<Desc/Clms Page number 1>
Produits vitrifiés
La présente invention a trait aux produits vitrifiés obtenus' par fabrication directe en partant de matières argileuses, telles qu'argile et argile schisteuse, en soumettant cette matière à la com- pression et à la déformation (par exemple en la moulant sous pression) pendant qu'elle est à une: température à laquelle une partie notable (soit 20 à 35 %) est effectivement à un état fluide (c'est-à-dire fondu).De ce fait, les parties ou Particules solides de la matière sont repoussées dans ses parties liquides
<Desc/Clms Page number 2>
et celles-ci sont repoussées dans les interstices entre les particules solides non fondues. Cette partie fondue, lorsque on la laisse ensuite refroidir, devient le liant servant à maintenir l'objet assemblé.
Un des buts de l'invention est de permettre de fa- briquer des produits argileux vitrifiés supérieurs à certains égards aux produits argileux vitrifiés actuel- lement connus*
Un des procédés ordinaires, qui est en fait le .procédé habituel de fabrication des objets en argile vi- trifiés consiste à mélanger l'argile avec de l'eau en quantité suffisante pour former une masse plastique, à mouler ensuite cette masse plastique de toute manière dé- sirée, sous pression ou non, puis à la sécher et à la chauffer jusqu'à l'ordre des températures de vitrification,, L'argile utilisée pour des applications céramiques est toujours un mélange hétérogène contenant de la kaolinite ou un silicate d'aluminium aqueux analogue et des matières plus facilement fusibles que la kaolinite,
ainsi que, dans de nombreux cas, des matières moins facilement fusibles qu'elle .
Pendant le chauffage, les matières qui sont le plus facilement fusibles fondent naturellement les premières et, à l'état fondu, ces matières réagissent peut-être chimi- quement plus ou moins avec des constituants de l'argile; après que le chauffage a été poussé jusqu'à un point suffisamment élevé, on laisse la masse se refroidir, , grâce à quoi la matière fondue se solidifieen un liant vitreux ou cristallin. L'expression ''ordre de vitrifica- tion" utilisée actuellement dans le métier signifie l'ordre de température dans lequel certaines parties de
<Desc/Clms Page number 3>
la masse d'argile fondent, sans que la matière entière soit fondue.
En fait, dans la fabrication d'objets en argile vitrifiés qui n'ont pas été mal conformés pendant 'la vitrification, la masse n'atteint jamais l'état dans lequel elle serait un liquide visqueux, mais atteint le stade dans lequel elle devient sensiblement un solide plastique.
Pour des raisons d'économie, on préfère utiliser des argiles, argiles schisteuses et produits analogues qui contiennent plus ou moins de fer. La plupart des argiles et argiles schisteuses des espèces peu coûteuses contien- nent au moins trois à quatre pour cent de fer calculé comme oxyde ferrique. Ces argiles, bien qu'elles ne soient pas appropriées à être utilisées dans la fabrication de la por- celaine ou d'objets blancs (en raison de leur haute teneur de fer) sont fort bien appropriées au procédé de l'invention.
On peut ajouter à l'argile brute des matières qui abaissent la température de vitrification de la masse. C'est ainsi qu'on peut ajouter de la dolomie, de la magnésie ou des ma- tières analogues dans une proportion allant jusqu'à 25 ou même 30 %. On peut aussi ajouter du laitier (laitier de hauts-fourneaux, etc...) dans une proportion allant jusqu'à 10 à 15 ou d'autres silicates tels que du feldspath dans une proportion allant jusqu'à 6 à 10 %. Tous ces produits agissent comme fondants aux températures inférieures à celle qui est nécessaire pour fondre des argiles, même des espèces les moins coûteuses. Ces additions peuvent être pures, mais les matières impures moins coûteuses étant appropriées peuvent être utilisées.
Elles peuvent être broyées en une fine poudre et bien mélangées à l'argile au cours d'une opération préli- minaire. La quantité de feldspath qui doit être.ajoutée ou qui doit exister doit ne pas être suffisante pour fondre une
<Desc/Clms Page number 4>
grande proportion de l'argile. L'argile contient parfois un peu de feldspath non décomposé comme constituant naturel.
Dans le procédé de l'invention, la température, pendant le traitement à haute température, doit être sensiblement la même (du un peu plus élevée) que la tempé- rature correspondant à cette matière particulière et constituant la température maximum, qui est inappropriée dans le procédé de vitrification antérieur à l'invention, pour cette matière particulière.
Conformément à la présente invention, la matière argileuse peut tre préliminairement conformée ou non, comme on le désire; si elle est préliminairement confor- mée, cette opération peut être exécutée à un état humide ou sec ou semi-humide, selon les besoins. La matière est chauffée, à l'état conformé ou non, jusqu'à une température légèrement inférieure à l'E.C.P. (équivalent conique pyrométrique) de cette matière particulière,de préférence pas à plus de 100 C au-dessous de la valeur de E.C.P. pour cette matière argileuse particulière.
Le chauffage peut,Atre conduit lentement ou rapidement comme on le désire et la chaleur peut être fournie de toute manière désirée, par combustion, four électrique .ou de toute autre façon.; La matière est ensuite prête pour le moulage, la conformation, la compression en les formes et grandeurs désirées. Lorsque la matière a atteint la température à laquelle elle doit être moulée, elle est un mélange de nature hétérogène contenant (a) des solides (b) des liquides visqueux et (c) des liquides de viscosité relativement faible et, considérée comme masse, elle est un solide plastique.
L'argile est un mélange hétérogène de différentes matières cristallines et amorphes. Sous l'action de la chaleur, de nouvelles matières sont formées par réaction
<Desc/Clms Page number 5>
chimique. Lorsque la température augmente, un point est atteint où certains de ces composés sont transformés de l'état solide à l'état de fusion librement liquide.
