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" Perfeotionnements aux artioles réfraotaires et au prc dé de fabrication de oeux-oi ".
La présente invention concerne debassins de verre et les fours analogues dans lesquels des matières réfra res doivent être employées pour résister à la corrosion du fonctionnement du four. Dans la construction de foui de différents types dans lesquels le revêtement réfraot est soumis à l'aotion des matières corrosives fondues e particulièrement dans le cas de bassins à verre, on a f usage de pièces réfractaires ooulées consistant essenti ment en des cristaux de mullite et en des cristaux de c don noyés dans une matrice vitreuse. Dans ces pièces ré
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taires ooulées, le pouroentage de. mullite est en généra plus élevé que le pouroentage de oorindon.
Ces matières réfraotaires n'ont pas donné des résultats entièrement faisants vu qu'elles sont sujettes quelque peu à la oor sion, particulièrement au niveau du métal.
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On a trouvé maintenant comme résultat de la présente invention que des pièces réfraotaires composées essentiellement de oristaux de corindon peuvent être produites à partir de matières premières relativement peu ooûteuses contenant de 5 à 30% de silice, que le bain produit au moyen de cette matière première est beauooup plus aisé à traiter que l'alu- mine pure par suite d'un point de fusion un peu plus bas et d'une plus grande fluidité de la masse fondue, et que le produit résultant est notablement supérieur en résistance à Inaction corrosive du verre et des scories au type connu de matières réfraotaires mentionné ci-dessus.
Suivant la présente invention on fournit un artiole réfraotaire coulé, formé d'alumine et d'un petit pouroentage de silice et consistant principalement en oristaux de corindon et en un verre intercalé entre les cristaux. L'artiole peut oonsister en nullité avec du oorindon dans une matrice vitreuse dans laquelle la proportion du oorindon à la nullité est au moins de deux à un.
' La présente invention comprend en outre le procédé de fabrication de l'article réfraotaire perfeotionné mentionné ci-dessus à partir de matières premières oontenant de l'alu- mine et de la silice, procédé qui comprend la fusion des matières premières consistant essentiellement en alumine et en silioe, la ooulée du mélange fondu et}le refroidissement de la pièce ooulée rapidement en passant par la phase à l'aquelle la oristallasion de la mullite se produirait lorsqu'on laisse la masse venir en équilibre.
Le procédé comprend plus particulièrement le refroidissement de la pièce ooulée, d'une température située au-dessus du point de fusion impropre de la mullite jusqu'à une température située en-dessous de celle à laquelle la masse entière devient solide, à une vitesse suffisante pour réduire au minimum la formation de mullite.
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production, à partir d'un bain ayant sensiblement la mÉ composition que le bain employé jusqu'à présent,de mat: réfractaires qui sont notablement supérieures aux matii réfractaires composées d'un mélange de cristaux de oor. et de mullite tel qu'il est produit par le procédé usui Les meilleurs résultats obtenus avec le produit orée o< mément à la présente invention sont attribués à sa fai' teneur en cristaux de mullite, qui semblent être plus :
lemenEattaqués par le verre ou la scorie oorrosive dan four,' la défeotion des particules de mullite provoquan' désintégration graduelle de la pièce réfractaire. Bien plus grande résistance à la corrosion qui caractérise : duit perfectionné puisse tre due à d'autres oausès qu: sont pas entièrement connues, la forte teneur en arist, de mullite dans les matières réfractaires produites ju présent semble être la cause de la désintégration plus rapide de ces matières réfraotaires, vu que la différe résistance à la corrosion entre les deux matières réfr taires est trop grande pour être attribuée uniquement . petites différences de oomposition des matières premiè dont les matières réfraotaires sont faites.
La silice . rait, dans les pièces réfraotaires perfectionnées, sou forme d'une matrice vitreuse de sorte que les qualités améliorées des pièces réfraotaires ne sont pas attribu la matrice.
Le procédé de production d'articles réfractaires conformément à la présente invention peut être plus fa ment compris si l'on se reporte au dessin annexé dans on a représenté le diagramme d'équilibre de températur système alumine-silice, sur ce dessin on a marqué diff rents champs pour indiquer les constituants qui sont e: libre après qu'une masse fondue d'une oomposition donn été refroidie très lentement en passant par certaines de température.
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Comme on l'a déjà indiqué, il est plus commode de couler des blocs composés d'un mélange d'alumine aveo une quantité modérée de silice, soit de 5 à 20% ou même jusqu'à 30%, qa que de oouler des bloos d'alumine relativement pure vu que la présence de la silioe augmente la fluidité du bain et réduit le coefficient de dilatation des pièces ooulées. La
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présence de pouroentageôappréaiabies de silice, partioulib- rement si on en utilise plus de 10%, tend normalement à produire de la mullite plutôt que des cristaux de corindon dans les blocs coulés.
