Brevet FR3084667A1 — publié le 20200207

PROCEDE DE MARQUAGE D'UNE PIECE CERAMIQUE REFRACTAIRE Domaine technique L'invention se rapporte à un procédé de marquage d'une pièce céramique réfractaire, notamment destinée à un four de verrerie ou à un four métallurgique. Etat de la technique Les pièces céramiques réfractaires denses, généralement de grandes dimensions, peuvent être utilisées à des températures élevées, en particulier dans des fours de fusion du verre ou de métaux. Elles peuvent notamment être produites par électrofusion. Ce procédé consiste à fondre les matières premières dans un four à arc, puis à couler la matière en fusion dans un moule et à la refroidir pour la solidifier. Le bloc dit « fondu » obtenu peut être ensuite usiné pour lui donner des dimensions adaptées à l'application. La composition d'une pièce céramique réfractaire et son procédé de fabrication sont adaptés à la région de four à laquelle elle est destinée. Pour assurer la traçabilité d'une pièce et pouvoir l'identifier lors de l'assemblage du four, notamment pour qu'elle puisse être disposée à un emplacement prédéterminé, il est nécessaire de la marquer sur le site de fabrication. La marque doit être - contrastée, - résistante à l'abrasion lors de sa manipulation, notamment lors de l'opération de montage, résistante à des températures supérieures à 600`C, en particulier pour autoriser un marquage d'une face de joint ou d'une face froide de la pièce. Selon les applications, la marque doit être effaçable ou non. Sur la face froide, une marque non effaçable permet d'authentifier et de tracer la pièce après montage, et même après utilisation du four. Sur les autres faces, une marque effaçable permet une modification de la marque lors du montage et évite une détérioration trop rapide, notamment vis-à-vis du bullage dans une application en four verrier. 2 Le procédé de marquage doit être rapide et efficace, avec une vitesse de marquage de plusieurs centimètres par seconde. De préférence, le marquage d'une surface de 400 cm2 doit pouvoir être réalisé en une minute. Le procédé de marquage ne doit de préférence pas nécessiter de préparation de la surface, hormis un simple essuyage, un séchage à l'air ambiant après usinage sous eau, ou un sablage afin de réduire les bavures ou excroissances observées sur des pièces brutes de fabrication ou d'usinage. Enfin, le marquage ne devrait pas conduire à un changement de formulation du matériau, toujours susceptible de réduire la performance en service. 10 Pour marquer une pièce, il est connu de déposer une encre à sa surface. Les encres ne sont cependant pas persistantes à la température d'usage des tours et sont nuisibles à l'environnement. Des procédés de marquage laser sont également connus. Appliqués à des pièces céramiques comportant des grains comprenant de la zircone, ils conduisent classiquement 15 à des dégradés de couleur et/ou à des taches noires qui nuisent à la lisibilité de la marque. US 5 272 120 divulgue par exemple un procédé de marquage au moyen d'un rayonnement laser YAG ou 002, d'une puissance typiquement de 7 à 10 W environ, avec une fréquence de 8 KHz et une vitesse de déplacement de 22 mm/sec sous atmosphère réduite en oxygène. 20 US 5 543 269 propose un procédé de marquage au moyen d'un rayonnement laser de type Nd-YAG multimode. La marque est effaçable. JP 2005-4175624 suggère un procédé de marquage au moyen d'un rayonnement laser oscillant en mode simple (à la différence des lasers YAG), notamment au moyen d'un laser YVO., de 6,5W de puissance et de 1064 nariornètres de longueur d'onde. 25 US 4 769 310 suggère de modifier la composition de pièces céramiques à marquer en y incorporant des pigments inorganiques sensibles au rayonnement laser. Ces ajouts peuvent cependant dégrader significativement la performance de la pièce céramique en service et contaminer le bain de verre en fusion dans le cas d'une application à un four verrier. US 5 030 551 ou US 6 238 847 proposent