D'autres de ces matières sous Inaction de la chaleur ont un ordre de température au-dessus duquel elles constituent des liquides très visqueux.
Toute modification, de quelque nature qu'elle soit, de l'état solide à l'état liquider par chauffage, a pour résultat (jusqu'à un certain degré) une contraction de volume, une diminution de porosité et une augmentation de résistance. Ces modifications sont la preuve de la vitrification. Celle-ci est¯¯suivie, à une température plus élevée, de la fusion et du gonflement, où des gaz sont dégagés ou emprisonnés.
A toute température donnée, une particule donnée de la masse, composée complètement d'une matière donnée, a une fluidité égale dans toute sa masse. Différents composés (qui peuvent être des cristaux ou non) ont des viscosités différentes à toute température donnée. La viscosité de toute la masse d'argile à toute température donnée est la viscosité résultant de toutes les matières présentes.
Dans le procédé de l'invention, la proportion de solide non fondu au stade de haute température est tou- jours relativement grande (soit 65 à 80 % de l'ensemble de la masse), de sorte que la masse ne coule presque pas sous la pression atmosphérique, mais que la proportion de liquide est suffisamment grande pour permettre le pressage des solides dans le liquide et pour remplir sen- siblement tous les vides séparant les grains des solides pour servir d'agent de cémentation, en moulant ces grains ensemble, le tout formant une masse solide essentiellement imperméable lorsqu'elle est refroidie.
Au moment où la
<Desc/Clms Page number 6>
matière doit être pressée en forme elle doit être environ à la limite entre un liquide très visqueux et un solide plastique, en sorte qu'à cette température la matière ne se déforme que légèrement sinon pas du tout par la force de la pesanteur même si elle est maintenue à cette température pendant une durée considérable, soit 24 heures.
A ce stade, on doit clairement distinguer entre une masse liquide ou masse fondue de faible viscosité, un liquide très visqueux, un solide plastique,et une matière solide rigide. Les proportions relatives de matière solide non fondue, de liquide très visqueux et de liquide de fai- ble viscosité doivent être telles que la masse devrait être maniée comme un solide et la masse peut ne pas être moulée ou fondue en la coulant comme un liquide dans un moule.
La masse elle-même n'est pas une masse liquide con- tenant des solides en suspension ; c'est un solide plastique composé en majeure partie (au-dessus de 60 % et de préfé- rence de 65 à 75 %) de particules solides, mélangées à une plus petite quantité de fluides à ce stade. La masse est ensuite prête pour le moulage.
Les moulas peuvent être froids, mais ils sont de pré- férence chauds, afin de ne pas absorber par trop de chaleur de la masse de matière pendant le premier stade de l'opéra- tion de moulage. Si la matière a été chauffée en masse volu- mineuse, elle peut être mise dans un moule convenable à cette phase avec une pelle, un crochet, un racloir ou en la laissant tomber, après quoi de la pression est appliquée pour mouler la matière. Cette pression peut, par exemple, être exercée à l'aide de rouleaux appropriés qui compriment la matière plastique solide dans le moule et qui, par toute la masse de la matière, repoussent les parties solides
<Desc/Clms Page number 7>
dans les parties liquides de cette masse et font couler les parties liquides dans les vides, ces parties liquides devenant ainsi un liant.
La pression pourrait encore être appliquée par un piston rigide. Cette pression fait également sortir les gaz qui peuvent être emprisonnés dans la masse; elle doit d'ailleurs être exécutée au moment où la matière contient une quantité importante (de préférence supérieure à 20 ou 25 %, mais de préférence pas au-dessus de 30 % ) de constituants fondus, notamment lorsque la masse entière est à l'état de solide plastique.
Un solide plastique est une matière ayant une consis- tance telle que lorsque de la pression y est appliquée il n'en résulte pas de déformation jusqu'à ce que la pression atteigne une certaine valeur appelée le point productifs Avec des pressions supérieures à celle-ci, la déformation est directement proportionnelle à la pression. Un liquide visqueux n'a pas besoin du reste de la pression initiale pour commencer la déformation. Celle-ci est directement - proportionnelle à la pression en partant de zéro.
Il y a lieu de remarquer cette caractéristique que des armatures métalliques convenables peuvent être prévues dans le moule avant ou pendant son remplissage avec la matière, ce qui permet d'obtenir un produit ou objet armé ou renforcé. Tout renforcement ou armature d'acier ou de fer ordinaire peut être utilisé dans ce procédé. Ces arma- tures peuvent tout d'abord être recouvertes d'un émail.
Des échantillons de schistes argileux ont été,examinés conformément au procédé usuel d'examen d'argile et d'argile schisteuse pour déterminer leurs propriétés et déterminer leur faculté d'utilisation pour la fabrication d'objets céramiques. Le tableau qui suit indique les données rele- vées au cours de ces essais.
