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PROCEDE DE FABRICATION DE PRODUITS LAMELLIFORMES EN CERAMIQUE -
La présente invention a pour objet la fabrication de produits - céramiques composés d'au moins deux couches de matières différentes couvrant'' une surface relativement étendue par rapport à leur épaisseur, comme par exem- ple des,carreaux, des plaques, des dalles, dont l'épaisseur peut par exemple varier entre 1 et 6 mmo
On connaît des procédés de fabrication de produits lamelliformes en céramique, tels que carreaux, plaques, etcooo qui consistent à recouvrir un support résistant au feu d'une ou plusieurs couches d'une matière cérami- que inconsistante, crue (qui peut être sous forme de pâte, poudre ou même d'un liquide épais),
puis à chauffer le support et la ou les couches qu'il porte pour transformer par cuisson la matière céramique inconsistante en un corps solide. Le dit support.peut tout d'abord recevoir une couche de séparation qui, après chauffage, facilitera le détachement de l'objet du moule, puis une couche de matière céramique crue sur laquelle on peut encore éventuellement appliquer une couche de glaçure., ces deux dernières couches se transformant au cours du chauffage en un objet solideo
Une des grandes difficultés rencontrées dans de telles fabrica- tions est due au retrait de la matière céramique lors de son séchage et de sa cuisson. Ce retrait s'exerce dans les trois dimensions, ,et proportionnel- lement à celles-ci s'il n'est pas entravé; l'objet cuit n'a donc ni la même formeni les mêmes dimensions que son ébauche en matière crue.
Suivant l'invention, au lieu d'essayer d'éviter l'enroulement et la cassure des produits céramiques fabriqués, en facilitant le retrait dans le sens des grandes dimensions de l'objet, on a résolu le problème d'une fa- çon paradoxale en apparence en évitant complètement ce retraito Pour y ar- river, il est nécessaire de produire entre la lamelle de produit céramique en cours de fabrication et le support sur lequel elle est posée, une adhé- rence suffisant à s'opposer aux efforts de contraction et de réaliser une cohésion suffisante dans la pâte, pour éviter des ruptures ou des déformations dans l'objet. Les considérations théoriques et les nombreuses expériences
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faites à ce propos par les inventeurs,,
ont prouvé que ce résultat est obte- nable, du fait que le retrait - par l'adhérence et la cohésion mentionnées et par la cuisson dans l'état de tension déterminé par ces forces - peut être transformé de tridimensionel en mcmodimensionel (dans le seul sens de la hauteur),de façon que la diminution totale de volume reste la même que celle obtenue si la contraction était libre en tous les sens.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la com- position de la matière inconsistante déposée sur le support et la nature de ce dernier sont telles que, d'une part, durant la période de cuisson pendant laquelle la température augmente dans la dite matière, la cohésion des par- ticules de celle-ci entre elles et son adhérence au support soient suffisam- ment grandes pour que tout le retrait que subit la matière céramique pendant sa cuisson n'entraîne pratiquement aucune diminution de l'épaisseur de la matière déposée sur les supports, donc sans glissement entre cette dernière et le suppbrt et, d'autre part, au moins à la fin de la période de refroidis- sement,la dite adhérence soit suffisamment faible pour permettre % détacher aisément du support 1?objet solide obtenu.
Le fait qu'il ne se produit pas de glissement entre la matière cé- ramique et le support, pendant la cuisson,fait que l'objet cuit recouvre la même surface de support que la matière céramique inconsistante crue, a- vant la cuisson. Il est donc possible d'obtenir des objets lamelliformes cuits, dont la forme et les dimensions des grandes faces sont exactement les mêmes que la forme et les--'dimensions de la face des supports sur laquelle la matiè- re crue de départ.a été déposéeo Ceci permet une fabrication uniforme qui évite les déchets.
