Brevet FR2731930A1 — publié le 19960927

La présente invention concerne un procédé et dispositif d'agglomération de matériaux granulaires, applicables en particulier à la fabrication de moules et noyaux en sable de fonderie. Les cinquante dernières années ont vu le développement de différents procédés d'agglomération visant à obtenir un durcissement rapide des sables préalablement compactés contre les modèles, assurant ainsi une reproduction fidèle de l'empreinte, et donc une bonne précision de moulage, suivant des séquences compatibles avec des productions de grande série. Ces procédés sont fondés sur la mise en oeuvre de réactions chimiques irréversibles provoquées soit par insuSation de gaz catalyseurs, soit au contact d"outillages chauds. Un procédé trés répandu met en oeuvre comme liant un silicate alcalin liquide, de préference du silicate de soude, de formule: m Six2, n Na2O, q H2 o dont le durcissement trés rapide, de l'ordre de quelques secondes à une minute selon le volume à traiter, est obtenu en utilisant comme agent durcissant du gaz carbonique C02, injecté dans la masse granulaire. Une partie de la soude du silicate réagit avec ce gaz carbonique (plus précisément avec l'acide Cl3112 résultant de sa dissolution dans l'eau du liant). fi se forme alors du carbonate de soude CO3Na2, ce qui augmente le module (rapport Si(Y / Na2 O) du silicate et donc sa viscosité jusqu'à sa solidification. Cependant, cet avantage de rapidité est contrebalancé par un inconvénient sérieux: le carbonate de soude formé casse le film de silicate de soude qui perd ainsi une grande partie de son pouvoir adhésif. fi en résulte des résistances à la compression sur éprouvette cylindrique normalisée (diamètre 50,8 mm, hauteur 50,8 mm) ne dépassant pas 5 à 10 daN/cm2. Cette résistance est génêralement suffisante pour consolider la masse granulaire et permettre sa séparation du modèle. Après le démoulage, la masse granulaire subit un complément de déshydratation qui peut avoir des effets contraires suivant le module de silicate employé et la quantité de gaz carbonique entré en réaction et donc de carbonate de soude formé. Si le module est bas et cette formation limitée, la résistance du moulage augmente jusqu'à 15 à 20 daN/cm2. Si le module est élevé et la formation de carbonate de soude importante, le film de silicate peut être complétement détruit si le module dépasse la limite de 4. La silice précipite alors et ne présente plus aucune cohésion lors de sa déshydratation. Le durcissement au gaz carbonique ne permet donc pas d'exploiter la totalité du pouvoir d'agglomération du silicate de soude qui résulterait de sa seule déshydration, ce qui en limite remploi à des moulages relativement massifs pour lesquels les résistances obtenues restent suffisantes.Pour des noyaux de faible section soumis à des contraintes de flexion, on a généralement recours à des liants à base de résines synthétiques. Cependant, ces différentes techniques d'agglomération ont l'inconvénient de laisser dans les sables résiduels des composés chimiques organiques indésirables, qui réduisent la potentialité de recyclage de ces sables ou nécessitent des installations de traitement prohibitives. La mise en décharge de ces sables usés sous forme de déchets ultimes pose également d'importants problèmes en regard des règlementations de plus en plus sévères de protection de l'environnement. On connait, par ailleurs, les propriétés adhèsives du silicate de soude: par déshydratation, sa viscosité augmente considérablement. Après déshydratation complète, il confère aux assemblages granulaires qu'il agglomère des résistances mécaniques tout à fait comparables à celles obtenues avec des résines synthétiques thermodurcissables.Par exemple, l'incorporation d'un silicate de soude liquide de module variant de 2,2 à 2,8 à un taux correspondant à 1% de matière sèche (SiO2+Na2O) dans un sable siliceux d'indice de finesse AFS 58/60, confère à une éprouvette cylindrique normalisée séchée 2 heures à 105oC, une résistance à la compression supérieure à 100 daN/cm2 L'utilisation de ces propriétés se heurte toutefois à un obstacle majeur qui est la lenteur du processus de déshydration, peu compatible avec des cycles de fabrication industrielle de série, qui exigent une immobilisation minimale des modèles. De nombreuses tentatives ont été effectuées pour accélérer le processus de durcissement du silicate de soude par déshydratation.L'emploi du vide comme accélèrateur d'évaporation n'a pu permettre des durées de durcissement inférieures à 10 minutes. On a également tenté d'accélérer