<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
"13<0 ,UI'2 .."::FL\... C.2 I... .,'.2 'L,U72"
EMI1.2
lu présente invention : - t r. litive au.: pro uits ré,fract#1;er f<ltri!-ju0", <evtine:- m être utilison co:zae revt;mLIJ pc'ur cr;uàct: ou pOC.1C; il VtITe et autres systèmes de foy.rs, ou fours, i.11rJsi que pour des applications unaloùues danx lesquelles une résist..luce aux températures élevées et (ou) mix matières ou élén;nts corrosifs eut exi- 6èe.
Elle vi; plus ptirticulicrectent des produits façonnés ou profilés réfractaires, fondus fit coulés, obtenus en fai-
<Desc/Clms Page number 2>
sant fondre une masse de matière réfrdctaire de la composi- tion voulue pour l'amener à l'état fondu, à couler la matière en fusion dans des moules appropriés, et à refroidir dans des conditions contrôlées la natière coulée de manière à obtenir un blee monolithe de la dimension et de la forme voulues. L'Invention s'applique plus spécialement à des com- positions réfractaires dans lesquelles l'alumine domine et qui, une fois coulées, présentent de meilleures caractéris- tiques physiques.
La température et l'allure de fonctionnement des creusets à verre et autres foyers similaires, pour lesquels les articles selon la presente invention conviennent particulierement bien, sont habituellement limitées par les possibilités qu'offrent les revêtements réfractaires dont ils sont intérieurement pouvus. @ mesure que se perfectionnent les matériaux réfractaires, on a constamment tendance à faire fonctionner les creusets ou poches à verre et autres foyers à des températures et avec un rendement de plus en plus élevés. Dans le cas des creusets à verre, il y a lieu d'entretenir, daus le compartiment ce fusion, la circulation et le mélange du varre fondu, afin de réduire toute tendunce qu'aurait le produit fondu à se strier.
Toutefois, l'écoulement du verre fondu a exerce, par corrosion et par érosion, une influence préjudiciable tello . u@ les matériaux réfractaires employas jusqu'à présent pour former les parois des creusets ou poches à verre, que la possibilité d'appliquer ce principe de bra sage avantageux est nettement limitée par les matériaux réfractaires dont rn dispose.
En outre, le mouvemeut constant au verre fondu au delà d'une partie donnée du creuset ou feeder (ou bien le mouvement de cette partie à travers le verre) diminue considérablement la
<Desc/Clms Page number 3>
durée de l'élément réfractaire. , titre d'exemples de parties réfractaires qui sont soumises à une corrosion particulièrement forte sous l'action du courant de verre fondu qui s'écoule, il convient de citer les agitateurs réfractaires employés pour l'agitation chimique, les aiguilles, les buses ou tuyères de feeder et autres parties de feeder qui se trouvent à l'orifice de sortie, ainsi que les blccs de gorge employés dans les creuse s ou poches à verre pour séparer l'extrémité de fusion de l'extrémité de travail, et autres parties du revêtement qui sont exposées directement à l'action du verre fondu en mouvement.
Ces parties réfractaires sont toutes en contact direct, par une ou plusieurs faces, avec le verre chaud, plus ou moins en mouvement constant, et il ne tarde pas à se produire une corrosion qui met ces parties hors d'état ae servir.
Les matériaux réfractaires liés employés jusqu'à présent présentent encore cet inconvénient, lorsqu'on les emploie dans des creusets ou poches à verre, de ne pas rendre les services qu'on en attend, par suite de la désagrégation de l'ingrédient liant qui détache des petites particules du constituant plus réfractaire au sein du bain de métal fondu.
Cette désagrégation est des plus indésirables, car elle entraine la formation de "bouillons" ou petites bulles et de "pierres". ou autres défauts, qui @ truisent l'uniformité du verre et le rendent inapproprié à l'usage. C'est pour cette raison, que, tout récemment, les matériaux réfractaires employée à la construction des creusets à verre ont été du type fondu et coulé, c'est-à-dire des matériaux se présentant sous la forme d'un bloc monolithe ne contenant aucun liant étranger.
