes standards pour un coût inférieur à celui des rouleaux en matériau cuit à haute température et très inférieur à celui des rouleaux à base d'au moins un composé du silicium. En effet, l'élément de renforcement utilisé dans l'invention présente un volume très inférieur à celui d'un rouleau réalisé entièrement en matériau à haute performance, du fait que son diamètre, son épaisseur de paroi et sa longueur peuvent être bien moindres. L'invention permet également d'exploiter la bonne rigidité à chaud des matériaux à base d'alumine, d'aluminemullite ou de mullite cuits à haute température (surcuits), sans risquer une rupture par choc thermique, lors de leur introduction dans un four en marche. En effet, le rouleau extérieur, très résistant au choc thermique constitue une enveloppe protectrice pour l'élément de renforcement intérieur, sensible au choc thermique. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et l'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un rouleau composite pour fours à rouleaux comprenant un rouleau extérieur creux (1) en un matériau réfractaire à base d'oxydes et un élément de renforcement (2) en un matériau réfractaire présentant un module d'élasticité à 1200 C plus élevé que celui du matériau du rouleau extérieur, disposé à l'intérieur du rouleau extérieur, la plus grande dimension de la section transversale de l'élément de renforcement étant légèrement inférieure au diamètre intérieur du rouleau extérieur. 2. Un rouleau selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de renforcement intérieur présente la forme d'un tube. 3. Un rouleau selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de renforcement présente une épaisseur de paroi de 1,5 à 4 mm. 4. Un rouleau selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de renforcement est plus court que le rouleau extérieur. 5. Un rouleau selon la revendication 4, caractérisé en ce que la longueur de l'élément de renforcement représente 0,15 à 0,65 fois celle du rouleau extérieur. 6. Un rouleau selon la revendication 1, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'élément de renforcement est centré par rapport aux appuis du rouleau sur les paliers du four supportant le rouleau. 7. Un rouleau selon la revendication 1, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'élément de renforcement est centré par rapport aux charges supportées par le rouleau en service. 8. Rouleau selon les revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le module d'élasticité à 1200"C du matériau constituant l'élément de renforcement est au moins 2 fois supérieur à celui de la partie extérieure. 9. Rouleau selon les revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le module d'élasticité à 1200"C du matériau constituant l'élément de renforcement est au moins 3 fois supérieur à celui de la partie extérieure. 10. Rouleau selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le rouleau extérieur est en alumine-mullite-cordiérite et l'élément de renforcement est en un matériau choisi dans le groupe formé par les matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite, les matériaux à base d'au moins un composé du silicium choisis dans le groupe formé par le carbone de silicium, le nitrure de silicium, l'oxynitrure de silicium et les sialons.