A
<Desc/Clms Page number 8>
Echantillon, N 1
EMI8.1
<tb> couleur <SEP> : <SEP> Gris <SEP> foncé
<tb>
<tb>
<tb> Plasticité <SEP> : <SEP> Bonne
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> Temp. <SEP> Porosité <SEP> Absorption <SEP> Contraction <SEP> de
<tb>
<tb> Degré <SEP> C <SEP> volume
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1000 <SEP> 34,1 <SEP> % <SEP> 20,4 <SEP> 1,4 <SEP> %
<tb>
EMI8.2
2 1050 32, 0 , fo 1915 3 1100 33,? % 19,1% 0,85 ,% 4 1150 30,9 38,2 3,0 Î 5 1200 z7,6 % 15,7 % 5,5 6 1250 25,0% ' 13,t à, 6 %
EMI8.3
<tb> 7 <SEP> 1300 <SEP> 11,4 <SEP> % <SEP> 5,5 <SEP> % <SEP> 20,8
<tb>
EMI8.4
B 1350 8,7 je 1,2 % 26,9 %
EMI8.5
<tb> Contraction <SEP> linéaire <SEP> : <SEP> 5,5 <SEP> %
<tb>
EMI8.6
E.0030 - Cône 12 (= 3310 Oj Echantillon ? 2
EMI8.7
<tb> Couleur;
<SEP> tan <SEP> clair
<tb>
<tb>
<tb> Plasticité <SEP> Bonne
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> Temp. <SEP> Porosité <SEP> Absorption <SEP> Contraction <SEP> de
<tb>
<tb> Degr. <SEP> C <SEP> volume.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
1 <SEP> 1000 <SEP> 28,6 <SEP> % <SEP> 16,4 <SEP> % <SEP> ---
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1050 <SEP> 29,4 <SEP> 16,8 <SEP> @
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1100 <SEP> 27,7 <SEP> % <SEP> 15,2 <SEP> % <SEP> 3,9 <SEP> %
<tb>
<tb> 4 <SEP> 1150 <SEP> 25,5 <SEP> % <SEP> 13,8 <SEP> % <SEP> 5,9 <SEP> %
<tb>
<tb> 5 <SEP> 1200 <SEP> 19,9 <SEP> % <SEP> 10,3 <SEP> % <SEP> 10,1 <SEP> %
<tb>
<tb> 6 <SEP> 1250 <SEP> 15,6 <SEP> % <SEP> 7,7 <SEP> % <SEP> 14,1 <SEP> %
<tb>
EMI8.8
7 l300 3, 6 1, 6 20,8
EMI8.9
<tb> 8 <SEP> 1350 <SEP> 4,9 <SEP> % <SEP> 2,9 <SEP> 3,0
<tb>
<tb> Contraction <SEP> linéaire <SEP> 7,5 <SEP> %
<tb> E@C.P.
<SEP> - <SEP> Cone <SEP> 14 <SEP> -(= <SEP> 1410 <SEP> 0)
<tb>
Les 'données recueillies sur ces argiles schisteuses doivent être interprétées comme représentant une matière capable de produire une brique à bonne face ou une tuile creuse lorsqu'elles sont traitées conformément aux pra- tiques actuelles dans la fabrication de ces produits (c'est-à-dire traitées par l'ancien procédé).
<Desc/Clms Page number 9>
On donnera ci-après le résultat d'expériences faites sur des échantillons N S 1 et 2 respectivement conformément à la présente invention.
Exemple 1 :
L'argile schisteuse à laquelle il est fait allusion dans l'exemple 1 ci-dessus fut tout d'abord broyée de façon que 50 % de cette argile passent par un tamis de 11 mailles et que les 50 % restants passent par un tamis de 3 mailles, mais soient retenus sur un tamis de 11 mailles. Cette matière fut intimement mélangée, puis très légèrement hu- mentée et ensuite pressée en une briquette pendant qu'elle était à l'état humide.
La matière fut ensuite placée dans un moufle d'un four et chauffée jusqu'à environ 1270 C (100 au-dessous de la valeur de point auquel elle fut soumise à la pression par un lourd rouleau, puis chauffée de nouveau jusqu'à 1270 C et ensuite soumise de nouveau à la pression par le rouleau,, de nouveau réchauffée à 1270 C et de nouveau soumise à la pression par le rouleau.
Dans cette expérience, la matière se refroidit sensi- blement pendant chaque passage du rouleau, mais la tempéra- ture au moment du passage du rouleau était voisine de 1270 C.
Pendant cette opération, l'épaisseur de la briquette fut réduite ['environ 1/3. Le produit fut ensuite remis dans le moufle et le chauffage fut arrêté pour permettre au moufle de se refroidir lentement pour recuire la matière. La nou- velle cuisson aurait été faite dans un four de recuisson. Le produit en résultant est une matière extrêmement dure, ana- logue à de la roche, forte, dense, vitreuse. Cette matière est sensiblement exempte de bulbes, et sensiblement imperméa- ble. Elle est plus lourde que tout produit qui pourrait -être fait par les procédés antérieurs en partant de la même matière première (il est fait allusion ici au poids spécifi-
<Desc/Clms Page number 10>
que en volume). Une surface brisée de ce produit montre la vitrification complète et représente une fracture pier- reuse.
Cette matière étant faite en partant d'un mélange de particules grossières et fines, les gros grains n'ont pas perdu leur identité, bien que dans certains cas ils aient été déformés par la pression.
Dans cet exemple particulier, le produit fut obtenu en partant d'un mélange de matière grossière et fine en volumes égaux. Il y a cependant lieu de remarquer le fait que ces proportions peuvent varier sensiblement ou que le procédé peut être appliqué au traitement de matiè- res composées entièrement de particules fines.
Exemple 2
La matière N 2, broyée pour passer par un tamis de 11 mailles fut mélangée à un peu d'eau et mise sous la forme d'une tuile brute. Celle-ci fut chauffée à 1350 C (60 au-dessous de la valeur de l'E.C.P), mise dans le moufle (après séchage) et ensuite pressée entre des rou- leaux trois fois comme indiqué ci-dessus à l'exemple 1, puis recuite. Cette argile avait aoquis une structure nettement vésiculaire pendant l'opération de chauffage et avait gonflé de façon importante. Ce produit était dense; mais de nature nettement vitreuse, des bulles de gaz avaient été aplaties pour former des fentes étroi- tes par la pression exercée par le rouleau* Pendant ce pressage au rouleau, l'épaisseur avait diminué d'environ 1/3 de l'épaisseur originelle.
Une matière de ce genre serait appropriée à la fabrication de poutres ou poteaux, traverses de voies ferrées, briques, tuiles ou pavés.
Le produit de la présente invention présente mie utilité particulière pour la fabrication de pierres de pavage et de grandes dalles ou matériaux de pavage.