Toutefois, les matériaux réfractaires coulés qu'on a sous la main en tant jue revêtements pour cr@usets à
<Desc/Clms Page number 4>
verre, et autres applications du mime ènre, n'ont pas donné entièrement satisfaction joua le rapport d'une ou plusieurs de ces propriétés de résistance aux éléments corrosifs présente dans le creuset à verre ou dans le four, ainsi qu'en raison du manqua. de résistance au choc thermique, de la contamination de la fournée de verre, etc..
La fabrication de corps réfractaires, fondus et coulés, a également @té limitée par les nombreuses difficultés rencontrées au cours de cette fabrication. Par exemple, certaines composition réfractaires, telles que les compositions ordinaires, à base d'alumine bêta, lorsqu'elles sont amenées à l'état de fusion, coulées dans des moules et refroidies, forment des structures très poreuses, à cristaux grossiers, qui sont très sujettes à se désagréger à l'usage sous l'effet de la corrosion ou des érosions. D'autre part, les compositions ordinaires coulées, à base d'alumine alpha, subissent au refroidissement un retrait considérable qui laisse de grandes cavités, ou creux, centrales indésirables.
D'autres compositions, lorsqu'elles sont fondues et coulées, ont une tendance tellement prononcée à se craqueler ou à se fendiller, au refroidissement des produits coulés, qu'elles forment, au cours de la fabrication ce ces derniers, des fissures ou lignes de faiblesse, et celd en depit de tous les efforts que l'on tente pour contrôler les conditions de refroidissement. D'autre part, certaines autres compositions, lorsqu' elles sont fondues et coulée:: dans des moules, tendent à exploser ou à se développer dans le moule et sont, en conséquence, inappropriéea à la fabrication de produits de ce genre.
La demanderesse a constaté que les matériaux réfrac- taires du genre de l'ulumine, destinée à être utilisés comme
<Desc/Clms Page number 5>
revêtements pour les creusets ou poches à verre, et autres fours ou foyers, ainsi que pour d'autres applications à haute température, pouvaient être grandement améliorées en les modifiant par addition de légers pourcentages de cer- tains éléments constitutifs, maintenue dans d'étroites limi- tes de pourcentage critique.
C'est ainsi qu'on a constaté que des compositions qui contenaient en combinaison, en plus de l'alumine, de légers pourcentages d'un oxyde alcalin, d'un oxyde alcalino-terreux, choisi parmi le groupe consis- tant en oxyde de calcium, oxyde de baryum, et oxyde de stron- tium, ainsi qu'un oxyde acide, offraient, une fois amenées à l'état de fusion, coulées dans ses moules et convenablement refroidies, des produits réfractaires à base d'alumine coulés, convenablement particulièrement bien pour être utilisés comme revêtements pour creusets à verre, et autres applications exigeant l'emploi de matériaux réfractaires.
On a découvert que lorsqu'on choisit les divers constituants dans les proportions qui sont prescrites ci-dessous, les articles obtenus comme résultat contiennent juste une quantité suffisante d'alumine seus la forme de cristaux beta, pour contrecarrer le retrait de l'alumine présente sous la forme de cristaux alpha, en sorte que ces articles sont àenses, finement cristallisés, ne présentent pas de cavités ou creux excessifs, ou d'autres pores, dus au retrait, et sont, après refroidissement, sains et exempts de craquelures, fissures ou lignes de faiblesse.
Un mélange typique permettant de fabriquer des matériaux réfractaires coulés, conformément à la présente invention, consiste en alumine cristallisée, comme par exemple du minerai d'alumine blanc, concurremment avec 6% de sel de soude ou carbonate de scude anhydre et 1-1/2 % de verre à base de soude et de chaux. Le carbonate de soude
<Desc/Clms Page number 6>
anhydre fournit la majeure partie de l'oxyde alcalin néces- saire, tandis que le verre de soude et de chaux fournit le reste de l'oxyde alcalin, oxyde alcalino-terreux et oxyde acide.