de déposer sur la surface à marquer une couche sensible au rayonnement laser. Cette couche est cependant peu adhérente et résiste mal à l'abrasion. Il existe donc un besoin pour un procédé de marquage d'une pièce céramique réfractaire dense respectant les contraintes listées ci-dessus et ne présentant pas les inconvénients des procédés connus. Un but de l'invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin. 5 Résumé de l'invention L'invention concerne un procédé de marquage d'une surface d'une pièce céramique réfractaire, dite 0,1, de préférence 800.F/(V.D) > 0,15 ; - l'énergie d'exposition est adaptée pour éliminer la phase liante sur une profondeur 15 comprise entre 5 et 100 pm, de préférence inférieure à 75 grn, de préférence inférieure à 50 pm ; avant irradiation, la surface à marquer présente une rugosité Ra, mesurée selon ia norme IS04287/1997, inférieure à 20 pm et/ou la pièce céramique réfractaire présente un pourcentage d'humidité inférieur ou égal à 1% ; 20 - les grains comportent plus de 95% en masse de Zr02 ; - la pièce céramique réfractaire est en un matériau fondu ; - la pièce céramique réfractaire est en un matériau constitué, pour plus de 90% de sa masse, d'un ou plusieurs oxydes choisis dans le groupe constitué par Z1-0,, A1203, Si02, Cr203, Y203, et Ce02 ; 25 le faisceau laser présente, sur la surface à marquer, un diamètre équivalent compris entre 30 et 100 pm ; l'énergie d'exposition est comprise entre 5 et 3 000 J/mm3. L'invention concerne aussi une pièce céramique réfractaire dense comportant une marque, de préférence inscrite au moyen d'un procédé de marquage selon l'invention, la marque 30 définissant une cavité d'une profondeur comprise entre 5 et 100 prn, de préférence inférieure à 75 prn, de préférence inférieure à 50 pm, et/ou 5 - du fond de laquelle les grains font saillie, en moyenne, de plus de 5%, de préférence de plus de 10% de leur taille moyenne, et/ou de moins de 50%, de préférence moins de 30%, voire moins de 20% de leur taille moyenne. 5 La marque peut être notamment un caractère alphanumérique, une iigne ou une matrice de points ou une représentation graphique. De préférence, la marque comporte une pluralité de points, la densité de points étant comprise entre 100 et 1000 points par me. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un four, en particulier d'un four 10 de verrerie ou d'un four métallurgique, ledit procédé comportant les étapes suivantes : 1) fabrication d'une pluralité de pièces céramiques réfractaires et inscription d'une marque sur chaque pièce suivant un procédé de marquage selon l'invention, la marque inscrite sur une pièce étant fonction d'un emplacement prévu pour ladite pièce dans le four ; 15 2) assemblage des pièces céramiques réfractaires, de manière que chaque pièce soit à un emplacement conforme à la marque qui y est inscrite. L'invention concerne également un procédé de contrôle de l'assemblage de pièces réfractaires d'un revêtement d'un four, en particulier d'un four de verrerie ou d'un four métallurgique, procédé dans lequel, après assemblage desdites pièces réfractaires, on lit 20 une marque inscrite sur une dite pièce réfractaire, puis on compare l'emplacement réel de ladite pièce à un emplacement prédéterminé identifié au moyen de ladite marque. Définitions Par c , est courte, plus la puissance surfacique est élevée. La distance focale D est de préférence comprise entre 50 et 500 mm, de préférence entre 100 et 450 mm, de préférence entre 150 et 400 mm. Une telle distance focale est avantageusement compatible avec les diamètres équivalents décrits d-dessus, et en particulier avec un diamètre équivalent compris entre 10 et 100 lm. Les inventeurs ont découvert qu'il est particulièrement avantageux que le réglage du dispositif laser respecte la relation (1) suivante a.V2 + b.F2 + c.VF + d.V + e. F + f 3 sEWS , -2,2E+08 .-51E+55 5 3E+05 , 7E1 -2,7E+08 4 6E+06. 