Bien que la produotion d'articles réfractaires coulés à partir de ces mélanges d'alumine aveo de 5 à 30% de silice soit désirable aoint de vue de la facilité de fabrication et en même temps de l'économie, par suite du prix de revient moindre des matières premières,la présence de cristaux de mullite dans le produit final semble être un inoonvénient, car on a trouvé que des blocs dans lesquels les cristaux d'alumine prédominent et particulièrement lorsque la proportion de cristaux d'alumine à la nullite s'élève jusqu'à deux à un, sont notablement supérieurs à des blocs de la même composition analytique finale dans lesquels les oristaux de mullite prédominent. Cette supériorité se manifeste par exemple par une capacité améliorée de résistance à la corrosion par le verre et les soories vitreuses.
Il est par conséquent tout à fait désirable, dans la production de matières réfraotaires fondues et ooulées, que les pièces ooulées soient traitées de telle façon qu'il en résulte la formation d'une quantité maxima de cristaux d'alumine et d'une quantité minima de mullite, comme o'est réalisé par la présente invention.
En vue de comprendre le procédé de traitement de pièces coulées pour produire dans celles-ci une quantité maxima de corindon , on considérera un bain fondu contenant approximativement 8 % de silice, cette composition étant représen-
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tée sur le diagramme nar la ,.; ,.,."" H -
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fondu réfractaire de cette oomposition est coulé, il se refroidit dans le mule et lorsqu'une température oorre dant au point N est atteinte, les cristaux de corindon
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menoent à se séparer du bain. Cette cristallisation de , don continue normalement jusqu'à ce que le refroidissem atteigne la température représentée par la ligne C-D, l position du liquide restant ayant dans l'entretemps ohm pour devenir oelle représentée par le point B.
Lorsque cette température correspondant au point dE sion impropre de la mullite suivant la ligne C-D (qui e 1810'C) dans le cas de la matière pure) est atteinte, 01 trouve que si la vitesse de refroidissement est suffisar lente, une proportion oonsidérable des cristaux de aorii se redissolvent dans le liquide et forment de la nullité se sépare immédiatement par cristallisation. Cette aoti( de dissolution est de cristallisation n'est pas instants mais exige au contraire un temps considérable. Si l'on met d'allar jusqu'à l'équilibre , le mélange de oorindor et de mullite qui reste est stable à toutes les tempérai plus basses et la composition d'une matière réfractaire est ainsi refroidie lentement se trouve toujours être dt corindon plus de la nullité, ou de la nullité seule, si mélange oorrespond en composition au point D.
Une légère quantité de verre résiduel est obtenue dans le cas où on laisse pas le temps suffisant pour que la réaotion du oc et du liquide aille jusqu'à l'équilibre. La façon de pro qui vient d'être décrite et la composition donnée des blo sont caractéristiques de la production de matières réfra res ooulées telle qu'elle est décrite dans le brevet amé cain n 1.615.750.-
Contrairement à cette méthode oonnue, on considérer mahtenant le procédé perfectionné suivant la présente in'
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par lequel des matières réfractaires sont produites dans lesquelles il$ se formel un minimum de nullité et un maximum de oorindon.
Si on laisse refroidir le bain fondu oonsidéré précédemment jusqu'à oe qu'on atteigne un point 0 au-dessus de la ligne C-D, le oonstituant cristallin est entièrement du oorindon et la composition du liquide oorrespond au point S. Si ensuite on laisse le refroidissement se oontinuer relativement vite jusqu'à une température située notablement en-dessous de la ligne C-B, le oorindon est soluble très lentement dans le liquide résiduel et reste en grande partie non dissous. Une température de 50-100 C en-dessous de la ligne C-D est probablement suffisante pour réduire sensiblement au minimum l'action dissolvante du liquide résiduel. On a toutefois trouvé désirable de porter le refroidissement rapide beaucoup au-delà d'une semblable température, par exemple jusqu'à un point correspondant à P sur le diagramme.
De cette manière le liquide résiduel de composition correspondant au point S est en grande partie retenu sous la forme d'un verre tandis que si le refroidissement avait été poussé seulement jusqu'à un point compris entre -la ligne C-D et la ligne E-F, ce liquide se serait déoompo- sé pour former de la mullite plus un liquide additionnel,
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lequel liquide a une tendance à dissoudre le oorindon rufë. formation de mullite supplémentaire.
On voit donc que le bloc coulé est refroidi relativement vite d'une température à laquelle le corindon est la seule phase solide,stable jusqu'à une température à laquelle tout le bain est solidifié. Le refroidissement peut ensuite être aussi lent qu'on le juge désiraole en vue d'égaliser toutes les tensions dans les blocs.
