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Matière réfraotaire pour revêtements de fours et analogues,et
La présente invention se rapporte de façon générale à la production de matières fortement réfractaires,destinées être utilisées pour le revêtement de fours et pour des applications semblables.
On peut employer de telles matières à l'état plastique pour les appliquer sur les parois et soles des fours où la masse est calcinée sur plaça par la chaleur du four,de façon à former un revêtement monolithe pour ce four,ou on peut lui: donner la forme de briques réfractaires par les procédés habituels de fabri- cation de briques.
Le but principal de la présente invention est de produi- re de telles masses réfractaires,sous la forme de briques ou de revêtements monolithes, enpartant de matières premières relative- ment bon marché et abondantes,par un procédé simple et économique n'exigeant qu'une courte période de temps pour être achevé. Le produit obtenu par ce procédé consiste en une matière réfractaire de haute qualité .possédant une grande solidité ou dureté et une résistance suffisante,propre à résister aux actions chimiques ou physiques de corrosion de métaux fondus et de scories métallurgi- ques des types habituels.
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L'invention consiste essentiellement à mélanger entre elles les matières convenables ,dans les proportions sensiblement nécessaires telles que lorsqu'elles sont soumises à des températu- res allant de 1260 à 1480 0,qui sont celles régnant habituelle- ment dans des fours métallurgiques, elles se combineront de façon à transformer une grande partie,ou presque la totalité de la masse, en un spinelle synthétique qui possèdera les qualités désirables mentionnées ci-dessus.
Une autre caractéristique essentielle de l'invention consiste à fournir certains des constituants .nécessaires pour produire un tel spinelle,sous la forme d'une faible proportion d'un ciment hydraulique qui,après que -les matières ont été mouil- lées de façon à former une masse plastique,fera rapidement prise et durcira sans l'application de chaleur. Ceci maintient les mas- ses moulées,que ce soient.des briques ou des revêtements monoli- thes de fours, sous leur forme initiale avant et pendant le chauf- fage ou calcination préalable dans le four et empêohe le gauchis- sement ou le retrait des briques ou des revêtements dans les pre- miers moments de l'opération de chauffage ou de calcination.
Lors- que cette opération préalable a été achevée et que la température a été portée à une valeur qui pourrait autrement désagréger le ciment qui a fait prise,la réaction de formation du spinelle entre en jeu et continue à maintenir les masses sous leur forme initia- le,en les transformant rapidement en corps compacts, durs,réfrac- taires,d'une seule pièce,qui conviennent admirablement pour le but final de l'opération entière.
Il a déjà été proposé précédemment d'incorporer dans un mélange,aveo une matière réfractaire courante,une faible propor- tion (environ 5 ou 6 %) de substances qui formeront un spihelle sous l'action de la chaleur du four garni de briques ou du four fraîchement garni de son revêtement; ce procédé était supposé former des pellicules ou couches minces d'un tel spinelle,recou- vrant les particules autrement non modifiées de la matière ré- fractaire principale employée et servant ainsi de liant pour maintenir réunies entre elles ces particules de la matière réfrac-
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taire initiale,inchangée,qui devait constituer la masse principale des briques ou du revêtement du f our;
mais ce procédé n'a pas eu un succès pratique,le produit finalement obtenu manquant de la résistance nécessaire et étant exposé à 'être attaqué et enlevé par le métal fondu et les scories,et donnant également lieu à d' autres inconvénients sérieux .
La présente invention se différencie essentiellement de ces procédés proposés jusqu'ici, en ce qu'elle produit,aux tempé- ratures de marche du four,un corps ou masse d'une seule pièce, sensiblement homogène, constitué par un spinal le .dans le quel seule- ment des quantités relativement faibles de fondants ou autres substances étrangères non nuisibles sont entraînées.
La littérature technique et scientifique contient des indications complètes en ce qui concerne les caractéristiques de nombreux genres de spinelles naturels et artificiels et les procédés deproduction de ces derniers;mais on n'a jusqu'ici pas appliqué et utilisé aucun de ces procédés (rendusparfaitsà un de- gré qui les rende pratiques) à la production,par une opération simple,de briques ou revêtements réfractaires satisfaisants pour des fours,par l'emploi:
de matières premières bon marché et abon- dantes,d'une manière simple et tout à fait pratique,n'exigeant que peu de temps et l'emploi de températures ordinaires de fours seulement pour leur fabrication, .en réalisant ainsi une économie de combustible,de travail et de frais généraux à un degré pouvant être comparé à celle rendue possible par la présente invention.
