Brevet FR2711364A1 — publié le 19950428

Poudre cramique frittable du type cordlente. céramique obtenue par frittage de cette poudre et élément chauffant comprenant cette céramique La présente invention a pour objet une poudre céramique frittable du type cordiérite, une céramique obtenue par frittage de cette poudre et un élément chauffant comprenant cette céramique au sein de laquelle est noyée une résistance chauffante. En vue de la réalisation d'un élément chauffant comprenant une céramique au sein de laquelle est noyée une résistance chauffante, il est nécessaire de disposer d'une céramique ayant essentiellement les caractéristiques suivantes - réfractarité élevée, de préférence supérieure à 1200 C, - résistance élevée aux chocs thermiques, - résistance mécanique élevée, - faible prix de revient, et - toxicité faible, voire nulle. Dans l'optique de la mise au point d'une telle céramique, il est proposé, selon la présente invention, une poudre céramique frittable comprenant 70 à 80 % en poids de cordiérite, 10 à 20 % en poids de mullite et 10 à 20 % en poids d'un granulat calciné comprenant de la cordiérite et de la mullite. Cette poudre peut en outre comprendre un liant, de préférence un liant organique tel qu'un dérivé cellulosique, un alcool polyvinylique ou un polysaccharide, ce liant étant habituellement mis en oeuvre à raison de 0,5 à 2 % du poids total de la cordiérite, de la mullite et du granulat. Selon l'invention, préférence est donnée à un liant constitué par un alcool polyvinylique utilisé à raison de 1,5 % du poids total de la cordiérite, de la mullite et du granulat. On précisera que la présence d'un tel liant au sein de la poudre céramique permet de réduire les fissurations lors de la phase de pressage de l'opération de frittage à laquelle sera soumise ladite poudre en vue de la réalisation d'une céramique. On ajoutera que le granulat calciné comprend avantageusement 7 à 8 % en poids de mullite, et au moins 80 % en poids de cordiérite. Ce type de granulat est disponible dans le commerce, par exemple sous la marque de fabrique ARTAL 23, auprès de la société française ARGILES ET MINERAUX A.G.S. Un tel granulat peut par ailleurs être aisément fabriqué à partir d'un mélange d'argile kaolinique et de talc utilisés dans des proportions appropriées pour obtenir un granulat ayant la composition souhaitée en cordiérite et en mullite [notamment 65 à 75 % en poids d'argile kaolinique et 25 à 35 % en poids de talc]. A ce mélange on ajoute de l'eau en quantité suffisante pour obtenir une pâte semi-plastique, puis on soumet cette pâte à une opération de granulation (par exemple passage à travers un crible d'une ouverture de mailles de quelques millimètres) pour obtenir un granulat que l'on soumet à une calcination, de préférence à environ 1250-1300 C, ce granulat calciné étant ensuite éventuellement soumis à un broyage pour obtenir la granulométrie souhaitée. Dans la poudre céramique selon la présente invention, la cordiérite a été choisie comme matière de base en raison de sa grande résistance aux chocs thermiques. La mullite apporte réfractarité, résistances thermique et chimique, rigidité et résistance mécanique à la céramique préparée à partir de cette poudre. Quant au granulat calciné, il a la propriété d'être physiquement et chimiquement stable lors du frittage et de ce fait, confère une bonne résistance aux chocs thermiques à la céramique obtenue par frittage de ladite poudre. En outre, afin d'augmenter encore la résistance mécanique de la céramique préparée à partir de la poudre selon l'invention, on préfère que, dans cette poudre, la cordiérite présente une granulométrie inférieure à 40 Clam, la mullite présente une granulométrie inférieure à 80 Fm et le granulat calciné soit composé d'un tiers de grains d'une granulométrie de 63 à 80 Fm et de deux tiers de grains d'une granulométrie de 200 à 250 Fm. En effet, grâce à cette granulométrie discontinue, on assure un contact optimal entre les différents grains de matière, ce qui réduit considérablement la porosité de la céramique et, partant, augmente sa résistance mécanique. La présente invention a par ailleurs pour objet une céramique obtenue par frittage de la poudre susmentionnée. Préalablement au frittage, la poudre est soumise à un pressage pour lui conférer la forme voulue, la poudre étant de préférence granulée avant ce pressage. Cette opération de granulation, tout à fait classique dans la technique concernée, comprend habituellement l'addition d'eau à ladite poudre pour obtenir une pâte contenant de préférence 40 à 55 % en poids d'eau, le séchage par atomisation de cette pâte dans un courant d'air chaud (de préférence à 200-500 C) afin d'obtenir des granulés dont la taille est généralement de 200 à 800 Mini. Quant au pressage proprement dit, il comprend par exemple - une phase de montée régulière en pression de 5 à 15 secondes, jusqu'à atteindre une pression de 150.16-500.16 Pa (notamment 200.16-300.16 