<Desc/Clms Page number 11>
Alnsi, par exemple, il est très possible de mouler par les procédés décrits ci-dessus de grandes dalles de Om2, 45 à Om2,90 armées ou non, comme on le désire, et qui peuvent avoir de 12 à 25 cm. d'épaisseur. Ces maté- riaux peuvent être fabriqués et expédiés facilement aux lieux d'utilisation, De même, de lourds matériaux de construction, tels que poutres, terre cuite, briques, tuiles, blocs de construction, traverses de voies ferrées, pierres courbes, margelles, dalles de trottoir, grands blocs réfractaires pour applications réfractaires (tels par exemple que des cuves pour la fabrication ou la fusion du verre) peuvent être faits par ce procédé, certains d'entre eux ou tous étant armés si on le désire.
Il y a lieu de remarquer que l'invention n'est pas limitée à la fabrication de dalles ou de blocs, mais que des objets ou matériaux de toute forme désirée peuvent être faits par ce procédé.
Une caractéristique importante de la présente invention est la possibilité de mise en oeuvre du procédé en continu, grandement par voie mécanique, en supprimant ainsi la main- d'oeuvre dans une grande mesure.
Un mode avantageux de mise en oeuvre du procédé consiste à éhauffer l'argile ou l'argile schisteuse ou un mélange artificiel de ces matières ou contenant celles-ci dans un four rotatif à la température à laquelle il doit être comprimé et ensuite à laisser tomber ladite matière,de l'ex- trémité inférieure de ce four dans un moule(qui peut ou non être préalablement chauffé) jusqu'à ce qu'une quantité suffisante de la matière ainsi chauffée soit dans le moule, puis ensuite à comprimer cette matière dans le moule à l'aide d'un lourd rouleau ou d'un piston ou autre dispositif analogue, après quoi,le moule portant l'article moulé, ou bien ledit article seul, est passé dans et par un four de
<Desc/Clms Page number 12>
recuisson convenable.
Un autre avantage important est le fait que le procédé diminue très grandement le temps nécessaire pour fabriquer un produit d'argile vitrifié, ce qui a pour résultat une diminution importante du'combustible nécessaire.
On s'est basé jusqu'ici sur le fait d'avoir la matière à des températures bien supérieures à la tempé- rature de début de la vitrification de la matière par- ticulière, avant de la comprimer. Cette expression "température de début de' la vitrification" se réfère naturellement aux températures auxquelles la matière commence à se vitrifier alors qu'elle est à la pression atmosphérique. Lorsqu'une matière de ce genre est soumise, à cette température ou légèrement au-dessous, à une haute pression (plusieurs centaines ou même plusieurs milliers de kilogrammes au cm2) dans un moule, pendant un laps de temps considérable, la vitrification se pro- duit en même temps que la conformation de la matière.
La compression, ou moulage sous pression, est effectué* selon la présente invention, dans l'ordre de vitrification de la matière particulière utilisée. De plus, l'élément de durée pendant lequel de la pression est appliquée n'est pas un facteur dans la réalisation (le la vitrification du produit.
La fonction de la pression dans le présent procédé est simplement de conformer l'objet et de comprimer la matière déjà chaude en un produit dense fort.
L'invention n'est d'ailleurs pas limitée à l'utilisa- tion d'une argile ou argile schisteuse unique, car on peut mélanger deux ou un plus grand nombre d'argiles ou
<Desc/Clms Page number 13>
terres schisteuses ou ajouter d'autres matières que de l'argile. La matière, au moment où elle est comprimée, a la consistance de l'argile pendant l'opération de vi- trification et n'a pas la consistance du verre pendant l'opération de soufflage ou de moulage.
On peut travailler avec de hautes pressions à des températures basses dans l'ordre de vitrification ou avec des pressions plus faibles à des températures plus élevées dans cet ordre.
Le produit fini est un produit céramique vitrifié, mais non pas un verre ; sacassure peut être pierreuse ou vitreuse.
Bien que l'opération de passage du rouleau soit facilement utilisée et probablement la plus désirable, on peut utiliser de la pression directe sous un angle quelconque ou appliquer de la pression par tout moyen ou dispositif convenable.
On s'est référé ci-dessus à des armatures métalli- ques en acier ou en fer. On peut y introduire d'autres pièces métalliques, telles que des fils ou barres de cuivre, laiton, etc. comme conducteurs électriques.
. Le procédé décrit, que l'on peut brièvement définir comme appliquant une pression conformatrice et compris meuse à de l'argile, de l'argile schisteuse et des mé- langes de ces matières, avec ou sans autres matières (naturelles ou ajoutées) pendant qu'elles sont à l'état pyrolastique, donne des produits conformés directement, caractérisés par une plus grande densité, une plus faible absorption, une plus grande résistance à la tension, une plus grande résistance à l'écrasement et un plus grand coefficient de rupture que les objets en argile vitrifiés fabriqués jusqu'à présent. Ils peuvent avoir une teneur plus élevée ou plus faible en matière vitreuse
<Desc/Clms Page number 14>
que les articles en argile vitrifiée fabriqués par l'ancien procédé, suivant la température dé moulage et l'argile ou le mélange utilisé.
Ces'résultats sont atteints parce que,, lorsqu'un objet en argile est produit suivant les anciens procédés, s'il est cuit jusqu'au point où une grande proportion de verre est formée, il gonfle invariablement, ce qui.produit une grande porosité, et perd sa forme, ce qui donne lieu à des objets mal conformés. En appliquant le présent procédé, la pression a pour résultat de comprimer l'objet dans un plus petit espace, en réduisant ainsi sa porosité et en corrigeant en même temps le gauchissement ou la déformation, grâce à quoi on obtient un objet parfaitement conformé.
Une autre caractéristique très importante suivant laquelle- les nouveaux objets diffèrent des anciens est que les fissures qui se produisent parfois au cours de la cuisson ou du séchage et qui ne se sont jamais fermées dans l'ancien procédé, sont complètement supprimées et fermées par ce nouveau procédé.