La présente invention comprend également une forme d'exécution permettant de diminuer le prix de revient de ces produits céramiques tout en en améliorant la qualité; elle permet9 en effet, d9utiliser une pâte grossiè- re et de réduire 1(épaisseur de la couche d'zmail; à cet effet, on coule sur un support réfractaire une couche de fond, faite de pâté grossière, donc bon marché, puis par-dessus une couche d'engobe, et finalement, par-dessus le tout, de l'émail.
Pour réaliser ces pièces en céramique, on peut inciser la matiè- re céramique inconsistante, déposée sur un support, sur une profondeur suffi- sante pour qu'une fois la céramique cuite, on puisse aisément casser de façon nette la matière à l'endroit 'de cette incision.
A cet effet, on peut opérer soit au moyen d'un outil tranchant, soit à l'aide d'un mince jet d'un fluide sous pression. Dans ce dernier cas, on a toutefois remarqué l'inconvénient que, si le jet de fluide sort d'une tuyère il est animé d'un mouvement tourbillonnaire qui nuit à 1?obtention d'u- ne incision parfaitement nette. Pour éviter ce défaut, suivant la présente invention, on peut effectuer cette incision au moyen d'une lame fluide à la- quelle on donne une grande vitesse par action centrifuge et qu'on dirige sur l'endroit de la matière céramique que l'on désire inciser.
La figure 1 est une vue partielle, en coupe, d'un élément de cé- ramique et de son support.
La figure 2 est un schéma explicatif.
La figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif utilisé pour inciser la matière inconsistante suivant les lignes de sépara- tions à réaliser.
La figure 4 est une vue en bout correspondanteo
Comme montré à la figure 1, le support 10 en une matière résis- tant au feu, est recouvert directement d'une couche Il de séparationo Sur cette couche est déposée une couche 12, d'une matière céramique inconsistan- te, par exemple pâteuse, qui, lors de la cuisson, se transformera en un corps solide. Enfin, sur la couche 12 est encore déposée une couche 13 de glaçure, qui sera également transformée (vitrifiée) pendant la cuisson.
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Lorsque ce support et les couches qu'il porte sont séchés,-puis chauffés et que la cuisson commence, il se produit, si aucune mesure spécia- le n'est prise, un retrait dans les couches 12 et 13 et un glissement dans. la couche 11 de séparation. Si ce glissement est complètement libre, il se produit simplement une diminution du format de l'objet; si ce glissement n'est pas complètement libre, le retrait tend à provoquer un soulèvement du bord des couches 12 et 13 au point 14.
Dans la fabrication habituelle, en vue de laisser agir le retrait, on donne, par conséquent, à la couche 11, une consistance telle qu'elle per- mette un glissement facile entre le support 10 et la couche 12, mais ce glis- sement, du fait des frottements considérables sur une surface de contact aus- si grande, s'effectue rarement de façon régulière et l'uniformité de la fa- brication n'est pas assuréeo Dans les pâtes formant la couche 12, en matiè- re céramique crue de composition usuelle (renfermant des composants argileux, comme l'argile, le kaolin, la bentonite), il se produit en effet, lors du chauffage (aux environs de 500 C) une contraction plus ou moins brusque par la dissociation de la molécule kaolinique. Comme cette contraction est-entra- vée, elle donne lieu à des efforts considérables dans la couche 12.
L'inten- sité de ces efforts est proportionnelle à la dimension de la matière dans la direction où ils s'exercent. Comme le retrait n'est pas empêché dans la direction perpendiculaire à la face 15 du support 10, les efforts créés par le retrait s'exercent dans des plans parallèles à cette face et ils vont en augmentant de la surface supérieure de la couche 13 à la surface inférieure de la couche 12, comme représenté à la figure la Ils seront d'autant plus intenses dans cette dernière surface que le retrait sera fort et l'entrave à la constraction plus grande. Toutes ces forces déterminent dàns chaque élément infinitésimal ds des couches 12 et 13, un moment de flexion.
La som- me de ces moments de flexion est égale à la résultante R de toutes ces for- ces, multipliée par la distance m qui est la moitié de l'épaisseur totale s des couches 12 et 13 Ce sont ces moments de flexion qui déterminent le soulèvement au point14 si le glissement dans la couche 11 n'est pas libre, car au bord des couches la cohésion n'existe' que d'un côté seulement.