Pa), - une phase de maintien de la pression à 150.16-500.1d Pa (notamment 200.105-300.105 Pa) pendant 2 à 10 secondes, et - une phase de baisse régulière de pression jusqu'à la pression ordinaire en 5 à 15 secondes, ce cycle de pressage étant suivi d'une opération de frittage comprenant un cycle de cuisson comportant par exemple - une phase de montée régulière en température de 1 à 10 heures (notamment 5 à 7 heures) pour atteindre 450-550 C, - une phase de maintien de la température à 450-550 C pendant 0,5 à 1 heure, - une phase de montée régulière de la température de 450-550 C jusqu'à 1230-1270 C de 1 à 10 heures (notamment de 5 à 7 heures), - une phase de maintien de la température à 1230-1270 C pendant 0,5 à 5 heures (notamment 1 à 3 heures), et - une phase de refroidissement régulière jusqu'à la température ordinaire de 2 à 10 heures (notamment de 3 à 5 heures). La présente invention concerne enfin un élément chauffant comprenant un substrat au sein duquel est noyée une résistance chauffante, ledit substrat étant constitué par la céramique susmentionnée. La résistance chauffante sera réalisée en une matière suffisamment réfractaire pour résister aux températures élevées de mise en oeuvre de l'élément chauffant ; elle devra en outre être douée d'une bonne aptitude à rayonner la chaleur. A cet effet, il est notamment préconisé, selon l'invention, une résistance chauffante réalisée en un alliage fer/chrome et de préférence une résistance chauffante réalisée en un alliage ayant la composition suivante - 22 % en poids de chrome, - 5,8 % en poids d'aluminium, - 72,2 % en poids de fer, ce type d'alliage étant disponible dans le commerce sous la marque de fabrique KANTHAL disponible auprès de la société française KANTHAL. Cet alliage particulier offre une résistance à chaud jusqu'à 14000 C, alliée à une longue durée de vie. La résistance chauffante se présentera habituellement sous la forme d'un fil. On notera que plus le diamètre de ce fil sera élevé, plus la fiabilité et les caractéristiques de fonctionnement de la résistance chauffante seront idéales (grandes conductivité et émissivité, température de fusion élevée), le diamètre maximum étant essentiellement limité par les risques de fissuration au niveau du plan du fil à l'intérieur de l'élément chauffant. Compte tenu de ces considérations, dans le cas d'un fil en KANTHAL, le diamètre du fil sera de préférence égal ou inférieur à 2 mm, par exemple 1 mm. Par ailleurs, le fil constituant la résistance chauffante sera de préférence conformé d'une part, de manière à éliminer tout contact entre deux sections de ce fil afin d'éviter un phénomène de soudure qui conduit à la fusion dudit fil et d'autre part, pour optimiser l'encombrement. Ainsi, il est préconisé selon l'invention de conformer le fil selon un tracé sinueux dans un plan. La forme générale de l'élément chauffant selon l'invention sera choisie en fonction de l'utilisation qui doit en être faite. Ainsi, par exemple dans le cas d'un élément chauffant pour le séchage, notamment le séchage de peintures déposées sur un support, l'élément chauffant pourra notamment prendre la forme d'une mince plaquette parallélépipédique. A titre d'exemple non limitatif, on décrira ci-après les différentes phases de réalisation d'un élément chauffant selon l'invention: 1. Préparation d'une poudre cramique fnttable On mélange intimement 70 g de cordiérite (granulométrie 2. Preparation de granules a partir de la poudre ainsi obtenue A la poudre préparée conformément au point 1. ci-dessus, on ajoute 1,5 g d'alcool polyvinylique (liant) et environ 40 à 55 g d'eau. Après mélange, on obtient une barbotine que l'on soumet à une opération de séchage par atomisation par pulvérisation de ladite barbotine dans un courant d'air chaud à 200-500 C, la pulvérisation étant effectuée dans des conditions permettant d'obtenir des granulés d'une taille de 200 à 800 Fm. 3. Préparation de l'élément chauffant a) Cholx de la résistance chauffante fil en alliage KANTHAL APM, diamètre : 1 mm, résistance électrique à 20 C: 1,82 ohm/m, résistance électrique à 1000" C 1,92 ohm/m, température de fusion 1400 C, longueur: 110 cm. b) Forme de la reslstance chauffante Le fil est conformé selon un tracé sinueux dans un plan, ce tracé ayant une forme générale en zigzag. Selon un mode de réalisation, le tracé comporte 12 sections de fil, sensiblement de même longueur (environ 10 cm), I'angle entre deux sections successives étant choisi pour que la distance séparant la première section de la dernière section de fil soit de l'ordre de 4cm. Selon un autre mode de réalisation, le tracé comporte 24 sections de fil sensiblement de même longueur (environ 4 cm), l'angle entre deux sections successives étant choisi pour que la distance séparant la première section de la dernière section de fil soit de l'ordre de 10 cm. c) Pressage Dans une chambre de pressage dimensionnée pour obtenir un élément chauffant en forme de plaquette parallélépipédique