Une autre caractéristique, suivant laquelle le présent procédé donne lieu à un nouveau type de produit est que de nombreuses argiles contiennent des minéraux qui se désintègrent et libèrent des gaz (habituellement par action chimique) pendant la cuisson, d'où il résulte un affaiblissement de la structure à cause d'une dilata- tion ou d'une contraction. Ces faiblesses sont complète- ment corrigées par le nouveau procédé en comprimant l'ob- jet après que la désintégration a eu lieu, ce qui donne un corps dense et fort. Ces faiblésses sont particulière- ment sujettes à résulter de la pression due au quartz ou à la cyanite et aux carbonates contenus dans l'argile soumise au traitement.
&es propriétés caractéristiques résultant du nouveau
<Desc/Clms Page number 15>
procédé sont développées par le fait que les ingrédients solides ou semi-plastiques de la masse sont repoussés dans les parties plus fluides de cette masse par la pression, puisque les bulles de gaz sont chassées'par pressurage et par le remplissage des vides, l'ensemble de la masse se trouvant ainsi lié par une cémentation plus parfaite.
Une autre condition dans laquelle ce nouveau produit diffère , de tout autre pouvant être obtenu par les procédés.actuels est l'état uniforme des produits par toute l'épaisseur de corps massifs. Avec les pro- cédés de cuisson actuels, lorsqu'on fait des articles de grande épaisseur, soit de 15 à 20 cm. d'épaisseur, l'intérieur de la masse s'oxyde et se vitrifie plus lentement que l'extérieur. Il en résulte que des tensions se produisent et que des noyaux noirs sont introduits dans le milieu de la pièce.
Avec le nouveau procédé,des pièces massives de toute épaisseur désirée peuvent être produites et en raison de la possibilité d'assembler de minces sections par pression, le corps massif final -a la même structure physique dans toute son épaisseur parce que la chaleur a'rempli le rôle de vitrification du corps avant l'assemblage des divers éléments de sorte que lorsqu'ils sont ainsi assemblés par pressage, tous les joints disparaissent et le produit final est de cou- leur et de densité uniforme dans toute sa masse.
Le nouveau produit diffère des anciens en ce qu'on peut conformer en un bon objet une matière première ne possédant pas de plasticité à l'état brut. La plasticité est une propriété essentielle dans le moulage,des procédés antérieurs dans de nombreux cas, tandis que dans ce produit elle est sans conséquence.
<Desc/Clms Page number 16>
Enfin, le corpsconformé final fabriqué suivant le nouveau procédé de l'invention est absolument parfait en ce qui'concerne-les angles et les bords, ainsi que la droiture des cotés, autant que le moule conformant l'objet peut être parfait, tandis qu'avec les anciens procédés, le produit antérieurement conformé pour la cuisson. perdait invariablement une partie de la per- fection de ses angles, bords, cotés pendant cette cuis- son, par suite de la contraction inégale se produisant dans diverses parties, ce qui avait pour résultat de donner des produits qui, lorsqu'on les vérifie, ne sont jamais entièrement parfaits.
On a parlé ci-dessus d'additionner diverses subs- tances à l'argile. Le mélange, quand il est soumis au chauffage et au moulage, doit contenir au moins 70-75 % de véritable argile dans tous les cas. On a parlé oi- dessus en outre de l'addition d'une petite proportion de dolomie, magnésie. craie ou laitier, à l'argile. Même lorsqu'on ajoute une petite quantité d'une ou plusieurs de ces substances à l'argile, la température nécessaire au moment de la compression ne peut pas être sensible- ment abaissée. Ainsi, avec une argile schisteuse telle que celle à laquelle on s'est référé dans l'exemple 1, l'additions.'environ 10 % de dolomie permet d'appliquer le procédé à environ 1170 C, au lieu de 1270 C, comme mentionné dans cet exemple.
Ceci assure une économie importante de combustible.
<Desc / Clms Page number 1>
Vitrified products
The present invention relates to vitrified products obtained by direct manufacture starting from argillaceous materials, such as clay and shale clay, by subjecting this material to compression and deformation (for example by molding it under pressure) during that it is at a temperature at which a significant part (i.e. 20 to 35%) is actually in a fluid state (i.e. molten). Therefore, the solid parts or particles of matter are pushed back into its liquid parts
<Desc / Clms Page number 2>
and these are pushed back into the interstices between the unmelted solid particles. This molten portion, when then allowed to cool, becomes the binder used to hold the object together.
One of the aims of the invention is to make it possible to manufacture vitrified clay products that are superior in certain respects to currently known vitrified clay products *
One of the ordinary methods, which is in fact the usual method of making vitrified clay articles is to mix the clay with water in sufficient quantity to form a plastic mass, then to mold this plastic mass from any desired manner, under pressure or not, then drying and heating up to the order of vitrification temperatures ,, The clay used for ceramic applications is always a heterogeneous mixture containing kaolinite or a silicate analogous aqueous aluminum and materials more easily fusible than kaolinite,
as well as, in many cases, materials less easily fusible than it.
During heating, the materials which are most easily meltable naturally melt the raw materials, and in the molten state these materials may react more or less chemically with constituents of the clay; after the heating has been increased to a sufficiently high point, the mass is allowed to cool, whereby the molten material solidifies into a glassy or crystalline binder. The expression "order of vitrification" currently used in the art means the order of temperature in which certain parts of
<Desc / Clms Page number 3>
the mass of clay melts, without the whole material being melted.
In fact, in the manufacture of vitrified clay articles which have not been ill-formed during vitrification, the mass never reaches the state in which it would be a viscous liquid, but reaches the stage in which it becomes. substantially a solid plastic.
For reasons of economy, it is preferred to use clays, shale clays and the like which contain more or less iron. Most clays and shale clays of inexpensive species contain at least three to four percent iron calculated as ferric oxide. These clays, although not suitable for use in the manufacture of porcelain or white objects (due to their high iron content) are very well suited to the process of the invention.
