Brevet FR2966750A1 — publié le 20120504

La présente invention concerne une installation de fabrication des billes millimétriques d'oxydes mixtes destinées à la fabrication de cristaux syn- thétiques, notamment des billes millimétriques de Al203 destinées à la fabrication de saphir synthé- tique à partir des microbilles de Al203 ayant un diamètre moyen entre 20 et 100 µm, et un procédé de fabrication continue des billes millimétriques de Al203 au moyen de l'installation. Pour la fabrication du saphir synthétique et en fonction de la qualité et pureté souhaitées on fait fondre de l'Al203 sous différentes formes tel-les que poudres, poudres pastillées ou paillettes, microbilles, cristaux cassés ou craquelés de saphir. L'utilisation des poudres seules ne permet pas d'obtenir un produit de densité suffisante pour permettre de remplir en une fois les creusets utilisés pour fondre la charge ; de plus lors de la fusion, les gaz chauds libérés font voler les particules fines de poudres : il faut donc, au minimum, utiliser des pastilles de poudres pressées voire frittées pour limiter les ces phénomènes lors de la fusion. Souvent on préfère utiliser un mélange des différents éléments précités sous forme pré-cristallisée en essayant d'obtenir une bonne densité apparente qui est un gage de productivité. Cependant la demande croissante du marché se heurte à une insuffisance de cristaux cassés ; les microbilles présentent l'intérêt d'une grande 25.10.2010 coulabilité utile pour les mélanger à des cristaux cassés ou refondus ; cependant, utilisées en trop grande quantité, elles sont difficiles à dégazer rapidement du fait de leur trop petite taille ; ceci peut alors induire des défauts de type bulles dans les cristaux de saphir obtenus. L'inventeur a mis au point une installation et un procédé permettant de produire des billes ou sphéroides en alumine dense et ultra pure d'un diamètre moyen ajustable de 1 à 10 mm. Avec ces billes millimétriques de masse volumique proche de 3,98, on obtient une densité apparente supérieure à 2 ce u qui permet d'obtenir par la suite un saphir synthétique de très bonne qualité avec une bonne productivité. L'installation selon l'invention est caractérisée 20 par le fait qu'elle comprend un creuset tubulaire fait d'un métal réfractaire logé dans d'un tube de céramique isolante, un dispositif de chauffage de ce creuset par induction, que le fond du creuset est muni d'au moins une sortie capillaire d'un 25 diamètre interne de 0,5 à 2 mm, que l'ensemble précité est sous atmosphère contrôlée dans un tube en quartz avec circulation de gaz neutre d'une longueur supérieure à celle du creuset de sorte que les gouttes d'alumine en fusion formées à 30 l'extrémité inférieure de la sortie capillaire du creuset tombent dans le tube en quartz en chute 25.10.2010 libre et se refroidissent par rayonnement de température, que la partie inférieure du tube en quartz est munie d'une grille à mailles millimétriques permettant si besoin de fragmenter les grosses gouttes d'alumine, et qu'ensuite un dispositif de pré-refroidissement accéléré permet de refroidir les billes millimétriques avant leur évacuation vers un récipient alimenté d'un liquide de refroidissement susceptible de contribuer au transport de ces billes. Selon une exécution préférée l'installation est caractérisée par le fait que le dispositif de refroidissement accéléré est un tube, de préférence u en laiton, incliné et pourvu de moyens de refroidissement Selon une variante d'exécution l'installation est caractérisée par le fait qu'un dispositif de char- 20 gement continu du creuset est situé en amont du creuset comprenant un réservoir des microbilles muni d'orifices à travers lesquelles sortent les microbilles par gravité et sont guidées vers le creuset par un tube, que le débit des microbilles 25 est réglé par un piston piloté séquentiellement pour ouvrir et fermer lesdits orifices. Selon une variante d'exécution l'installation est caractérisée par le fait que le débit des micro- 30 billes est réglé de sorte que le temps de résiden- 25.10.2010 ce de la masse en fusion dans le creuset soit au moins de l'ordre de 10 secondes. Selon une variante d'exécution l'installation est caractérisée par le fait que le fond du creuset est plat et comprend une ou plusieurs sorties capillaires. Selon une autre variante d'exécution l'installation est caractérisée par le fait que le fond du creuset est conique et comprend une seule sortie capillaire. Selon une exécution préférée l'installation est caractérisée par le fait que le creuset a une hauteur minimum de 50 mm, que son diamètre intérieure minimum est de 20 mm. Selon une variante d'exécution l'installation est caractérisée par le fait que le diamètre interne d'un capillaire est compris entre 0,5 et 2 mm, sa hauteur de 2 à 5 mm et son diamètre externe est de 1 à 6mm mm. L'invention concerne aussi un procédé de fabrication des billes