cette évaporation par chauffage, par l'emploi de micro-ondes, d'outillages chauds, par injection d'air chaud. L'application des micro-ondes nécessiterait des durées de l'ordre de 5 minutes pour obtenir la déshydration complète d'une éprouvette standard, ce qui reste inadéquat. L'utilisation d'outillages chauds permet de former rapidement un croûte déshydratée en surface de la masse granulaire, suffisamment résistante pour permettre le démoulage, mais l'eau est alors chassée vers l'intérieur de la masse encore froide où elle se condense. A défaut d'une déshydratation complète, cette eau résiduelle migre vers la surface lors de son refroidissement et lui fait perdre sa résistance. Le séchage par insufflation d'air chaud est tout aussi décevant. Le front de déshydratation ne progresse que trés lentement: 44 mm en 10 mn pour une température d'air injecté de 200"C. Un noyau de 7,5 kg nécessiterait une injection d'air chauffé pendant 5 minutes avant d'être considéré comme durci. Le brevet français n" 2 525 936, enregistré sous le n" 82 07553, combine l'action d'un courant gazeux chaud, d'air ou de gaz de combustion contenant du gaz carbonique, arrivant en surpression sur le moule et étant évacué par une dépression sur la face opposée du moule, mais il n'apparait pas que ce procédé permette une rapidité de déshydratation et de cycles d'opération significatifs. Pour obtenir des cycles d'une durée moyenne de l'ordre de 2 mn, il s'est avéré nécessaire de compléter ces techniques par une injection supplémentaire de gaz carbonique, dont l'effet négatif sur la cohésion de la masse granulaire faisait perdre une partie des avantages de la technique de déshydratation. L'objet de la présente invention est un procédé de fabrication d'élèments de moulage, notamment pour leur application dans le domaine de la fonderie, à partir d'un durcissement d'un liant alcalin, par exemple un silicate de soude, sous l'effet de sa seule déshydratation, et par conséquent sans utilisation d'injection de gaz carbonique, et permettant des cycles de production compatibles avec des cadences de fabrication de grande série, d'une durée de l'ordre de quelques secondes à une minute. Le procédé d'agglomération de masse granulaires de moulage par déshydratation d'un liant alcalin, notamment un silicate de soude, objet de l'invention est caractérisé en ce que l'apport calorifique nécessaire à la déshydratation de ce liant est assuré par un chauffage préalable de la masse granulaire, à laquelle est incorporé le liant dans un mélangeur étanche, le mélange de moulage ainsi obtenu étant ensuite mis en forme dans des outillages suivant des techniques classiques de moulage telle que le soufflage.Le mélange ainsi mis en forme subira ensuite une déshydratation accélérée sous l'effet combiné de l'apport calorifique réstitué par la masse granulaire préchauffée et d'une évacuation de la vapeur d'eau formée par un moyen physique tel que, suivant un mode de réalisation préféré, une insufflation d'air sec dans la masse moulée qui assure l'évacuation rapide de la vapeur d'eau dégagée par la déshydratation du liant. L'air insufflé sera aussi déshydraté que possible. Par exemple, il pourra présenter avantageusement un point de rosée de - 23"C, correspondant à une tension de vapeur p0 de I mbar.Dans un autre mode de réalisation, on réduira le temps de déshydratation en soumettant la masse granulaire moulée à une pression réduite inférieure à la tension de vapeur de l'air à la température de la masse granulaire, provoquant une ébullition de l'eau à élimmer. Les liants utilisés dans le cadre de l'invention incluront les adhèsifs organiques solubles ou émulsionables dans l'eau, et qui sont doncc susceptibles de durcir par évaporation. On peut citer non limitativement parmi ceux-ci: - les dérivés de la cellulose, du type carboxyméthylcellulose, - les oses et les dérivés amylacés, tels que les sucres, les dextrines, les amidons prégélatinisés - les composants à radicaux vinyliques, tels que l'alcool polyvinylique et la p olyvinylpyrollidone, - les copolymères éthylène-acétate de vinyle en émulsion. On pourra utiliser également des adhésifs organique s solubles dans des solvants organiques qui, durcissables par évaporation, pourront être utilisés dans le cadre du procédé selon l'invention, avec une adaptation des conditions opérationnelles propre au solvant utilisé. fi est toutefois à noter que l'emploi de tels adhésifs ne présente pas tous les avantages relevés pour remploi de liants au silicate de soude. Dans la forme d'exécution préfèrée de l'invention mettant en oeuvre un