Pour la réalisation de l'invention,on mélange de préfé- rence 3 parties en poids de magnésite calcinée à mort,ou la même quantité de dolomie frittée,avec une quantité égale de minerai de chromite broyé et avec 1 partie de aiment hydraulique à prise ra- pide,à haute teneur en alumine,du genre actuellement employé dans la construction de routes. La dolomie est un carbonate double de calcium et de magnésium.dont les constituants sont réduits en grande partie en magnésie et chaux par frittage. La magnésite brute
3 est un carbonate naturel de magnésium (MgCO) contenant diverses
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impuretés,y compris habituellement 7 % ou 8% d'oxyde de fer (Fe2O3) .
La chaleur, à laquelle la magnésite brute est soumise dans l'opération de calcination, chasee à peu près la totalité de l'oxyde de carbone combiné,de sorte que le produit du commerce calcine à mort,qu'on emploie de préférence,est pratiquement de l'oxyde de magnésium (MNgO),mélangé avec de l'oxyde de fer et d'au- tres impuretés provenant de la matière première. Il est préférable d'employer un tiers en poids de la magnésite calcinée à mort,ou de la dolomie frittée,broyée à une finesse telle qu'elle passe au tamis n 100,tandis que les deux tiers restants ¯de magnésite cal- se trouvent à l'état de particules oinée à mort ou de dolomie frittée/pouvant aller d'une finesse,telle qu'elles passent au tamis n 100,jusqu'à une dimension de 12,5 mm.
On emploie de préférence le minerai de chromite (FeCr2O4) dans les mêmes conditions de finesse que la magnésite ou la dolomie. 'OU ci- ment type,du genre qu'il est préférable d'employer et qui a été mis dans le commerce depuis quelque temps,se compose d'environ 54% d'alumine (A12O3), 38 % de chaux (CaO)et 8 % de silice (SiO.
Ce ciment,quiest au point de vue chimique un mélange de silicate bicalcique et d'aluminate tricalcique ,est naturellement broyé très finement. On mouille la matière mélangée sèche ainsi formée, avec une quantité d'eau suffisaate pour rendre la masse plastique, et on l'envoie alors à la machine ordinaire de fabrication de briques ou autre appareil de moulage,on on l'applique sur les pa- rois et la sole du four à revêtir,et on laisse ensuite les masses moulées faire prise et durcir pendant environ 8 heures,après quoi on peut en le ver les moules , et allumer le four de la manière habi- tuelle, en laissant la température monter jusqu'à 12600 0 ou davan- tage, en 12 à 24 heures environ,si cette vitesse de chauffage est désirable.
Ce chauffage transforme la totalité ou presque la to- talité de la masse moulée en un spinelle dur et tenace, qui cons- titue une matière réfractaire idéela, car il ne se fissurera pas,ni ne se fendillera pas,si na @ se désagrégera pas d'une autre ma- nière sous l'action de la chaleur,et ne fendra pas jusqu'à ce que soit atteinte une température notablement supérieure à celle emplo- yée dans les opérations métallurgiques courantes
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Les produits naturels et artificiels,connus sous le nom de spinelles,peurent être décrits de façon générale comme résul- tant de la cristallisation d'un magma qui est très pauvre en sili- ce,mais riche en magnésie et qui contient un peu d'alumine.
Les ouvrages techniques donnent une longue liste de ces spinelles,qui tous rentrent plus ou moins étroitement dans la série d'eutectiques mangésie-alumine. Le spinelle type,le premier qui ait été préparé par synthèse et celui qui est fabriqué le plus facilement,est le spinelle d'alumine,dont la formule est MgO2A12O3,qui fond à envi- ron 2135 0. De façon générale,les spinelles -sont formés par la réunion d'un radical poly-basique avec un radical polyacide.
Parmi les premiers,ceux qui sont mentionnée le plus fréquemment dans les ouvrages techniques sont l'oxyde de magnésium (MgO),l'oxyde de fer (FeO),l'oxyde de manganèse (MuO).la chaux (CaO),et l'oxyde de zinc (znO),tandis que parmi les radicaux acides sont mentionnée l'oxyde d'aluminium (a12O3), l'oxyde de chrome (Cr2O3),et l'oxyde ferrique (fe2O3).