au moyen de l'installation précitée. Le procédé comprend les étapes suivantes : - circulation continue d'un gaz neutre dans 30 l'installation afin de conserver le contrôle 25.10.2010 25 de l'atmosphère et maîtrise éventuelle de l'étanchéité par un joint liquide, - alimentation séquentielle du creuset chauffé à plus de 2050 °C avec des microbilles d'Al203 5 d'un diamètre moyen entre 20 et 100 µm de sorte que le temps de résidence des microbilles soit au minimum de 10 sec, - passage des gouttes formées à l'extrémité in- férieure de la sortie capillaire du creuset dans le tube en quartz et fragmentation le cas échéant sur la grille à mailles millimétrique, - passage éventuel dans le tube en laiton de pré-refroidissement - récupération des billes ou sphéroïdes milli- métriques dans un récipient alimenté par un liquide de refroidissement susceptible de contribuer au transport de ces billes L'invention sera décrite à l'aide du dessin annexé La figure 1 est vue de côté du creuset ; La figure 2 est une vue de côté tube en céramique isolante ; La figure 3 est une vue de côté de l'ensemble creuset et tube en céramique avec les moyens de chauffage ; 25.10.2010 La figure 5 est une schématique de côté de l'ensemble de l'installation. L'installation comprend un creuset 1 de forme cy- lindrique fait d'un métal réfractaire tel qu'iridium, tungstène, molybdène_ et il est posé sur une base cylindrique 2 en céramique isolante telle qu'alumine ou zircone. Le diamètre du creuset varie d'environ 20 à 80 mm et sa hauteur est de minimum 50 mm. Un tube 3 également en céramique isolante de dimensions correspondantes est mis sur le creuset 1. Ce tube 3 en céramique isolante est entouré d'un dispositif de chauffage 4 par induction. L'extrémité inférieure du creuset est de forme plate et muni de plusieurs orifices capillaires dont le diamètre moyen varie de 0.5 à 2 mm tandis que leur hauteur varie de 2 à 5 mm. Le fond du creuset 1 peut aussi être conique muni d'un seul orifice. L'ensemble constitué du creuset 1, du tube en cé- ramique 3 et le dispositif de chauffage sont logés dans un tube vertical en quartz 5 de l'ordre de 2 mètres. La partie inférieure du tube en quartz 5 est munie d'une grille millimétriques 6. A l'extrémité inférieure du tube en quartz 5 un en- tonnoir 7 est fixé de manière étanche et il commu- nique ave un tube incliné 8 muni de moyens de re- froidissements (non représentés). L'extrémité in- férieure du tube 8 abouti dans un récipient 9 col- 25.10.2010 7 lectant les billes millimétriques formées. L'entonnoir 7 et le tuyau 8 sont faits en principe en laiton. Le récipient 9 est alimenté par un liquide de refroidissement susceptible selon les installations de contribuer au transport des billes. La partie supérieure du tube est munie d'un dispositif de chargement 10 de microbilles d'alumine. Ce dispositif 10 est muni de moyens pour permettre un chargement continu du creuset. Il comprend un réservoir des microbilles muni d'orifices à travers lesquelles sortent les microbilles par gravi-té et sont guidées vers le creuset par un tube en alumine dense ou en saphir synthétique ou en en métal noble. Le débit des microbilles est réglé par un piston piloté séquentiellement pour ouvrir et fermer lesdits orifices. Le tube de quartz 5 est hermétiquement fermé et une circulation d'un gaz neutre tel que de l'argon est assurée ; l'étanchéité à l'intérieur du tube en quartz est obtenue au moyen de joints d'étanchéité liquides. Le dispositif de chauffage 4 par induction assure 25 à l'intérieur du creuset une température de l'ordre de 2050° C. Le procédé de production des billes millimétriques sera maintenant décrit. 25.10.2010 On commence par assurer une circulation continue d'un gaz neutre dans l'installation afin de contrôler l'atmosphère de l'enceinte dont l'étanchéité est assurée par les joints liquides. On alimente séquentiellement le creuset chauffé à plus de 2050 °C, avec des microbilles d'Al203 d'un diamètre moyen entre 20 et 100 µm de sorte que le temps de résidence des microbilles soit au minimum d'une dizaine de secondes, temps nécessaire pour la liquéfaction des microbilles et l'évaporation des gaz afin que la masse soit la plus homogène possible. Par capillarité des gouttes sortent de l'orifice ou des orifices du fond du creuset 1 et tombent par gravité dans l'atmosphère neutre du tube en quartz 5 et se fragmentent sur la grille millimétrique 6 si leur grandeur est supérieure à celle des mailles de la grille. Pendant leur chute les gouttes subissent un premier refroidissement par radiation de température. Par la suite elles sont recueillies dans l'entonnoir 7 et dirigées vers le tube en laiton 8 incliné et refroidi. L'inclinaison du tube 8 assure un contact des gouttes avec le tube et accélère leur refroidisse- ment tout au long de leur déplacement. À l'extrémité inférieure du tube 8 on recueille dans le récipient 9 les billes ou sphéroïdes