Il est à remarquer que la différence entre les matières réfractaires perfeotionnées et les matières réfractaires indiquées précédemment comme résultant de la pratique usuelle
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ne proviennent pas d'une Cli'Â2'PnAP +1 z--- '
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dâents fondus à couleur en pièces réfraotaires, mais ph de oe que la silice apparaît, dans le produit perfeoti< dans la matrice vitreuse pour la plus grande part. Com l'alumine oristalline semble être plus résistante aux 1 que le verre situé entre les cristaux , on trouve qu'et ral des matières défraotaires consistant en grande par en alumine et ne oontenant par exemple pas plus de 8 % lioe sont supérieures à celles dans lesquelles une plu. de quantité de silice est présente.
En vue d'obtenir le refroidissement rapide désiré; nécessaire que la partie extérieure du bloc soit refroj notablement en-dessous du point représentant la tempéré moyenne du bloc tout entier. Si par exemple la tempérai moyenne du bloc est représentée par P, la température c surface extérieure serait oelle représentée par Q, et que le bloc puisse posséder un minimum de tensions inti res, on a trouvé désirable d'élever la température de 1 partie qui est en-dessous de la moyenne jusqu'au moment bloc entier soit à la même température . Ceci peut se j par l'application de chaleur extérieure ou par un isole de l'extérieur et par le fait qu'on empêche une nouvel] perte de chaleur jusqu'au moment où la ooquille extériE a été ohauffée par la partie intérieure et où la tempéi du bloc entier s'est égalisée.
Pour la réalisation de la fusion, le four consiste néralement en une enveloppe de fer refroidie par de 1e sans auoun revêtement autre que celui fOImé par la mati à fondre lorsqu'elle est introduite dans le four . La j est effectuée au début par la ohaleur provenant d'une t née de carbone entre deux ou plusieurs électrodes intrc dans l'enveloppe de fer, mais après qu'un bain de matité fondue ese formé, la résistance de la matière fondue(au ge du courant électrique la traversant est employée pot fournir la chaleur. La matière est introduite graduelle
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et les électrodes sont soulevées à mesure que la masse fondue s'accumule. La technique du four est tout à fait semblable à oelle employée dans la fabrication des abrasifs alumineux.
Lorsque la matière est arrivée à la température oonve- nable et au degré correct de fluidité, elle peut être versée dans des moules ayant la forme et les dimensions désirées.
Le four peut être établi pour le soutirage de la matière fondue par son coté ou bien il peut être disposé de façon à pouvoir être inclina pour déverser la¯matière dans le moule: Particulièrement dans ce dernier cas, il est désirable que des mesures soient prises pour empêcher la matière fondue de déborder dans le système de refroidissement à eau. Ceoi peut être réalisé par l'emploi d'un tablier en fer conve- nablement placé.
Les moules peuvent être en métal tel que du fer au chrome, de la fonte, du cuivre, ou bien en carbone ou en graphite ou en des matières réfraotaires combinées. Les ar- tioles moulés peuvent avoir pratiquement n'importe quelle forme ou n'importe quelles dimensions pourvu que les parois ne soient pas trop épaisses et que des précautions appro- priées soient prises dans la fabrication des moules et le déversement de la charge fondue. Les moules peuvent être chauffés au préalable, si on le désire, et dans les phases initiales ils peuvent être isolés de façon à empêcher une les perte rapide de ohaleur par exemple par le fait qu'on/enfon- ce dans un ohâssis de moulage dans lequel ils sont entaurés de sable ou d'une matière analogue.
Les moules doivent être pourvus d'élévateurs de dimen- sion ample pour permettre le remplissage complet du moule sans gêne par la matière durcissant dans les masselottes.De plus les masselottes doivent être de dimensions suffisantes pour permettre la contraction du métal fondu lorsqu'il se solidifie. Si l'élévateur est fait en forme de coin avec sa
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section minima immédiatement voisine du moule l'enlèvem de la matière en excès oonstituant une masselotte est f lité. Après qu'un moule est rempli, il est éoarté et de moules supplémentaires sont remplis successivement.
Au lieu de verser la matière réfraotaire fondue da des moules, il est également possible d'employer le fou lui-même comme un moule, auquel cas il est désirable de
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revêtir d'un très léger enduit de matière réfractaire dE çon que la matière fondue puisse s'étendre jusqu'aux bo: pour former un bloc lisse .
