Brevet FR2782713A1 — publié le 20000303

La présente invention concerne des bagues ou cylindres composites isolants thermiques, destinés à recouvrir totalement ou partiellement des rouleaux métalliques utilisés pour le transport du verre plat au cours de son élaboration. Les ateliers de fabrication de verre plat comprennent une zone, appelée étenderie, située en aval du four, dans laquelle le verre est à la fois refroidi et transporté. Le verre plat y entre à des températures supérieures à 600 C. Il y est transporté sur un train de rouleaux, totalement lisses ou munis de bagues, et refroidi progressivement de façon à atteindre des températures inférieures à 200 C. Le matériau constituant les rouleaux et étant en contact avec le verre doit posséder les caractéristiques suivantes: * Stabilité à des températures jusqu'à 700 C, en fonction de la position du rouleau concerné dans l'étenderie. * Longévité élevée, car il n'est pas possible de réaliser fréquemment des opérations de maintenance sur les installations de fabrication du verre plat. e Compatibilité avec le verre: le matériau ne doit ni rayer, ni tâcher, ni attaquer chimiquement le verre en cours de fabrication. Pour répondre à ces contraintes, les rouleaux et bagues (dans le cas de tubes bagués) sont fabriqués en acier. Ce matériau est en effet stable à haute température pendant plusieurs années. Il peut se polir et il ne présente pas d'interaction chimique avec le verre. Cependant, sa20 conductibilité thermique élevée génère des microdéfauts dans le verre, par choc thermique. Des matériaux isolants destinés à habiller totalement ou partiellement les rouleaux métalliques ont été développés, mais ils ne répondent pas à l'ensemble des contraintes. * Bagues composites à matrice organique: ces matériaux sont constitués de résine organique (époxy, phénolique ou autre), de charges et de fibres diverses. La présence de liants organiques rend impossible leur utilisation à des températures supérieures à 300 C environ. * Bagues composites de type Carbone / Carbone: ce matériau se dégrade rapidement à haute température par oxydation, au dessus de 350 C environ. * Cartons céramiques et produits à base de mica: ces matériaux sont très friables. Ils ne se polissent pas, s'usent vite et ne possèdent pas une longévité suffisante. Le brevet FR 8714096 suggère l'utilisation de composites à fibres stables à haute température pour la manipulation et le transport d'objets chauds dans l'industrie mais ne décrit -2- en aucune façon la réalisation de bagues et cylindres composites pour habiller totalement ou partiellement les rouleaux métalliques des installations de fabrication du verre plat. Il manquait donc un matériau répondant à ce besoin pour des températures supérieures à 350 C. Les bagues et cylindres composites selon l'invention, principalement constitués de fibres stables à haute température et d'une matrice céramique durcissable après imprégnation, répondent aux contraintes demandées dans l'application: tenue en température, isolation thermique, compatibilité avec le verre et longévité. En effet:. Le renfort fibreux et la matrice céramique durcissable après imprégnation entrant dans la composition des bagues et cylindres composites selon l'invention peuvent supporter des températures de 1200 C en continu. * Les bagues et cylindres composites selon l'invention ne sont pas friables et peuvent être polis. * Les constituants des bagues et cylindres selon l'invention n'altèrent pas le verre en cours d'élaboration. * Le matériau composant les bagues et cylindres selon l'invention est isolant thermique. Le renfort fibreux utilisé pour la fabrication des bagues et cylindres selon l'invention peut être composé de divers types de fibres. Nous citerons, non limitativement, les fibres de verre R, E ou AR, les fibres continues céramiques (type Nextel ou Safil), les fibres à base de SiC (type Nicalon), les fibres de silice vitreuse (type Quartzel), les fibres métalliques, les20 mélanges de plusieurs de ces fibres ou les mélanges de ces fibres avec d'autres types de fibres. Le renfort fibreux peut se présenter sous diverses formes. Nous citerons, non limitativement: Filament continu, roving: dans ce cas, la bague ou le cylindre peut être fabriqué par enroulement filamentaire. * Tissu: la bague ou le cylindre est alors fabriqué par enroulement de tissu pré-imprégné ou non, ou bien par pultrusion. La matrice est une résine durcissable après imprégnation, de préférence une résine thermodurcissable de type Géopolymite (marque déposée), commercialisée par la société GEOPOLYMERE SA.30 La bague ou le cylindre composite peut être mis en place de différentes façons sur le rouleau. Il peut recouvrir totalement le rouleau (on parle alors de tubes lisses) ou partiellement -3 - (on parle alors de tubes crantés et de tubes bagués). On citera en exemple quelques modes de mise en place possible: Enroulement direct du renfort fibreux imprégné de matrice durcissable autour du rouleau métallique. * Enroulement du renfort fibreux imprégné autour d'un mandrin métallique creux, puis mise en place du mandrin creux recouvert de matériau composite sur le rouleau métallique. La fixation entre le mandrin creux et le tube métallique peut se faire par soudage ou tout autre moyen mécanique. * Fabrication par enroulement ou pultrusion de la bague ou du cylindre composite seul puis mise en place de la bague ou du cylindre sur le rouleau métallique. La fixation entre la bague ou le cylindre composite et le rouleau métallique peut se faire par collage, serrage ou tout autre moyen mécanique. Pour palier aux problèmes liés à la différence de dilatation entre le métal et la bague ou le cylindre composite, et laisser la dilatation s'exercer librement, on pourra désolidariser les parties métalliques et le matériau composite isolant par un