ayant sensiblement les dimensions suivantes : S cm x 12 cm x 8 mm, on introduit les granulés préparés conformément au point 2. ci-dessus. La quantité de granulés mis en oeuvre est choisie pour obtenir une plaquette pesant environ 95 g (poids de la céramique + poids de la résistance chauffante) et la résistance chauffante est positionnée de telle façon que les couches de granulés se trouvant respectivement au-dessus et au-dessous de la résistance chauffante aient sensiblement la même épaisseur. On procède ensuite au pressage de l'ensemble ainsi obtenu selon le cycle suivant - Montée en pression : 28.105 Pa/s, - pressage à 280.16 Pa pendant 10 secondes, - retour à la pression normale à raison de 28.16 Pa/s. d) Cuisson (frittage) L'élément obtenu conformément au point c) ci-dessus est ensuite soumis au cycle de cuisson suivant - montée régulière en température pour atteindre 500 C en environ 5,5 heures, - maintien de la température à 500 C pendant 0,5 heure, - montée régulière de la température pour atteindre 12500 C en environ 6 heures, - maintien de la température à 12500 C pendant une heure, - baisse régulière en température jusqu'à la température normale en environ 4 heures. e) Caractéristiques de l'élément chauffant En vue de protéger l'élément chauffant contre la corrosion et de parfaire son aspect esthétique, on peut appliquer sur celui-ci un revêtement de surface tel qu'un revêtement en émail. Par ailleurs, l'élément chauffant est complété par des connexions électriques en vue du raccord à une source d'électricité. - poids : 95 g forme: parallélépipédique - volume : environ 40,5 cm3 - résistance : de l'ordre de 2,35 ohm - contrainte à la rupture de la céramique (test de flexion en trois points) environ 38 MPa - contrainte à la rupture de la céramique (test de flexion en trois points) après deux chocs thermiques (chaque choc thermique est réalisé en disposant la céramique pendant 15 minutes dans un four à 1200 C, puis en refroidissant rapidement la céramique à l'air libre) : environ 48 MPa - température d'utilisation : 1000 C - puissance dissipée à 1000" C : environ 750 Watts. REVENDICATIONS 1. Poudre céramique frittable du type cordiérite, caractérisée en ce qu'elle comprend 70 à 80 % en poids de cordiérite, 10 à 20 % en poids de mullite et 10 à 20 % en poids d'un granulat calciné comprenant de la cordiérite et de la mullite. 2. Poudre selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un liant organique. 3. Poudre selon la revendication 2, caractérisée en ce que le liant est un alcool polyvinylique présent à raison de 0,5 à 2 % du poids total de la cordiérite, de la mullite et du granulat calciné. 4. Poudre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le granulat calciné comprend 80 % en poids de cordiérite et 7 à 8 % en poids de mullite. 5. Poudre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cordiérite présente une granulométrie inférieure à 40 Cum, en ce que la mullite présente une granulométrie inférieure à 80 llm et en ce que le granulat calciné est composé d'un tiers de grains ayant une granulométrie de 63 à 80 pin et de deux tiers de grains ayant une granulométrie de 200 à 250 pin. 6. Céramique caractérisée en ce qu'elle est obtenue par frittage de la poudre selon l'une des revendications 2 à 5. 7. Céramique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le frittage est précédé d'une opération de granulation de ladite poudre pour obtenir des granulés de 200 à 800 pin et d'une opération de pressage de la poudre ayant subi l'opération de granulation. 8. Céramique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le pressage comprend: - une phase de montée régulière en pression de 5 à 15 secondes, jusqu'à atteindre une pression de 150.16-500.16 Pa, - une phase de maintien de la pression à 150.105-500.105 Pa pendant 2 à 10 secondes, et - une phase de baisse régulière de pression jusqu'à la pression ordinaire en 5 à 15 secondes, et en ce que le frittage comprend un cycle de cuisson comportant - une phase de montée régulière en température de 1 à 10 heures pour atteindre 450-550 C, - une phase de maintien de la température à 450-550 C pendant 0,5 à 1 heure, - une phase de montée régulière de la température de 450-550 C jusqu'à 1230-1270 C de 1 à 10 heures, - une phase de maintien de la température à 1230-1270 C pendant 0,5 à 5 heures, et - une phase de refroidissement régulière jusqu'à la température ordinaire de 2 à 10 heures. 9. Elément chauffant comprenant un substrat au sein duquel est noyée une résistance chauffante, caractérisé en ce que le substrat est constitué par la céramique selon la revendication 6, 7 ou 8. 10. Elément chauffant selon la revendication 9, caractérisé en ce que la résistance chauffante est réalisée en un alliage fer/chrome. 11. Elément chauffant selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que la résistance chauffante se présente sous la forme d'un fil conformé suivant un tracé sinueux dans un plan.