446E4.06 .5,7E+05 4,1, '2E405 ,.. -5,7E+05 60+06 -1,6E406 S 3E405 s grias 9 36305 .E.E06 1,2E40.6 it,"EJ 06 zEfoti ^,?E.y oe )6 , .. I 2F1 Of; li 9.35+11 e1,9i311 11, 9,9E+11 1 t5E+1/ 1,5E+11 f171 1,5f.-d1 1,5E-n1 1,5E+11 1, 8,9fA.1,1 O.) a,V2*b.,P+(...VF+dN+e,F+fr' 396t1s non -4,80+12 ouE -42E+12 -1,4E+1 ^2040411 OUI 1,2E+11 P -3,90112 5,5E+11 .-2,0t *12 1,2 Relation n'A peetée si (1) c 0 800P / (V*D) ..... OUF oui oui non OU; 0100 QUI oui oW oui qt vienne fier) 40 72,7 2,8 50 90 1,2 0,5 0,4 0,1 0,2 25 08 2 RO 30 2 10 50 3., WU a alleijilé moyenne (y. n) R mai: thibilitê de la marque Elevée lev& fiieve:e levée f t 75 Élevée Eevdc Elevee 1 ' F« Eleyé a I e Mat .tie effariable7 000 a00 008 OUI 0W non non non fun' cul oui 3IRft ou non oui non 0011 _., non Destruction superf ici E1 'tof rnAtértau non non nor MM ouf rien non 7 ün *: hors nt n Tableau 15 Les exemples selon l'invention montrent que si les variables F et V sont choisies de manière à ce que la relation (1) soit respectée, la marque présente une couleur homogène, sans dégradé, et un contraste assurant une très bonne lisibilité. 5 L'exemple comparatif 1 a*, réalisé avec une fréquence de pulsation plus faible que celle de l'exemple 1a selon l'invention, présente un marquage contrasté, non effaçable mais peu lisible. La rugosité moyenne de la surface marquée est plus élevée. La vitesse de déplacement des exemples 2a* et 2b* comparatifs a été modifiée significativement par rapport aux exemples 2a et 2b selon l'invention, respectivement. La 10 lisibilité de la marque en est considérablement dégradée. La comparaison des exemples 1c et lb montre que la réduction de la fréquence de pulsation F permet de rendre la marque effaçable après traitement thermique à 800°C pendant 24h. Les exemples 3 et 4 selon l'invention montrent qu'à fréquence constante la marque peut 15 devenir effaçable (pour un produit selon l'invention) par un changement de la vitesse de déplacement du faisceau laser le long de la surface du bloc réfractaire à marquer. Le bon comportement au bullage des pièces marquées selon l'invention a été constaté dans un test classique de bullage avec du verre sodocalcique à 1100°C durant 30 heures. Les pièces marquées suivant un procédé de marquage selon l'invention sont donc adaptées à 20 une utilisation dans un revêtement d'un four de fusion de verre. Comme cela apparaît clairement à présent, l'invention fournit un procédé de marquage simple à mettre en oeuvre, qui ne modifie pas les propriétés de la pièce céramique réfractaire, et permet d'obtenir une marque bien adaptée aux pièces céramiques réfractaires de fours métallurgiques ou verriers. 25 Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, REVENDICATIONS1. Procédé de marquage d'une surface d'une pièce céramique réfractaire, dite « surface à marquer », ladite pièce présentant - une microstructure comprenant des grains comportant chacun plus de 50% en masse de Zr02, liés par une phase liante silicatée, - une porosité totale inférieure à 5% en volume, ledit procédé comportant une irradiation de ladite surface par un faisceau laser, le faisceau étant émis par un dispositif laser réglé pour respecter la relation (1) suivante a.V2 + b.F2 + c.VF + d.V + e. F + f 2.108 b =0,5.108. D - 150.108 0,5.108. D - 300.108 d = 5.103. D - 2,5.106 e = -5.103. D + 2,0.108 f = -5.109 D + 1,8.1012 la vitesse linéaire de déplacement « V » du faisceau incident sur la surface de la pièce céramique réfractaire étant exprimée en mm/seconde, la distance focale « D » étant exprimée en mm et, le dispositif utilisé étant un laser pulsé, la fréquence des pulsations « F » étant exprimée en KHz. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la fréquence F est inférieure à 300 KHz etfou la vitesse V est inférieure à 5000 mm/sec. Procédé selon la revendication immédiatement précédente, dans lequel la fréquence F est inférieure à 100 KHz etfou la vitesse V est inférieure à 3000 mmisec. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pour rendre la marque effaçable, FN