matériau souple et stable en température (tissu ou papier céramique par exemple). Il est recommandé de réaliser une liaison mécanique entre la bague ou le cylindre composite et le rouleau métallique sur lequel le composite est installé, afin que le matériau isolant soit correctement entraîné dans la rotation du rouleau lors du transport du verre plat.20 Cette liaison mécanique pourra être réalisée par une saillie ou un creux, ou par tout autre artifice qui solidarise mécaniquement, et de préférence sans adhérence le rouleau métallique et la bague ou le cylindre composite. Exemple 1: On prépare de la résine Géopolymite HT 510 (marque déposée), commercialisée et fabriquée par la société GEOPOLYMERE SA selon le brevet français FR 9002854. La résine Géopolymite HT 510 est une résine bi-composants, prête à l'emploi. Les deux constituants sont mélangés et la résine est conservée à -1 8 C pendant 1 heure pour maturation. On prépare ensuite l'anneau composite par la technique de l'enroulement filamentaire. Un tube métallique servant de mandrin et muni d'une saignée est mis en place sur une machine à enroulement filamentaire. Avant la dépose sur le tube métallique du fil de verre imprégné de résine Géopolymite HT 510, le tube est recouvert de 2 mm de papier céramique servant -4- d'absorbeur de dilatation. Une bobine de roving de verre R (fabriqué par la société Vetrotex) est imprégnée et déposée sur le papier céramique recouvrant le tube métallique. Une fois que l'épaisseur de composite souhaitée est atteinte, le tube métallique et le composite sont enfermés dans une bâche en polyéthylène, mis à l'étuve à 60 C pendant 12 heures pour faire durcir la résine. Une fois ce traitement terminé, l'ensemble est sorti de la bâche polyéthylène et séché en étuve à 90 C pendant 12 heures pour stabiliser le composite. Le tube métallique recouvert de composite peut ensuite être tronçonné en plusieurs bagues de largeur variable pour être montées sur des rouleaux d'étenderie. Le composite peut aussi être poli. Il est également possible de réaliser l'enroulement filamentaire directement sur le rouleau10 d'étenderie. Cette méthode est avantageuse pour recouvrir le rouleau dans son intégralité Le matériau ainsi préparé est stable à 450 C en continu. Exemple 2: On prépare de la résine Géopolymite GP 140 (marque déposée), commercialisée et fabriquée par la société GEOPOLYMERE SA selon le brevet européen EP 05189980 et la demande WO 91/13830. La résine Géopolymite GP 140 est une résine bi-composants, prête à l'emploi. Les deux constituants sont mélangés et la résine est conservée à 5 C pendant 30 minutes pour maturation. On imprègne en plein bain un tissu à base de fibre céramique renforcée Nickel-Chrome (commercialisé par la société PBI) avec la résine Géopolymite GP 140. On enroule ce tissu imprégné autour d'un tube métallique servant de support. On imprègne par ailleurs un tissu à base de fibre céramique renforcée par un fil de verre avec de la résine Géopolymite GP 140, puis on enroule ce tissu imprégné autour du tissu à base de fibre céramique renforcé Nickel Chrome, de façon à éliminer toute trace de fibre métallique en surface du composite. Cette disposition permet de ne pas rayer le verre en cours d'élaboration.25 Quand l'enroulement est terminé, le tube métallique recouvert de composite est enfermé dans une bâche en polyéthylène, puis placé 12 heures en étuve à 60 C pour faire durcir la résine. Une fois ce traitement terminé, l'ensemble est sorti de la bâche polyéthylène et séché en étuve à 90 C pendant 12 heures, puis à 250 C pour finir de stabiliser le composite. Le cylindre composite est retiré de son support métallique pour le mettre directement en place sur le rouleau d'étenderie, sans absorbeur de dilatation. Le matériau ainsi préparé est stable à 800 C en continu et peut être poli. -5- Il est facile d'imaginer des associations multiples de combinaison de différentes sortes de fibres stables à température élevée et de matrices céramiques durcissables après imprégnation sans pour autant sortir du cadre de l'invention. On peut en effet faire varier le type de fibre en prenant par exemple de la fibre céramique continue Nextel (commercialisée par la société 3M) et une résine Géopolymite de type FX pour une tenue en température supérieure à 1000 C. -6- REVENDICATIONS 1) Bague ou cylindre composite stable à des températures supérieures à 350 C et isolant thermique, destiné à habiller totalement ou partiellement les rouleaux métalliques utilisés dans les installations de production de verre plat, caractérisé en ce qu'il comprend un enroulement de une ou plusieurs couches de fibres stables à hautes températures et une matrice céramique 5 durcissable après imprégnation. 2) Bague ou cylindre composite selon la revendication 1, fabriqué par enroulement d'un filament continu imprégné de résine autour d'un mandrin. 3) Bague ou cylindre composite selon la revendication 1, fabriqué par enroulement d'un tissu imprégné de résine autour d'un mandrin. 4) Bague ou cylindre composite selon la revendication 1, fabriqué par enroulement d'un filament continu imprégné de résine directement autour du rouleau métallique utilisé dans l'étenderie de production du verre plat. 5) Bague ou cylindre composite selon la revendication 1, fabriqué par enroulement d'un tissu imprégné de résine directement autour du rouleau métallique utilisé dans l'étenderie de production du verre plat. 6) Bague ou cylindre composite selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il contient une matrice à base de résine Géopolymite (marque déposée). 7) Bague ou cylindre composite selon les revendications I à 5 caractérisé en ce qu'il comprend une couche en matériau composite thermostable absorbant les différences de dilatation entre le rouleau métallique et le composite isolant thermostable.