Le chargement est effectué comme précédemment, les électrodes étant graduellement r< tirées et un bloc étant formé jusque l'épaisseur désir( Cette méthode de moulage a l'inconvénient qu'on ne peut plir qu'un moule à la fois, mais ceci est compensé par 3 fait qu'il n'y a pratiquement pas de matière perdue par ple dans les masselottes oonme dans l'autre type de mou] Il est parfois désirable de munir les moules en forme de four de ce type d'une petite diminution de dimension pou faciliter l'enlèvement de la pièce du moule, bien que pa suite du retrait considérable de la charge fondue après difioation, ceci soit en général inutile.
Lorsque la surfaoe extérieure de la pièce ooulée a le temps de se solidifier complètement, il est préférabl d'enlever toute matière isolante et de permettre à la pi ooulée de refroidir aussi rapidement que possible sans p duotion de oraquelures. pendant cette période, le moule même peut dans certains cas être enlevé bien qu'il soit < général meilleur de lui pexmettre de rester autourlie la coulée pour empêcher le durcissement de la face extérieur de la pièce en-dessous d'une température du rouge clair, respondant à environ 900*C. Dans le cas de grandes pièces ooulées massives, un refroidissement un peu plus intense la surface extérieure est désirable que dans le aah de pi minces.
Aucune règle générale ne peut être donnée, la dui
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exacte de la période de refroidissement rapide étant établie pour ohaque forme donnée de la pièce par une méthode d'essai et d'erreur, le succès étant jugé par l'ouverture des pièces coulées dressai par rupture, et par l'examen de la structure cristalline au microscope. Si le refroidissement a été suffi- sant, le constituant cristallin sera en grande partie du corindon, tandis que si le refroidissement n'a pas été suffi- sant on trouve un pourcentage relativement élevé de mullite.
Il n'a pas été jugé néoessaire d'indiquer ici les instructions pour l'identification de ces minéraux respectifs qui sont bien familiers pourrie pétrographe.
Après que la pièce coulée s'est refroidie suffisamment, elle doit être couverte d'une bonne matière isolante,telle que du sil-o-oel, et on la laisse refroidir lentement pendant une période plus ou moins prolongée dépendant de la forme et des dimensions de la pièce. Suivant une variante, elle peut être placée dans un four fonctionnant à 1200-1450 C et après avoir été maintenue dans celui-ci suffisamment pour permettre à la température du bloc de devenir uniforme dans toute la masse, la pièce est refroidie lentement dans le four.
Il est désirable que les masselottes aboutissant à la masse de la pièce coulée soient détachées à ooups de marteau avant que les pièces coulées soient placées dans le four ou soient noyées dans la matière isolante vu que les pièces coulées sont moins dures à cette phase que lorsqu'elles sont froides et qu'il y a moins de danger de les craqueler par le marteau. Après que les pièces sont froides, les protubérances nuisibles peuvent être enlevées au burin ou, dans des oas de dimensions moins importantes, à la meule.
Dans la construction de fours au moyen de ce type de matériaux coulés, des blocs sont posés avec peu de ciment intermédiaire ou sans aiment intermédiaire et le nombre de pièces est habituellement maintenu au minimum. Cet emploi de grandes pièces est avantageux en ce sens que les'frais
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de moulage par déoimètre aube, de matière moulée sont notab: ment diminués, le travail de pose dans la construction des parois est réduit et les difficultés dues au fait que le verre ou la scorie provoque une érosion profonde le long des joints sont réduites par le fait qu'on diminue les joi eux-mêmes.
Bien que le diagramme montre le refroidissement d'un bloc oontenant approximativement 8% de silice et que, comm on l'a indiqué précédemment, il soit préférable dans le oa où l'on doit produire un artiole réfraotaire partioulièrern résistant, que la teneur en silice ne dépasse pas 8%, il va de soi que les aspects généraux de la présente inventio sont tels qu'ils sont spécifiés dans la première partie de la desoription, les principes étaAt applicables à des comp
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om mitions variées allant jusqu à 25 , 30% de silice.
Il est à remarquer que l'addition d'autres matières fondantes en dehors de la silice, réduit quelque peu les températures de conversion correspondant aux lignès C-D et E-F qui se prdduisent à 1810 C et 1545 C, respectivemei dans le cas de matières pures. Il est désirable que le refroidissement rapide se-fasse à partir d'une température , tuée au-dessus du point supérieur parmi ces points de conversion, jusqu'à une température située en-dessous du poi@ inférieur, @ quelles que soient leurs valeurs partie lières.
On a trouvé que dans des blocs ne oontenant papl de 9% d'autres oxydes qui peuvent se présenter comme impu tés dans les matières premières, un refroidissement rapid jusqu'à une température moyenne d'environ 1200*0 est suff sant pour assurer la formation de corindon au lieu de mul te. Un fait particulier qui semble être caractéristique d pièces coulées de ce type est que la forme cristalline es fréquemment d'une nature quelque peu fibreuse, les fibre:
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s'étendanerpendioulairement à la face du bloc.