Pour la même raison, lorsque le soulèvement a commencé, il se déplace du bord vers l'intérieur. Les efforts créés par la tendance au retrait peuvent aussi déterminer des cassures dans les couches 12 et 13 s'ils dépassent la force de cohésion des particules constitutives de ces couches.
A la surface de contact entre la couche de séparation 11 et la couche 12, les efforts internes peuvent être représentés par le vecteur #. Les forces qui s'opposent à ces efforts sont celles dues à la cohésion des particules constitutives de la couche 12 entre elles et à l'adhérence de la couche 12 à la couche 11; ces forces dues à la cohésion et à l'adhérence sont représentées par le vecteur # c+a de sens opposé au vecteur .
Si la valeur numérique de 6 est plus grande que celle de # c+a il se produira un glissement de la couche 12 par rapport à la couche 11; si la valeur numé- rique du moment Rm est supérieure à 1/4 de la valeur numérique de # c+a il se produira un enroulement de la couche 12 à ses bords; si la valeur numé- rique de # est plus petite que celle de # c+a il ne se produira pas de glis- sement, mais il-risque de se produire des cassures dans la couche 12. Si alors c+a est plus petit que la cohésion entre les particules de la couche 12, il ne se produira pas de cassures dans cette couche.
La figure 2, qui a trait au procédé selon l'invention, représente un diagramme dans lequel : le chemin parcouru par un support, depuis son en- trée dans le four tunnel de cuisson jusqu'à la fin de son refroidissement, est porté en mètres sur l'abscisse, la température du support et des couches est portée en degrés centigrades sur l'ordonnée de gauche et le total des for- ces de cohésion entre les particules de la couche de matière! céramique et d'adhérence de cette couche au support est porté en kg/cm sur l'ordonnée de droite, laquelle correspond également à la valeur Rm exprimée en kg/cm et définie ci-dessus.
Ce diagramme montre quelles doivent être les relations entre les valeurs Rm et 6 c+a en fonction de la température pour que le retrait soit pratiquement entièrement compensé par une diminution de l'épais-
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seur de. la couche de matière céramique et pour qu'à la fin de -la cuisson l'ob- jet, cuit puise aisément être détaché de son supporta Dans ce diagramme, là valeur de # c+a reste supérieure à celle de 4 Rm jusqu'à ce que la cuisson soit terminées, tandis qu'à la fin de la période.de refroidissement les forces # c+a doivent être inférieures à Rm pour permettre le détachement de l'ob- jet de son supporta On voit, en effet,
que la courbe des moments de flexion Rm et celle des forces de cohésion et d'adhésion # c+a se coupent en P après que le maximum T de la courbe des températures de cuisson a été atteinto
Si la couche 11 de séparation est supprimée, son action est rem- placée par les conditions régnant à la surface de contact de la couche 12 avec le support 10. Dans ce cas, la composition chimique et la consistance du support sont d'une importance essentielleo La composition chimique du support doit être telle qu'elle évite une combinaison avec la pâte déposée sur lui, sinon, par suite de la cuisson, la lamelle ferait corps avec le sup- porto En outre, la consistance et le coefficient de dilatation du support doivent favoriser le détachement de la lamelle à la fin de la cuisson.
Quant à la pâte de la couche 12, elle doit être composée pour coller au support pendant la première partie de la cuisson, c'est-à-dire qu'elle remplace à la surface de contact l'action de la couche de séparation
Les expériences faites ont montré que, pour réaliser les condi- tions du procédé de l'invention, il faut tenir compte essentiellement, dans la composition des pâtes crues a) de l'effet collant (cohésion et adhésion) de certains compo- sants, b) du retrait en volume, c) de la granulationo
Pour la même action collante et le même pourcentage d'adhésifs, la cohésion et l'adhésion croissent avec la finesse des grains agglomérés par le collant; le retrait à son tour croit, lui aussi, avec cette finesse, de même qu'avec le pourcentage en composants volatils (eau, acide carbonique, etc...) contenus dans le mélange.