Les compositions des produits réfractaires coulés, fa- çonnés ou profilés, fabriqués conformément à la présente in- vention, renferment, comme l'analyse l'a démontré, en plus de l'alumine cristallisée qui existe à l'état de mélange sous la forme de cristaux alpha et bêta, en proportions à peu près égales, environ de 4 à 7 %, en poids, des matières oxy- diques modifiantes.
Ces dernières comprennent de légers pour- centases de chacun des oxyoes alcalins tels que de l'oxyde de sodium ou de potassium, un oxyde alcalino-terreux choisi parmi le groupe consistant en oxyde de calcium, oxyde de ba- ryum , et oxyde de strontium, et un oxyde acide, tel que de la silice ou du titane, l'oxyde alcalin se montant approxi- mativement à 5 %, ou de 3 à 6 1/2 %, en poids, de la masse, et constituant au moins les 2/3 du pourcentage combiné d'oxy- des modifiants, l'oxyde acide se nontant à moins de 2 % et, habituellement , à de 1 à 2 %, en poids, de la musse, alors que l'oxyde alcalino-terreux se monte à de C, 1 à 0,4 %, en poids, de la masse.
L'oxyde alcalino-terreux et l'oxyde acide sont ajoutés habituellement à la fournée brute sous la forme d'un verre à base de soude et de chaux, ou autre genre de verre similaire, bien qu'ils puissent être ajoutés sous . la forme de constituants oxydiques, distincts, si on le désire.
La présence ces ingrédients modifiants particuliers, dans les limites de pourcentage prescrites, est d'une im- portance capitale, si on veut obtenir un article fondu, à ba- se d'alumine, satisfaisant. Pur exemple, l'omission d'un oxy- de de terre alcaline, tel que l'oxyde de calcium, entraine, au refroidissement, un retrait excessif de l'article coulé
<Desc/Clms Page number 7>
obtenu, qui peut provoquer la formation de .grandes cavités centrales, alors que la présence d'un excès de ce même oxyde de terre alcaline en quantité supérieure à celle qui est indiquée ci-dessus fait que le produit réfractaire obtenu se fissure ou donne naissance à des lignes de faiblesse, pendant le refroidissement de ce produit.
De même, l'omission d'un oxyde acide, tel que de la silice, fait que le produit se fissure après refroidissement. L'omission d'un oxyde alcalin on l'emploi de quantités insuffisantes de cet oxyde, fait que lorsqu'on coule la composition résultante dans le moule, celle-ci croit ou se développe dans ce dernier au point de former une matière poreuse indésirable, tout à fait inapte à être utilisée comme matière réfractaire. Il a été constaté également que l'oxyde de magnésium ne pouvant être employé à titre d'oxyde de terre alcaline, attendu que, sous bien des rapporta, il se comporte d'une façon anormale, si on le compare aux oxydes alcalino-terreux vrais, tels que l'oxyde de calcium, l'oxyde de baryum et l'oxyde de strontium.
Lorsqu'on incorpore de l'oxyda, magnésium dans la composition servant à la fabrication des dits produits réfractaires coulés, ceux-ci se fissurent après refroidissement. Par conséquent, lorsqu'il est'fait mention d'oxyoes alcalino-terreux, tels qu'on les revendique ici, il s'agit seulement d'oxyde de calcium, d'oxyde de baryum et d'oxyce de strontium, à l'exclusion des oxydes tels que l'oxyde de magnésium et de l'oxyde de glucinium ou de béryllium, qui, bien que ceux-ci
EMI7.1
acien ommunément considérés comme étai,t des o¯yde3 dlcti1ino- terreux, se comportent d'une façon anormal., sous bien des rapports, si on les compare aux oxydes de calcium, de baryum et de utrontium.