silicate alcalin comme liant, celle-ci présente par rapport aux procèdés précités, notamment à ceux faisant appel à des résines synthétiques durcissables à chaud ou à froid, les avantages suivants: - un faible coût de liant pour une rapidité de durcissement similaire, - une bonne facilité de mise en oeuvre et de serrage de la masse granulaire à compacter, due à rabaissement de viscosité du liant chauffé, - la réversibilité de la réaction: les sables non utilisés tels que ceux des moules et noyaux cassés sont récupérables par réhydratation. fi est même possible de réutiliser dans les mêmes conditions les sables ayant subi la coulée du métal, si aucune réaction chimique irréversible n'est intervenue substantiellement sur le silicate, telle que, par exemple une carbonatation. - le pouvoir adhésif élevé du silicate permet de réduire la quantité de liant utilisé, facilitant ainsi le décochage des pièces et leur séparation du sable après la coulée. La récupération du sable en vue de son recyclage est également facilitée par le faible taux de liant permettant une telle opération par attrition, - ragent gazeux utilisé est de l'air sec qui ne présente pas les risques industriels des agents durcisseurs gazeux (toxicité, inflammabilité) nécessitant leur captation et leur traitement, - les émissions gazeuses se limitent à de la vapeur d'eau, en l'absence de toute émission nocive, formées, vapeurs, odeurs, pour l'ensemble du processus, depuis la préparation du sable de moulage jusqu'à l'obtention des pièces moulées refroidies, - l'absence d'éléments polluants dans les sables usés autorise leur mise en décharge sans règlementation particulière, - le mélange de moulage a une compatibilité totale avec des liants de type bentonite, ce qui permet son utilisation pour des noyaux utilisés concurremment avec des sables argileux à vert de fonderie classique, généralement recyclés en sablerie. Le procédé de moulage selon l'invention sera décrit de façon plus détaillée ci-après, en référence aux figures annexées, ou, - la figure I représente schématiquement un dispositif de préparation du mélange de la masse granulaire et du liant, - les figures 2a, 2b et 2c schématisent un dispositif et les étapes sucessives de mise en forme d'élèments de moulage suivant le procédé de durcissement par déshydratation de l'invention, mettant en oeuvre une injection d'air comprimé déshydraté, - les figures 3a, 3b et 3c schématisent les étapes de mise en oeuvre du procédé opérant la déshydratation par mise sous vide partiel de l'élément moulé. Sur la figure 1, la matière granulaire est introduite par la partie supérieure d'une trémie d'alimentation 1 pouvant comporter un dispositif de réchauffage ou de maintien à température de la masse granulaire. Celle-ci peut éventuellement y arriver déjà préchauffée, par exemple lorsqu'il s'agit de sable récupéré après coulée et encore chaud, ou réchauffé à partir de chaleur de récupération comme il n'en manque pas génèralement dans les fonderies. Les températures de préchauffage relativement peu élevées nécessitées par le procédé de l'invention facilitent cette utilisation de chaleur de récupération et le rend d'autant plus économique. A défaut, tous moyens connus de chauffage peuvent être utilisés: statiques, dynamiques, par convection, rayonnement ou conductibilité, sous réserve qu'ils assurent la production dune masse granulaire de température précise, constante et uniforme. Un réservoir 2 assurera l'alimentation de liant, avec un dispositif de réchauffage et de maintien à température suivant les mêmes contraintes que pour la masse granulaire en 1. La trémie 1 et le réservoir 2 alimentent un dispositif mélangeur 3 de la masse granulaire et du liant, au moyen de dispositifs de dosage, non représentés, utilisant des technologies volumétriques ou pondérales de type connu. Le mélangeur 3, qui peut être de type continu ou discontinu suivant l'installation envisagée, est muni d'un calorifugeage 4 destiné à éviter toute condensation du liant sur les parois, ainsi que de sas d'entrée 5 et 6 et d'évacuation 7 à fermeture étanche pour éviter toute déperdition d'eau pendant l'opération de mélangeage. Le mélange préparé est évacué par le sas d'évacuation 7 et un conduit 8 vers les postes de moulage tels que schématisés sur les figures 2a, 2b, 2c et 3a, 3b et 3c. La figure 2a montre en coupe un poste de moulage de noyaux par soufflage d'un type connu.La figure 2b montre un poste analogue à ceux destinés à l'injection de gaz catalyseurs provoquant une réaction chimique irréversible. Ici ces gaz sont simplement remplacés par