Pour obtenir des diagrammes de forces com- me celui de la figure 2, ces facteurs doivent être choisis et dosés, par con- séquent, de façon opportune. Les résultats les meilleurs sont obtenus, selon la présente invention, en réduisant au minimum la tendance au retrait dans la pâte (couche 12), comme aussi dans la couche séparatrice 11, puisque les efforts ±µ(et par conséquent R) sont proportionnés à cette tendance. La ten- dance à l'enroulement,déterminée par la grandeur de R, diminuera également avec la diminution de la tendance au retrait. La cohésion et 1?adhésion étant les deux facteurs qui déterminent la résistance au glissement, les cou- ches 12 et 11 doiventsetmee composées avec un pourcentage suffisant de "colle".
Il est clair que les deux facteurs cohésion et retrait minima sont contra- dictoires, puisque les matières collantes ("colloîdales", "grasses") ont par leur nature une contraction considérableo Le problème est résolu par le broyage adéquat des composants et par une distribution rationnelle des com- posants colloidauxo De cette manière, on obtient des mélanges composés avec un pourcentage très élevé de matières "maigres", et par conséquent peu coû- teuses, le pourcentage de "colle minérale" étant minime.
Il est à remarquer à cet égard que ces colles ne doivent pas avoir le même caractère chimico-physique dans la couche de séparation 11 et dans la pâte de la couche 12. Le diagramme,de la figure 2 montre en effet que, quand la pâte commence à ramollir (à 800 C environ dans l'exemple ci-après) et que les effets de la capillarité interviennent en surface, la couche 11 doit avoir une consistance suffisante pour empêcher que non seulement la lamelle reste adhérente au support pendant la période d'échauffement., mais que la ten- sion superficielle de la pâte devenue molle à haute température ne soulève la lame à ses bords, également vers la fin de cette période.
L'expérience a prouvé que les meilleurs résultats sont obtenus en réglant la composition, le broyage, la classification et le dosage des grains, de manière à obtenir, dans la couche de séparation, une action de
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capillarité considérablement supérieure à celle qui est en jeu dans la-pâte, c'est-à-dire en y poussant au maximum les forces de surface, de façon que, en comparaison avec celles-ci, la cohésion passe au second plan.
Dans la zone de température la plus élevée, où même le colloî- de de la couche de séparation a perdu désormais son pouvoir collant, les composants vitrifiables de la pâte et de l'émail sont devenus fluides, la capillarité est diminuée dans la lamelle et l'adhérence de la couche 11, mê- me réduite, est suffisante.
Cela suppose, évidemment, une étude précise de la fluidité des composants en jeu et de leurs intervalles de fusion en rap- port avec la température de déshydratation de la couche de séparation 11;
Voici, à titre d'exemple, quelles peuvent être les caractéris- tiques chimiques et physiques, d'une part, de la couche de pâte crue et, d'autre part, de la couche de séparation pour que le retrait ne se fasse sentir que dans le sens de l'épaisseur de ces couches et non pas selon leurs deux autres dimensions (perpendiculaires à leur épaisseur) et pour qu'après la cuisson à une température d'environ 950 C, l'objet lamelliforme puisse être facilement détaché de son support :
a) Composition de la partie non aqueuse de la pâte crue inconsis- tante
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Kaolin 00000000000000000000000000 8,5 % Talc 0000000000000000000000000000 7,5 % Débris de verre 00000000000000000 35,4 %
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<tb> Autres <SEP> matières <SEP> maigres
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (sable, <SEP> débris <SEP> de <SEP> porce-
<tb>
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1fne, etcooo) ocoooccoccooooooo 48 Bentonite o000000000000000000000o 0,5 Phosphate de sodium ... 0000000000 ogi % b) Préparation de la pâte crue
On introduit dans un tambour broyeur à galets de 180 cm de dia- mètre et 180 cm de longueur s 900 kg de la matière sèche indiquée sous a) ci-dessus (les grains des matières maigres étant de diamètre inférieur à 1 mm), 1260 kg de galets en silex, et 1350 litres d'eau.