Materials can be added to the raw clay which lower the vitrification temperature of the mass. Thus, dolomite, magnesia or the like can be added in an amount of up to 25 or even 30%. It is also possible to add slag (blast furnace slag, etc.) in a proportion of up to 10 to 15 or other silicates such as feldspar in a proportion of up to 6 to 10%. All of these products act as fluxes at temperatures below that required to melt clays, even the cheapest species. These additions can be pure, but less expensive impure materials being suitable can be used.
They can be ground to a fine powder and mixed well with the clay in a preliminary operation. The amount of feldspar which must be added or which must exist must not be sufficient to melt a
<Desc / Clms Page number 4>
large proportion of clay. Clay sometimes contains some undecomposed feldspar as a natural component.
In the process of the invention, the temperature, during the high temperature treatment, should be substantially the same (somewhat higher) as the temperature corresponding to that particular material and constituting the maximum temperature, which is inappropriate in this case. the vitrification process prior to the invention, for this particular material.
In accordance with the present invention, the clay material may or may not be preliminarily shaped, as desired; if preliminarily conformed, this operation can be performed in a wet or dry or semi-wet state, as required. The material is heated, whether conformed or not, to a temperature slightly below the E.C.P. (pyrometric conical equivalent) of that particular material, preferably not more than 100 C below the value of E.C.P. for this particular clay material.
The heating can be carried out slowly or rapidly as desired and the heat can be supplied in any desired manner, by combustion, electric furnace, or otherwise. The material is then ready for molding, shaping, compressing into the desired shapes and sizes. When the material has reached the temperature at which it is to be molded, it is a mixture of a heterogeneous nature containing (a) solids (b) viscous liquids and (c) liquids of relatively low viscosity and, considered as mass, it is a strong plastic.
Clay is a heterogeneous mixture of different crystalline and amorphous materials. Under the action of heat, new materials are formed by reaction
<Desc / Clms Page number 5>
chemical. As the temperature increases, a point is reached where some of these compounds are transformed from the solid state to the freely liquid molten state.
Others of these materials under the inaction of heat have a temperature order above which they constitute very viscous liquids.
Any change of any kind from the solid state to the liquid state on heating results (to some extent) in volume contraction, decrease in porosity and increase in strength. These modifications are proof of vitrification. This is ¯ followed, at a higher temperature, by melting and swelling, where gases are evolved or trapped.
At any given temperature, a given particle of mass, composed completely of a given matter, has equal fluidity throughout its mass. Different compounds (which may or may not be crystals) have different viscosities at any given temperature. The viscosity of the entire mass of clay at any given temperature is the resulting viscosity of all the materials present.
In the process of the invention, the proportion of unmelted solid at the high temperature stage is always relatively large (i.e. 65 to 80% of the whole mass), so that the mass hardly sinks under. atmospheric pressure, but that the proportion of liquid is large enough to allow the pressing of the solids in the liquid and to substantially fill all the voids separating the grains from the solids to serve as a cementing agent, by molding these grains together, the whole forming an essentially impermeable solid mass when cooled.
When the
<Desc / Clms Page number 6>
material must be pressed into shape it must be approximately at the limit between a very viscous liquid and a plastic solid, so that at this temperature the material deforms only slightly if not at all by the force of gravity even if it is maintained at this temperature for a considerable period of time, namely 24 hours.
At this point, one should clearly distinguish between a low viscosity liquid or melt, a highly viscous liquid, a plastic solid, and a rigid solid. The relative proportions of unmelted solid, highly viscous liquid, and low viscosity liquid should be such that the mass should be handled as a solid and the mass may not be molded or melted by sinking it like a liquid in a mold.
Mass itself is not a liquid mass containing suspended solids; it is a plastic solid composed mostly (above 60% and preferably 65-75%) of solid particles, mixed with a smaller amount of fluids at this stage. The mass is then ready for molding.
The mussels can be cold, but they are preferably hot, so as not to absorb too much heat from the mass of material during the first stage of the molding operation. If the material has been heated in density, it can be placed in a mold suitable for this stage with a shovel, hook, scraper or by dropping it, after which pressure is applied to mold the material. This pressure can, for example, be exerted by means of suitable rollers which compress the solid plastic material in the mold and which, by all the mass of the material, push back the solid parts.
<Desc / Clms Page number 7>
in the liquid parts of this mass and cause the liquid parts to flow into the voids, these liquid parts thus becoming a binder.
Pressure could still be applied by a rigid piston. This pressure also brings out the gases which may be trapped in the mass; it must moreover be carried out when the material contains a significant amount (preferably greater than 20 or 25%, but preferably not more than 30%) of molten constituents, in particular when the entire mass is at plastic solid state.
A plastic solid is a material having a consistency such that when pressure is applied to it no deformation results until the pressure reaches a certain value called the productive point With pressures greater than that. here, the strain is directly proportional to the pressure. A viscous liquid does not need the rest of the initial pressure to start deformation. This is directly - proportional to the pressure starting from zero.
It should be noted that this feature that suitable metal reinforcements can be provided in the mold before or during its filling with the material, which allows to obtain a product or article reinforced or reinforced. Any reinforcement or reinforcement of steel or ordinary iron can be used in this process. These frameworks can first of all be covered with an enamel.
Samples of clay shales were examined according to the usual method of examining clay and shale clay to determine their properties and to determine their suitability for the manufacture of ceramic objects. The following table shows the data recorded during these tests.