(Homme la formule de la chromite,ou minerai de chrome, ou minerai de chrôme et de fer,qu'on emploieconformément à l'inven- tion,est généralement indiquée comme étant FeCr2O4, la magnésite calcinée à mort est,comme mentionné précédemment,de l'oxyde de ma- gnésium pratiquement pur (MgO),a vec des proportions faibles de chaux ou de fondants naturels,et le ciment hydraulique utilisé contient une quantité considérable.d'alumine,spécialement s'il est du type à prise rapide,à haute teneur en alumine, précédemment in- diqué comme étant celui à employer de préférence,on voit que l'on dispose de tous les constituants nécessaires pour former un apinel- le,par leur réunion par fusion partielle ou complète entre eux,à la chaleur dn four donnée, En fait,
un examen des divers genres de spinelles,mentionnes dans les ouvrages techniques .indique la pré- sence de l'un d'eux ayant la formule (MgFe) (AlCR)2O4, qu'on écrit parfois (MgFe)O (AlCr)2O3, ce spinelle, qui est appelé "picotite", est de couleur brunâtre et correspond à peu près exactement comme composition au produit résultant de la combinaison des constituants mentionnés précédemment comme étant employés dans la réalisation de l'invention.
Apparemment,cette cristallisation ou formation de
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spinelle commence à environ 12600 0,lorsqu'un four,muni d'un revê- tement,préparé conformément à l'invention,est allumé et se pour- suit lorsque la température du four croît graduellement, de sorte qu'au moment où le four a atteint son complet fonctionnement,pra- tiquement la masse entière du revêtement monolithe du four a été transformée en une masse de picotite dure,cohérente,analogue à de la pierre,qui ne fondra pas ou ne se ramollira pas à moins que la température ne soit poussée jusque plus de 50 C au-delà.
Une telle masse est compacte et ne subira pas de retrait lorsqu' elle sera soumise par la suite à l'action de la chaleur. Les mêmes réactions se produisent naturellement dans le four à briques lors- qu'on y fabrique des briques conformément à l'invention.
Des briques,qui ont simplement été durcies par l'aotion du ciment hydraulique,peuvent également être employées avec un ciment pour haute température,pour constituer un revêtement de four,et la réaotion de formation de spinelle aura alors lieu lors- que le four est d'abord allumé et chauffé jusqu'à une température sufrisamment élevée.
Il est important qu'une grande partie de la masse résul- tante constituant le revêtement du four soit de la picotite ou une composition équivalente donnant lieu à la formation d'un spi- nelle, bien qu'une certaine quantité de chaux,telle que celle pro- venant du chauffage de dolimie, si on la substitue à la magnésite comme mentionné plus haut,ou celle provenant du ciment hydrauli- que, ne soit pas nuisible,et que de petites quantités d'autres fon- dants naturels,tels que l'oxyde de fer,ou un peu de silice,ne gênent pas,mais en fait aident à abaisser le point initial de fu- sionde la combinaison de spinelle et à faciliter ainsi sa cris- tallisation;
la prodnction de la réaction,donnant lieu à la forma- tion d'un spinelle,aux températures ordinaires de marche du four, est d'une grande importance pratique.
Il a toutefois été constaté que si l'équilibre de la composition est notablement détruit,de telle sorte qu'une faible proportion seulement de la masse soit transformée en spinelle,par
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exemple lorsqu'on emploie du minerai de chrome en excès,on peut observer qu'ily a beaucoup de chrôme libre lorsqu'onexamine des surfaces de rupture ou des morceaux brisés des masses calcinées , et la qualité du revêtement alors pmduit n'est pas aussi satisfai- sante que celle du revêtement produit avec la composition compre- nant 3 parties d'un minerai de chrome comsistant principalement en oxyde de chrome,3 parties de magnésite et 1 partie de ciment.
Cette dernière composition semble donner lieu à l'obtention d'un produit particulièrement bien équilibre.dont une grande partie est constituée par un spihelle,existant sous la forme d'une matiè- re réfractaire dure.,compacte et ne possédant! pas de retrait,conve- nant admirablement pour son emploi dans des fours dans/lesquels du métal en fusion doit tre traité.
L'emploi du ciment possédant une proportioninhabituelle- ment élevée d'alumine,- qui est un ciment à prise rapide récem- ment mis sur le marché pour la confection de revêtements de rou- tes,- a pour but,comme expliqué précédemment,de permettre au pro- duit de durcir rapidement par hydratation lorsqu'il a été mélangé avec de l'eau et qu'on l'a laissé faire prise de la manière habi- tuelle,dès qu'il a été mis en place sur les parois et la sole du four à l'état plastique. Cette prise et ce durcissement rapide du ciment ont pour effet que la masse conserve sa forme même si, après une période de temps relativement courte,on commence déjà à chauffer le four,comme expliqué plus haut.