On broie pendant 20 heures environ en faisant tourner le broyeur entre 80 et 100 tours/minute. c) Composition de la partie non aqueuse de la couche de sépara- tion :
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<tb> Argile <SEP> plastique <SEP> 0000000000000000 <SEP> 27 <SEP> % <SEP>
<tb>
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Calcaire en poudre oaoooaoooooooo 72,65 % Bentonite peptisée 00000000000000 0,2 %
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<tb> Pyrophosphate <SEP> de <SEP> sodium <SEP> ......... <SEP> 0,15 <SEP> % <SEP>
<tb>
d) Préparation de la matière de la couche de séparation
On rempli un moulin à tambour de 60 cm de diamètre et 60 cm de longueur avec 30 kg de matière sèche indiquée sous c) ci-dessus, 42 kg de galets en silex et 150 litres d'eau.
On broie pendant 22 heures envi- ron en faisant tourner le moulin entre 120 et 150 tours/minute Les sup- ports peuvent être non métalliques ou métalliques ou en un mélange de par- ticules métalliques et de matière non métallique, poreux ou compactso
Pour la fabrication de ces produits céramiques, on peut procéder cornue suit
On commence par couler, sur un support réfractaire muni d9une
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couche antiadhésive,unecouche de fond faite de pâte grossière, donc bon marchéo Cette pâte peut contenir des déchets d'ébarbage provenant d9un cy- cle de fabrication antérieur, broyés grossièremento Ces déchets sont utilisés sans triage préalable quant à leur couleur,
La proportion de déchets débar-
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bage par rapport à la pâte fraîche peut parfaitement s'élever jusqu9à 33 %, comme on l'a indiqué plus haut.
Ceci étant fait, on coule sur cette couche de fond une couche d'en- gobe, c'est-à-dire d'une pâte de qualité plus fine, opaque, bine broyée-, d'une épaisseur de quelques dizièmes de millimètre, par exemple de 0,3 ou 0,4 mmo La présence de cette couche d'engobe a pour but de masquer complètement la couche de fond grossière et les déchets d'ébarbage colorés qu'elle contient..
Après cela, on coule une couche d'émail de la couleur désiréeo
La couche de fond peut être broyée aussi grossièrement qu'on le désire, dans les limites admissibles pour la coulée, pour prendre faci- lement l'épaisseur désirée. En.effet, 1'engobe peut être broyé extrêmement' fin pour donner, par conséquent, une surface très lisse, sur laquelle une cou- che même très mince,donc peu coûteuse, d'émail est suffisante pour donner un aspect satisfaisant et une' surface bien plane et glacée aux objets obtenus.
L'application de la couche d'engobe est exécutée de même façon que celle de la couche de fond, c'est-à-dire que 19on a trois distributeurs contenant respectivement la pâte de fond, la pâte d'engobe et l'émail. Le support réfractaire passe successivement en regard de ces trois distributeurs pour recevoir l'une après l'autre les trois couches indiquées.- Une ou plu- sieurs des dites couches peut être disposée par étirage; elle peut être dépo- sée sous forme de poudre.
Le procédé que l'on vient de décrire est d'une application parti- culièrement facile, grâce au fait qu'il permet l'emploi de mélanges maigres, ce qui rend l'engobage sur et facile, comme il est connu dans la technique cé- ramique. Par contre, l'engobage est presque impossible dans la fabrication courante des carreaux, à la presse, et il est très difficile dans la fabrica- tion à pâte humide, par suite de la nécessité d'accorder entre eux, quant au retrait, au séchage et à la cuisson, pâte et engobe, d'une part, et engobe et émail, de l'autre. Le procédé ci-dessus indiqué permet au contraire d'y arriver facilement puisque Inapplication successive des deux couches de pâ- tes, maigres et liquides, comme il est décrit plus haut, faite à un interval- le de temps réglable à volonté, donne une adhérence parfaite entre les deux couches.