AT
<Desc / Clms Page number 8>
Sample, N 1
EMI8.1
<tb> color <SEP>: <SEP> Dark <SEP> gray
<tb>
<tb>
<tb> Plasticity <SEP>: <SEP> Good
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> Temp. <SEP> Porosity <SEP> Absorption <SEP> Contraction <SEP> of
<tb>
<tb> Degree <SEP> C <SEP> volume
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> 1000 <SEP> 34.1 <SEP>% <SEP> 20.4 <SEP> 1.4 <SEP>%
<tb>
EMI8.2
2 1050 32.0, fo 1915 3 1100 33 ,? % 19.1% 0.85,% 4 1150 30.9 38.2 3.0 Î 5 1200 z7.6% 15.7% 5.5 6 1250 25.0% '13, t at, 6%
EMI8.3
<tb> 7 <SEP> 1300 <SEP> 11.4 <SEP>% <SEP> 5.5 <SEP>% <SEP> 20.8
<tb>
EMI8.4
B 1350 8.7 i 1.2% 26.9%
EMI8.5
<tb> Contraction <SEP> linear <SEP>: <SEP> 5.5 <SEP>%
<tb>
EMI8.6
E.0030 - Cone 12 (= 3310 Oj Sample? 2
EMI8.7
<tb> Color;
<SEP> tan <SEP> clear
<tb>
<tb>
<tb> Plasticity <SEP> Good
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> Temp. <SEP> Porosity <SEP> Absorption <SEP> Contraction <SEP> of
<tb>
<tb> Degr. <SEP> C <SEP> volume.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
1 <SEP> 1000 <SEP> 28.6 <SEP>% <SEP> 16.4 <SEP>% <SEP> ---
<tb>
<tb> 2 <SEP> 1050 <SEP> 29.4 <SEP> 16.8 <SEP> @
<tb>
<tb> 3 <SEP> 1100 <SEP> 27.7 <SEP>% <SEP> 15.2 <SEP>% <SEP> 3.9 <SEP>%
<tb>
<tb> 4 <SEP> 1150 <SEP> 25.5 <SEP>% <SEP> 13.8 <SEP>% <SEP> 5.9 <SEP>%
<tb>
<tb> 5 <SEP> 1200 <SEP> 19.9 <SEP>% <SEP> 10.3 <SEP>% <SEP> 10.1 <SEP>%
<tb>
<tb> 6 <SEP> 1250 <SEP> 15.6 <SEP>% <SEP> 7.7 <SEP>% <SEP> 14.1 <SEP>%
<tb>
EMI8.8
7 l300 3, 6 1, 6 20.8
EMI8.9
<tb> 8 <SEP> 1350 <SEP> 4.9 <SEP>% <SEP> 2.9 <SEP> 3.0
<tb>
<tb> Contraction <SEP> linear <SEP> 7.5 <SEP>%
<tb> E@C.P.
<SEP> - <SEP> Cone <SEP> 14 <SEP> - (= <SEP> 1410 <SEP> 0)
<tb>
The data collected on these shale clays should be interpreted as representing a material capable of producing a good face brick or a hollow tile when processed in accordance with current practices in the manufacture of these products (i.e. - say processed by the old process).
<Desc / Clms Page number 9>
The result of experiments carried out on samples N S 1 and 2 respectively in accordance with the present invention will be given below.
Example 1:
The shale clay referred to in Example 1 above was first crushed so that 50% of this clay passed through an 11 mesh sieve and the remaining 50% passed through a 3 mesh, but be retained on an 11 mesh sieve. This material was thoroughly mixed, then very lightly oiled and then pressed into a briquette while wet.
The material was then placed in a muffle of an oven and heated to about 1270 C (100 below the point value at which it was pressurized by a heavy roller, then reheated to 1270 C). C and then again pressurized by the roller, again warmed to 1270 C and again pressurized by the roller.
In this experiment, the material cooled appreciably during each pass of the roll, but the temperature at the time of the passage of the roll was around 1270 C.
During this operation, the thickness of the briquette was reduced to approximately 1/3. The product was then returned to the muffle and the heating was stopped to allow the muffle to cool slowly to anneal the material. The new firing would have been done in an annealing oven. The resulting product is an extremely hard, rock-like, strong, dense, glassy material. This material is substantially bulb-free, and substantially waterproof. It is heavier than any product which could be made by previous processes starting from the same raw material (reference is made here to the specific weight.
<Desc / Clms Page number 10>
than in volume). A broken surface of this product shows complete vitrification and represents a stony fracture.
Since this material is made from a mixture of coarse and fine particles, the coarse grains have not lost their identity, although in some cases they have been deformed by pressure.
In this particular example the product was obtained starting from a mixture of coarse and fine material in equal volumes. However, it should be noted that these proportions can vary considerably or that the process can be applied to the treatment of materials composed entirely of fine particles.
Example 2
The material N 2, crushed to pass through an 11 mesh sieve, was mixed with a little water and formed into a raw tile. This was heated to 1350 C (60 below the value of the ECP), put in the muffle (after drying) and then pressed between rollers three times as indicated above in Example 1. , then annealed. This clay had acquired a distinctly vesicular structure during the heating operation and had swelled significantly. This product was dense; but markedly glassy in nature, gas bubbles had been flattened to form narrow slits by the pressure exerted by the roller * During this roller pressing the thickness had decreased by about 1/3 of the original thickness .
A material of this kind would be suitable for the manufacture of beams or posts, railway sleepers, bricks, tiles or pavers.
The product of the present invention has particular utility in the manufacture of paving stones and large slabs or paving materials.
<Desc / Clms Page number 11>
Alnsi, for example, it is very possible to mold by the methods described above large slabs of Om2, 45 to Om2.90 armed or not, as desired, and which can be 12 to 25 cm. thick. These materials can be easily manufactured and shipped to the places of use. Likewise, heavy building materials, such as beams, terracotta, bricks, tiles, building blocks, railway sleepers, curved stones, copings, Sidewalk slabs, large refractory blocks for refractory applications (such as, for example, vats for the manufacture or melting of glass) can be made by this process, some or all of them being reinforced if desired.
It should be noted that the invention is not limited to the manufacture of slabs or blocks, but that objects or materials of any desired shape can be made by this process.