<Desc/Clms Page number 8>
Voici quelques exemples de compositions ou fournées brutes qui ont été jugées satisfaisantes pour fa- briquer des produits réfractaires coulés, du genre qui est décrit ici :
EXEMPLE I usinerai d'alumine blanc .......92,5 parties en poide
Sel de soude ou carbonate de soude anhydre ............... 6 " " "
Verre de soude et de chaux ..... 1 1/2 " " "
EXEMPLE II
Minerai d'alumine blanc .......92,5 parties en poids
Sel de soude ou carbonate de soude anhydre ............... 6934 " "
Silex 1,18
Blanc de Meudon 0,19 " " "
EXEMPLE III
Minerai d'alumine blanc . . . . . . .92,5 parties en poids
Sel de soude ou carbonate de soude anhydre ..............
6934 " "
Silex 1,18 "
Carbonate de baryum ......... C,37 " "
Dans la fabrication des matériaux réfractaires du type décrit ci-dessus, on fait fondre de l'alumine très pure, se présentant habituellement sous la forme de minerai d'alu- mine blanc ou autre source d'alumine d'une grande pureté, dans un four, tel qu'un four à arc submergé (comme, par exemple, celui qui est décrit dans la patente américaine n 929.517 de F.J. Tone), analogue à celui que l'on utilise pour la fabrication des abrasifs à base d'ulumine synthétique.
L'oxyde alcalin, tel que de l'oxyde de sodium ou de potassium, habituellement sous la forme de carbonate de soude anhydre, est, ou bien mélangé avec le minerai originel, ou bien mêlant en plus fortes proportions avec une charge spéciale de mine- rai que l'on ajoute au four après achèvement de la fusion de la masse totale de matière. De même, l'oxyde alcalino-
<Desc/Clms Page number 9>
terreux et l'oxyde acide sent ajoutés à la fournée brute, habituellement sous la forme de verre de soude et de chaux, ou son équivalent.
La pourcentages d'oxyde alcalino-terreux et d'oxyde acide sont un peu plus faibles que dans les produits coulés définitifs que les pourcentages d'oxyde alcalin et n'oxyde acide dans la fournée ou charge brute de laquelle sont tirés les produits, attendu que les oxydes alcalins et les oxydes acides, tels que l'oxyde de sodium et la silice, se volatilisent dans une certaine mesure à la température du bain fondu dans le four à arc.
Pour effectuer la fusion, le four consiste, d'une manière générale, en une enveloppe en fer, à refroidissement par l'eau, ne comportant pas d'autre revêtement que celui qui est formé par la matière soumise à la fusion, au fur et à mesure de son arrivée dans le four. La fusion s'opère originellement sous l'action de la chaleur fournie par un train de charbon amené entre deux ou plus de deux électrodes en carbone ou en graphite, introduites dans la chemise ou enveloppe en fer; mais, anrèr- qu'il s'est formé un bain de matière fondue, la résistance que cette matière fendue oppose à la traversée du courant électrique est utilisée pour fournir de la chaleur. La matière est introduite graduellement et les électrodes sont sculevées à mesure que la masse fondue s'accumule.
Le processus adopté est celui que l'on emploie habituellement d@@s la fabrication des abrasifs alumineux ordinaires. Lorsque la matière est arrivée à la température convenable et au degré correct de fluidité, on la verse dans ues moules de la forme et des dimensions voulues.
Les pièces moulues sont laissées dans le moule pour subir le truitement thermique ou bien, particulièrement s'il s'agit de moules en fer, on les retire du moule, peu de temps aprèn que les parois extérieurea de la pièce coulée
<Desc/Clms Page number 10>
se sont solidifiées. Elles sont ensuite refroidies soigneu- sement par l'un quelconque des procédés bien connus dans l'industrie,et, lorsqu'elles sont froides, toute masselotte ou toutes autres rugosités indésirables restantes sont él@i- néespar burinage ou par meulage.