On produit toutefois un revêtement réfractaire possé- dant pratiquement la même qualité si on emploie du ciment Portland ou autre ciment hydraulique,au lieu du ciment à haute teneur en alumine mentionné ci-dessus comme étant employé de préférence,mais il faut alors naturellement plus de temps pour le durcissement.
Au lieu d'enlever les moules après 8 heures,illpeut alors être né - aessaire de les maintenir en place pendant 24 heures,en prolongeant ainsi la période de temps pendant laquelle le four est inutilisé, ou en allongeant l'opération de fabrication de briquesdans cette même mesure.
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Suivant les constatations faites jusqu'ici,un facteur im- portant au point de vue du succès du procédé suivant l'invention réside dans le fait que,dans ce procédé,la réaction de formation d'un spinelle commence à une température relativement basse,à- cause du mélange intime des constituants qui est rendu possible par le broyage fin de la plus grande partie de ceux-ci,et de l'em- ploi d'eau pour former une masse plastique. qu'on mélange intime..
' ment dans l'opération de malaxage,de sorte que la masse composite moulée ainsi formée est sensiblement homogène, lorsqu'on la soumet à l'action de la chaleur,et de trouve dans un état permettant à la réaction de formation d'un spinelle de commencer à la tempéra- ture la plus basse et de s'achever dans toute la masse à des tem- pératures qui sont comprises dans les limites des températures utilisées dans la conduite pratique des fours métallurgiques.
Pour mieux faire ressortir la caractéristique la plus importante de l'invention,d'après les constatatins faites jusqu'ici., on peut dire qu'elle consiste essentiellement à mélanger l'un quelconque des ciments hydrauliques du commerce, à l'état finement broyé, avec d'autres matières propres à former avec ce ciment un apinelle synthétique,sensiblement dansées proportions théoriques convenables pour transformer le mélange résultant en ce spinelle, spécialement si une grande proportion de ces matières,mentionnées en dernier lieu,sont lement broyées à un degré de finesse qui facilite la combinaison de tous les constituants par une réaction de formation d'un spiaelle et une cristallisatinn à des températures relativement basses,
telles que celles habituellement employées dans des fours Martin-Siemens basiques,des fours 4 réverbère et la plupart des fours de fusion de métaax. Les revêtements produits conformément à l'invention sont naturellement d'une nature basi- que,ces revêtements n'ayant qu'une faible teneur en silice.
Il estpossiole qu'on ait déjà proposé antérieurement d'employer, comme produits réfractaires,des compositions qui,si on les chauffe à des températures très élevées, bien supérieures à celles mentionnées ci-dessus comme étant employées dans des fours métallurgiques couramment utilisés en pratique,pourraient 6tre
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transformées à un degré considérable en un genre de spinal le,mais ces compositions ne produiraient pas des revêtements de fours sa- tisfaisants dans la pratique industrielle et n'auraient par oonsé- quent pas de succès industriel.
De même, dans la plupart sinon dans toutes les compositions proposées jusqu'ici,il a été proposé d'em- ployer quelque xxxx liant autre que le ciment hydraulique pour maintenir les masses aux formas désirées avant et pendant l'ap- plication de chaleur,ce qui ne pouvait pas introduire des éléments essentiels en pratique,tels que l'alumine,dans la composition du spinelle,-ou d'anoir recours,complètement ou partiellement,à une pression pour agglomérer les matières sope forme de briques avant la caloincation;cette dernière opération augmenterait considérable- ment le prix de tout le procédé,comparativement au durcissement préalable, simple, rapide et peu coûteux de la masse par l'action du ciment hydraulique, qui constitue un facteur important de la présente invention.
On peut également utiliser,avec le ciment hydraulique, une proportiaon convenable de l'une quelconque des matièresou compo- sitions connues dans le métier sous le nom d'agents modifiants, qui pourraient exercer un effet favorable,à plusieurs points de vue,sur l'action du ciment dans la composition suivant l'invention.
REVENDICATIONS.
IO-Comme produit industriel nouveau,une matière réfrac- %aire capable de réàister à une pression relativement grande à haud sans subir une déformation sensible et destinée à être emplo- yée comme revêtements de fours et autres dispositifs qui doivent être soumis à des températures élevées, caractérisée en ce que cet- te matière réfractaire est essentielleement constituée par un corps d'une seule pièce en un spinelle relativement pur.