An important feature of the present invention is the possibility of carrying out the process continuously, largely mechanically, thus eliminating labor to a great extent.
An advantageous embodiment of the method consists in heating the clay or shale clay or an artificial mixture of these materials or containing them in a rotary kiln to the temperature at which it is to be compressed and then to drop said material, from the lower end of this furnace in a mold (which may or may not be preheated) until a sufficient quantity of the material thus heated is in the mold, and then to compress this material in the mold by means of a heavy roller or a piston or the like, after which the mold carrying the molded article, or the said article alone, is passed into and through a furnace of
<Desc / Clms Page number 12>
suitable annealing.
Another important advantage is that the process greatly decreases the time required to make a vitrified clay product, resulting in a significant decrease in the fuel required.
Heretofore, it has been based on having the material at temperatures well above the temperature at which the particular material starts vitrification before compressing it. This term "vitrification onset temperature" naturally refers to the temperatures at which the material begins to vitrify while it is at atmospheric pressure. When a material of this kind is subjected, at this temperature or slightly below, to a high pressure (several hundred or even several thousand kilograms per cm2) in a mold, for a considerable period of time, vitrification takes place. - at the same time as the conformation of the material.
Compression, or pressure molding, is performed according to the present invention, in the order of vitrification of the particular material used. In addition, the element of duration during which pressure is applied is not a factor in the achievement (the vitrification of the product.
The function of the pressure in the present process is simply to conform the object and compress the already hot material into a strong dense product.
The invention is moreover not limited to the use of a single clay or shale clay, since it is possible to mix two or more clays or
<Desc / Clms Page number 13>
shale earth or add other materials than clay. The material, when compressed, has the consistency of clay during the vitrification process and does not have the consistency of glass during the blowing or molding operation.
It is possible to work with high pressures at low temperatures in the order of vitrification or with lower pressures at higher temperatures in that order.
The finished product is a vitrified ceramic product, but not a glass; sacassure can be stony or glassy.
Although the roll passing operation is easily used and probably the most desirable, direct pressure can be used at any angle or pressure applied by any suitable means or device.
Reference has been made above to metal reinforcements made of steel or iron. You can introduce other metal parts, such as wires or bars of copper, brass, etc. as electrical conductors.
. The process described, which can be briefly defined as applying a conforming pressure and understood meuse to clay, shale clay and mixtures of these materials, with or without other materials (natural or added) during that they are in the pyrolastic state, gives directly shaped products, characterized by greater density, lower absorption, greater resistance to tension, greater resistance to crushing and a greater coefficient of rupture than the vitrified clay objects made so far. They may have a higher or lower content of vitreous material
<Desc / Clms Page number 14>
than articles in vitrified clay manufactured by the old process, depending on the molding temperature and the clay or mixture used.
These results are achieved because, when a clay object is produced by the old methods, if it is fired to the point where a large proportion of glass is formed, it invariably swells, which produces a large amount of glass. porosity, and loses its shape, resulting in poorly shaped objects. By applying the present method, the pressure results in compressing the object into a smaller space, thus reducing its porosity and at the same time correcting warping or deformation, whereby a perfectly shaped object is obtained.
Another very important feature that new objects differ from old ones is that the cracks which sometimes occur during firing or drying and which never closed in the old process are completely removed and closed by this. new process.
Another feature, according to which the present process gives rise to a new type of product is that many clays contain minerals which disintegrate and release gases (usually by chemical action) during firing, resulting in a weakening of structure due to expansion or contraction. These weaknesses are completely corrected by the new process by compressing the object after decay has taken place, resulting in a dense and strong body. These weaknesses are particularly prone to result from pressure due to quartz or kyanite and carbonates contained in the clay subjected to the treatment.
& the characteristic properties resulting from the new
<Desc / Clms Page number 15>
process are developed by the fact that the solid or semi-plastic ingredients of the mass are pushed back into the more fluid parts of this mass by the pressure, since the gas bubbles are expelled by pressing and by filling the voids, the all of the mass thus being linked by a more perfect cementation.
Another condition in which this new product differs from any other obtainable by current methods is the uniform state of the products through the entire thickness of massive bodies. With current cooking methods, when making articles of great thickness, ie 15 to 20 cm. thick, the inside of the mass oxidizes and vitrifies more slowly than the outside. As a result, tensions occur and black cores are introduced into the middle of the room.
With the new process, solid parts of any desired thickness can be produced and due to the possibility of joining thin sections by pressure, the final solid body - has the same physical structure throughout its thickness because the heat has' fulfills the role of vitrification of the body before the assembly of the various elements so that when they are thus assembled by pressing, all the joints disappear and the final product is of uniform color and density throughout its mass.
The new product differs from the old ones in that a raw material which does not have plasticity in the raw state can be shaped into a good object. Plasticity is an essential property in molding, prior processes in many cases, while in this product it is of no consequence.
<Desc / Clms Page number 16>
Finally, the final shaped body manufactured according to the new process of the invention is absolutely perfect as regards the angles and the edges, as well as the straightness of the sides, as far as the mold conforming the object can be perfect, while 'with the old processes, the product previously shaped for cooking. invariably lost some of the perfection of its angles, edges, sides during this firing, due to the uneven contraction occurring in various parts, resulting in products which, when checked , are never entirely perfect.
It has been discussed above to add various substances to the clay. The mixture, when subjected to heating and molding, should contain at least 70-75% true clay in all cases. Reference has also been made above to the addition of a small proportion of dolomite, magnesia. chalk or slag, with clay. Even when a small amount of one or more of these substances is added to the clay, the temperature required at the time of compression cannot be significantly lowered. Thus, with a shale clay such as that referred to in Example 1, the addition of about 10% dolomite allows the process to be applied at about 1170 C, instead of 1270 C, as mentioned in this example.
This ensures significant fuel savings.