L'engobage d'objets faits au tour ou par coulage en moules de plâ- tre ou encore à la presse, ne peut être exécuté que lorsque la première couche est déjà trop sèche pour s'unir de façon intime à l'englobe sur la surface de contact. La même difficulté, bien qu'à un moindre dégré, se pré- sente à l'émaillage.
On a représenté sur les figures 3 et 4, en 1, un support sur lequel on a déposé la matière céramique inconsistante, sous forme d'une couche 2. En 3, on a indiqué schématiquement un organe transporteur servant à déplacer 1 et 2 dans le sens de la flèche représentée sur la figure 4.
Au-dessus de l'ensemble formé par 1 et 2, il est disposé un arbre horizontal 4, entraîné en rotation rapide par des moyens non représentés, et portant trois organes ayant la forme de lentilles plan-convexes. Une conduite d'a- menée de fluide liquide ou gazeux, de l'eau ou de l'air par exemple, est pré- vue en 6. De cette conduite partent des tubes 7, débouchant à l'intérieur de la concavité 8 des organes µ, à proximité de l'arbre 4.
Le fonctionnement du dispositif représenté est le suivant
Le fluide sortant des tubes et arrivant au contact de la sur- face concave 8 des organes 5 tournant à grande vitesse, est entraîné en rotation par ces organes et est chassé à la périphérie de ceux-ci, par ac- tion centrifuge, à grande vitesse, sous forme d'une nappe exempte de mouve- ment tourbillonnaire. On a indiqué en 2. la nappe en question et c9est elle que 19on dirige aux endroits désirés de la matière céramique 2 pour produire dans celle-ci l'incision sur une profondeur suffisante pour qu'une fois l'objet cuit, on puisse aisément casser, de façon nette,la matière à l'en- droit de cette incision. Cette action de la lame 9 se produit pendant le mouvement de l'organe transporteur 3.
Bien entendu, les figures 3 et 4 re- présentent seulement une forme d'exécution du procédé à seul titre d'exem- ple.
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La lame fluide à grande vitesse agit donc à la façon d'un cou- teau, mais elle a sur celui-ci l'avantage de ne pas présenter d'usure; une telle usure se traduit, en pratique, dans l'emploi d'un'couteau, soit par des irrégularités de coupe, soit par des variations de profondeur.' L'em- ploi d'une lame fluide à grande vitesse a, en outre, l'avantage, sur des or- ganes coupants mécaniques, de rendre sans effet les petites différences de hauteur qui peuvent exister entre divers supports l. L'expérience a montré que 50 à 80 mm correspondent aux valeurs optima pour le diamètre des disques, et 30 à 60 cm3 par minute pour le débit d'eau fourni à ceux-ci.
Bien entendu, des moyens non représentés sont avantageusement prévus pour évacuer le fluide (dans le cas d'un liquide) après son action sur la matière 2. Ces moyens peuvent consister en des conduites d'aspira- tion indiquées schématiquement en 16, disposées à proximité de la couche 2, de part et d'autre des disques µ sur la figure 4. Ces conduites peuvent être en toile métallique ou en tôle métallique perforée. Elles sont de section transversale triangulaire., La profondeur de l'incision peut être variée de façon précise en faisant varier la vitesse de rotation des organes 5.
La distance entre ces différents organes 1 est également réglableo Pour obtenir des bords tout-à-fait nets, on peut placer des hélices coaxialement avec ces organes, pour produire une ventilation grâce à laquelle la matière enlevée par incision est immédiatement écartée de la couche20
L'émail peut être appliqué avant ou après l'opération d'incision.
En l'appliquant après, on a davantage suivant si, lors de l'opération d'in- cision, on élimine involontairement une partie de la glagure ou bien encore si l'on produit, sans le désirer, une certaine diffusion dans celle=ci, de la pâte, cela n'a pas d'importance puisque l'émail appliqué ensuite couvre ces inégalités et permet ainsi de donner à l'objet une apparence irréprochable.