Les proouits réfractaires coulés, du type décrit ici, possèdent de nombreux avantages sur les façonnes ou profilés réfractaires, coulés, connus jusqu'à présent. La présence combinée d'un oxyde alcalin, d'un oxyde alcalinoterreux et d'un oxyde acide dans le produit réfractaire à base d'alumine donne une structure cristalline extrêmement fine qui est imperméable aux substances ccrrosives et qui, parconséquent, est très résistantes aux actions corrosives et érosives. En outre, les articles coulés fabriqués avec les compositions décrites ici ne possèdent pas les grandes cavités, ou creux, centraux, dues au retrait , que l'on rencontre si souvent dans d'autres compositions sous la forme coulée.
On a constaté également que les compositions réfractaires coulées du type décrit ici, bien qu'étant complètement d'une structure finement cristallisée et dense, lorsqu'elles sont convenablement recuites, sont exemptes de fissures, crevasses, ou lignes de faiblesse. Le fait que les présents maté- riaux réfractaires sont formés en majeure partie d'alumine très pure et de légères quantités d'autres ingrédients à base d'oxydes, que l'on trouve normalement dans le verre, et ne sont pas colorants, joint au fait que les présents maté- riaux réfractaires sont denses, finement cristallisés et exempta de grandes cavités centrales, dues au retrait, ou à part cela très poreux, rendent ces matériaux extrêmement précieux et aptes à être utilisée dans les fours de verreries, comme, par exemple,
pour lu fabrication du verre optique
<Desc/Clms Page number 11>
et autre verre très pur, dans laquelle la contamination de la masse de verre fondue doit être réduite au strict minimum.
Les odtériaux réfractaires, obtenus avec les présentes compositions, possèdent, par suite de l'absence de cavités centrales, du au retrait, ou ce toute autre struc- ture poreuse, l'absence ae crevasses ou de lignes de faiblesse, de leur nature dense, finement cristallisée, et de la forte proportion d'alumine qu ils renferment, un pouvoir exceptionnel de résistance à la corrosion due à l'écoulement du verre fnou, de sorte qu'il est possible de faire travailler un creuset à verre ou autre four, pourvu de revêtements ou d'autres parties composés de ces matériaux réfractaires, à des températures bien plus élevées que celles que l'on emploie dans les fcurs utilisant les matériaux réfractaires usuels.
La possibilité de faire travailler ces fours à de plus hautes températures augmente l'allure de la fabrication dans le four, en raison de ce que l'augmentation de la température augmente la vitesse de fusion des constituants du verre et engendre une circulation relativement rapide et intensive et un malaxage intime de très grandes fournées. C'est là une caractéristique très importante au point de vue industriel, attendu que l'augmentation de la capacité d'un four se traduit par une diminution de temps et de l'énergie consommée dans la production par quantité unitaire du produit fondu, d'où économie.
Les présents matériaux réfractaires peuvent également être employés avantageusement dans les cas où il est jugé désirable, dans le fonctionnement des fours aux températures usuelles, d'isoler d'une façon parfaite l'extérieur du creuset, de manière à avoir le minimum de déperdition de chaleur à travers la paroi. Etant donn que cet isolant empêche toute baisse de température à l'endroit du bord
<Desc/Clms Page number 12>
extérieur du bain fondu, il assure de meilleures conditions de marche du four; mais, jusqu'à présent, l'effet destructeur qu'exerce le verre f ondu sur le revêtement réfractaire mettait obstacle à son adoption.
En outre, les Gorges des creusets peuvent fonctionner avec un fa ble refroidissement par l'air, voire même sans ce refroidissement, bien que le matériau réfractaire employé soit , sur trois de ses faces, en contact constant avec le verre chaud. L'isolement de l'extérieur du creuset et la suppression des dispositifs de refroidissement permettent de réduire considérabl ment les pertes diredtes de chaleur, ainsi que d'écrnomiscr ce l'espace et du matériel accessoire.