millimé- triques dont le diamètre est de l'ordre 0.3 à 4 mm. Le récipient est alimenté par un liquide de refroidissement achevant le refroidissement des billes et pouvant selon les installations contri- 25.10.2010 bué au transfert des billes vers une autre destination de stockage. Les essais déjà réalisés permettent d'obtenir des billes ou sphéroïdes millimétrique d'une pureté chimique en Al203 de 99,998 %, en phase alpha (phase cristalline, d'une densité apparente ou absolu supérieure à 2. Le même procédé de fabrication continue est applicable à tout type de matériau présentant des similitudes dans les propriétés physiques de viscosité et tension superficielle. C'est tout à fait le cas des alumines dopées ou de composés d'oxydes mixtes comme le YAG (Y3A15012) par exemple. 25.10.2010 REVENDICATIONS1. Installation de fabrication continue des billes millimétriques d'oxydes mixtes destinées à la fabrication de cristaux synthétiques, notamment des billes millimétriques de Al203 destinées à la fabrication de saphir synthétique à partir des microbilles de Al203 ayant un diamètre moyen entre 20 et 100 µm, caractérisée par le fait qu'elle com- prend un creuset tubulaire (1) fait d'un métal ré- fractaire logé dans d'un tube (3) de céramique isolante, un dispositif de chauffage (4) de ce creuset (1) par induction, que le fond du creuset (1) est muni d'au moins une sortie capillaire d'un diamètre interne de 0,5 à 2 mm, que l'ensemble 15 précité (1,3,4) est sous atmosphère contrôlée dans un tube en quartz (5) avec circulation de gaz neu- tre d'une longueur supérieure à celle du creuset (1) de sorte que les gouttes d'alumine en fusion formées à l'extrémité inférieure de la sortie ca- lo pillaire du creuset (1) tombent dans le tube en quartz (5) en chute libre et se refroidissent par rayonnement de température, que la partie infé- rieure du tube en quartz (5) est munie d'une gril- le (6) à mailles millimétriques permettant si be- 25 soin de fragmenter les grosses gouttes d'alumine, et qu'ensuite un dispositif de pré-refroidissement (7, 8) accéléré permet de refroidir les billes millimétriques avant leur évacuation vers un réci- pient(9) alimenté d'un liquide de refroidissement 25.10.201011 susceptible de contribuer au transport de ces billes. 2. Installation selon la revendication 1, carac térisée par le fait que le dispositif de refroidissement accéléré est un tube (8), de préférence en laiton, incliné et pourvu de moyens de refroidissement. 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'un dispositif de chargement (10) continu du creuset est situé en amont du creuset (1) comprenant un réservoir des microbilles muni d'orifices à travers lesquelles sortent les microbilles par gravité et sont guidées vers le creuset par un tube, que le débit des microbilles est réglé par un piston piloté séquentiellement pour ouvrir et fermer lesdits orifices. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée par le fait que le débit des microbilles est réglé de sorte que le temps de résidence de la masse en fusion dans le creuset soit au moins de l'ordre de 10 secondes. 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le fond du creuset est plat et comprend une ou plusieurs sorties capillaires. 25.10.201012 6. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que le fond du creuset est conique et comprend une seule sortie capillaire. 7. Installation selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le creuset a une hauteur minimum de 50 mm, que son diamètre intérieure minimum est de 20 mm. 10 8. Installation selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée par le fait que le diamètre in-terne d'un capillaire est compris entre 0,5 et 2 mm, sa hauteur de 2 à 5 mm et son diamètre externe 15 est de 1 à 6mm mm. 9. Procédé de production des billes millimétriques d'oxydes mixtes destinées à la fabrication de cristaux synthétiques notamment des billes milli- 20 métriques de Al203 destinées à la fabrication de saphir synthétique au moyen de l'installation selon l'une des revendications précédentes selon les étapes suivantes . 25 - circulation continue d'un gaz neutre dans l'installation afin de conserver le contrôle de l'atmosphère et maîtrise éventuelle de l'étanchéité par un joint liquide, - alimentation séquentielle du creuset chauffé à 30 plus de 2050 °C avec des microbilles d'Al203 d'un diamètre moyen entre 20 et 100 µm de sor- 25.10.2010te que le temps de résidence des microbilles soit au minimum de 10 sec, - passage des gouttes formées à l'extrémité inférieure de la sortie capillaire du creuset dans le tube en quartz et fragmentation le cas échéant sur la grille à mailles millimétrique, - passage éventuel dans le tube en laiton de pré-refroidissement - récupération des billes ou sphéroïdes millimétriques dans un récipient alimenté par un liquide de refroidissement susceptible de contribuer au transport de ces billes. 25.10.2010