de l'air sec. Le mélange préparé, issu du conduit 8, est introduit dans le magasin 9 de la machine à souffler. ll est ensuite transféré, par soufflage d'air comprimé, dans la cavité de moulage d'un outillage 10, à travers des orifices de communication avec le magasin 9, l'air étant évacué par des orifices d'évacuation d'air 11. L'outillage 10, rempli du mélange serré, est transféré ensuite à un poste de gazage schématisé en figure 2b, où il est recouvert d'un caisson 12 et soumis à une circulation intense d'air sec jusqu'à l'obtention d'une déshydratation quasi totale du liant. Comme indiqué en figure 2c, le caissonl2 est alors retiré et la masse granulaire durcie est alors extraite de l'outillage, qui se trouve ainsi libéré pour le cycle suivant. La figure 3a montre un autre mode de mise en oeuvre du procédé. Le mélange préparé, issu du conduit 8, est déposé par gravité dans un outillage 13 dans lequel il peut être serré, par exemple, au moyen d'une table vibrante 14. En figure 3b, l'outillage garni du mélange serré est transféré dans une enceinte étanche 15 reliée à un dispositif de pompage susceptible de créer une pression réduite accélérant la déshydratation par évacuation de la vapeur d'eau dégagée. En figure 3c la masse granulaire moulée et durcie est séparée de l'outillage. La mise en oeuvre du processus ci-dessus décrite et son efficacité reposent sur l'application de deux phénomènes physiques par ailleurs bien connus: 1) La capacité calorifique importante des matériaux granulaires minéraux. A l'opposé des procédés connus précédemment décrits, l'invention utilise l'apport calorifique nécessaire à la déshydratation non pas sous forme externe, mais sous forme interne par chauffage préalable de la masse granulaire avant sa mise en oeuvre. A titre d'exemple, un sable de quartz présente une chaleur spécifique de 0,25 cal./g/ C, dont il résulte que dans une gamme de température inférieure à 100"C, un abaissement de température de 1"C est susceptible de provoquer l'évaporation de 0,038 % d'eau par rapport à la masse de sable. En d'autres termes, un sable de quartz dont la température initiale de 60"C est ramenée à la température de 25"C, soit une différence de 35"C, possède en lui-meme une capacité d'évaporation de: 0,038 x 35 = 1,33 % d'eau. C'est précisément la quantité d'eau à évacuer pour amener à siccité un silicate de soude liquide qui, incorporé au taux de 1% de matières sèches ( SiO2 + Na2O) représente un apport d'eau de 1,2 à 1,3 % par rapport à la masse de sable. 2) La loi régissant la vitesse d'évaporation, qui peut s'exprimer ainsi: dm ~.S.p1-p0 dt P dans laquelle: - K est une constante dépendant de la nature du solvant à évaporer, - S est la surface d'évaporation, - p, est la tension de vapeur saturanteà la température considérée, - p0 est la tension de vapeur existante à la même température, - P est la pression totale du système. L'application de cette loi montre que la vitesse d'évaporation sera d'autant plus grande que: a) la surface d'échange est plus élevée. Or, il se trouve qu'un sable standard de fonderie, d'indice de finesse AFS de 55/60 présente une surface spécifique trés importante, de l'ordre de 15 m2 / kg, b) la tension de vapeur différentielle p, - p0 est élevée. Cette condition peut être réalisée d'une part en faisant traverser la masse granulaire par de l'air le plus déshydraté possible, par exemple par de rair présentant un point de rosée de -23 , correspondant à une tension p0 de 1 mbar, et d'autre part en soumettant à l'évaporation un milieu granulaire porté à des températures telles que la tension de vapeur p, de l'eau atteigne des valeurs élevées. Le tableau ci-après rappelle quelques valeurs sigiùficatives: Températures en OC p, en mbar 20 22,9 25 32 30 41,4 35 57 60 200 69 300 76 400 On peut en déduire que, sous condition d'utiliser de l'air sec pour lequel la tension de vapeur p0 peut être considérée comme négligeable, la vitesse d'évaporation sera strictement proportionnelle à la tension de vapeur p,.A titre d'exemple, la vitesse d'évaporation sera huit fois plus importante pour du sable porté à la température de 60"C que pour du sable à 20"C (200 / 22,9 = 8,73), c) l'abaissement de la pression totale du système P au-dessous de la pression p, par emploi du vide. ll suffit de créer un vide résiduel inférieur à 200 mbar pour provoquer l'ébullition et donc l'élimination rapide de l'eau présente dans un milieu granulaire porté à 60"C. La mise en oeuvre de l'invention consiste donc, en premier lieu, à confectionner un mélange d'un matériau granulaire et d'un liant aqueux, comme vu précèdemment, l'ensemble étant porté à une température préalablement déterminée, toutefois inférieure à 100"C. Ce mélange étant ensuite mis en forme au contact du modèle, son liant est soumis à une évaporation suivant différents processus: le faire traverser par un courant d'air sous pression préalablement déshydraté jusqu'à un point de rosée de l'ordre de -23 C, ou le soumettre à une pression réduite inférieure à la tension de vapeur saturante de l'air à la température de la masse granulaire, la déshydratation sera alors obtenue par ébullition de l'eau. Au cours du processus d'évaporation. la masse granulaire va se refroidir, et il est indispensable de déterminer la température de chauffage initiale de la masse granulaire de telle manière que sa déshydration totale aboutisse en fin de cycle à une température supérieure à la température ambiante afin d'éviter toute reprise d'humidité par condensation de l'humidité ambiante. A titre d'exemple, un milieu granulaire quartzeux porté à la température de 60"C et contenant 1% d'humidité initiale sera ramené, en fin de cycle de durcissement, à 60 - 25 = 35 , c'est-à-dire à une température légèrement supérieure à la température ambiante. En résumé, le procédé d'agglomération d'un matériau granulaire, tel qu'un sable de fonderie, selon l'invention" est donc caractérisé par: - l'utilisation d'un liant soluble à l'eau, par exemple un silicate de soude, - le réchauffage préalable du matériau granulaire à une température supérieure à la température ambiante, mais inférieure à 100"C, - l'enrobage de la matière granulaire par le liant porté à la même température, - le durcissement rapide du liant par évaporation de son eau sous l'action de la masse granulaire chauffée, après la mise en forme de celle-ci dans un outillage par un moyen connu, ainsi que de l'insuffiation d'air sec à travers la masse granulaire et/ou de sa mise sous pression réduite dans une chambre à vide, - le choix de la température de réchauffage de la masse granulaire pour que, la déshydration étant réalisée, la température de la masse granulaire demeure supérieure à la température ambiante, Le processus d'évaporation ou de déshydratation selon l'invention est applicable avec tout type de liant adhésif soluble ou émulsionable dans l'eau ainsi qu'a tout type d'adhésif soluble dans un liant organique. Revendications 1- Procédé de fabrication d'élèments moulés à partir d'une masse granulaire agglomérée par un liant alcalin et durcie par déshydratation de ce liant caractérisé en ce que la masse granulaire et le liant sont portés à une température supérieure à la température ambiante et inférieure à 100"C, choisie de façon qu'en fin de déshydratation la température de la masse granulaire durcie reste supérieure à la température ambiante, la déshydratation rapide du liant étant assurée par Faction de l'apport calorifique de la masse granulaire combinée à une évacuation, par des moyens physiques de type connu en soi de la vapeur d'eau formée. 2- Procédé de fabrication d'élèments moulés selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen physique d'évacuation de la vapeur d'eau formée est une insufflation d'air sec à travers la masse granulaire moulée. 3- Procédé de fabrication d'élèments moulés selon les revendications I ou 2 caractérisé en ce que le moyen physique d'évacuation de la vapeur d'eau est une mise en pression réduite de la masse granulaire moulée dans une chambre à vide. 4- Procédé de fabrication d'élèments moulés selon la revendication 1 caractérisé en ce que la masse granulaire et le liant, préalablement portés à la température de mise en oeuvre, sont dosés et mélangés dans un mélangeur étanche et calorifugé (3). 5- Procédé de fabrication d'éléments moulés selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que le liant est un silicate de soude. 6- Procédé de fabrication d'éléments moulés selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que le liant est un adhésif soluble ou émulsionable dans l'eau. 7- Procédé de fabrication d'élèments moulés selon les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que le liant est un adhésif soluble dans un liant organique. 8- Procédé de fabrication d'élèments moulés selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'air sec insufflé a un point de rosée de l'ordre de - 23"C. 9- Procédé de fabrication d'élèments moulés selon la revendication 3 caractérisé en ce que la pression réduite à laquelle est soumise la masse granulaire moulée est inférieure à la tension de vapeur saturante de l'air à la température de la masse granulaire.