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Procédé pour la fabrication de briques siliceuses de masse volumique apparente élevée
L'invention concerne un procédé pour fabriquer des briques siliceuses à masse volumique apparente élevée à partir d'un mélange de départ avec de la quartzite (silice) et du silicium élémentaire sous forme granulée calibrée.
De telles briques siliceuses, dénommées également briques de dioxyde de silicium, sont utilisées dans les hauts-fourneaux, les cowpers et en particulier dans les fours à coke, et on tente d'atteindre pour ces briques au dioxyde de silicium une masse volumique apparente aussi élevée que possible afin d'améliorer la conductibilité thermique.
Le brevet de RFA DE-PS 28 36 691 décrit un procédé pour fabriquer de telles briques au dioxyde de silicium à masse volumique augmentée, dans lequel on ajoute au mélange de départ de dioxyde de silicium 0,5 à 10% de nitrure de silicium et/ou de carbure de silicium, ce mélange de départ devant alors être effectué dans un intervalle de température de 1200 à 1400 C, dans des conditions très spéciales de concentration d'oxygène en dessous de l'ouverture de sortie des gaz du four de cuisson et de vitesse d'augmentation de température en C/h. Dans ce texte DE-PS 28 36 691, on indique de plus pour l'état de la technique que les briques au dioxyde de silicium
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peuvent également être fabriquées avec addition d'oxydes métalliques comme le Cru20,
le Tri02 ou le Fe203 ou par addition de carbure de silicium.
Pour obtenir des briques siliceuses de faible porosité et donc avec une meilleure résistance à la corrosion, on connaît l'utilisation, dans la fabrication des briques siliceuses, de silicium élémentaire ou de carbure de silicium, avec un composé d'ammonium ou en particulier un composé non volatil à action oxydante, comme le nitrate de calcium ou de magnésium (brevets britanniques GB-
880 582,1 012 363). L'utilisation dans la fabrication du mélange de composés solubles dans l'eau est toutefois désavantageuse et il survient des difficultés à la cuisson des briques. De plus, les
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composés salins créent'le risque d'une charge supplémentaire de l'environnement.
Dans le brevet US 3.144. 345, on présente un procédé de fabrication de briques siliceuses à haute masse volumique et haute conductibilité thermique, dans lequel de l'acide silicique amorphe finement divisé (condensé à partir de la phase vapeur) est introduit dans le mélange.
Les briques siliceuses obtenues atteignent une masse volumique jusqu'à 1,84 g/cm3 (115 Ib/ft3) selon la colonne 4, tableau I, exemple 4).
Le but de la présente invention est de proposer un procédé économique et techniquement simple à exécuter pour fabriquer des briques au dioxyde de silicium avec une masse volumique apparente augmentée, c'est-à-dire des briques siliceuses denses, en particulier pour fours à coke, avec une haute conductibilité thermique, procédé dans lequel on n'utilise pas de sels néfastes pour l'environnement.
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Ce but est atteint par le procédé, qui est caractérisé en ce que le mélange de départ contient 0,5 à 10% de silicium élémentaire d'une granulométrie allant jusqu'à 75 um et 1,5 à 8% en poids de dioxyde de silicium pyrogène amorphe finement divisé par rapport aux composants quartzite, silicium et dioxyde de silicium pyrogène dans le mélange de départ. De préférence, le mélange de départ contient 3 à 6% de silicium élémentaire et 1,5 à 5% en poids de dioxyde de silicium pyrogène.
Le dioxyde de silicium pyrogène amorphe finement divisé favorise de façon étonnante la
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formation de Si02 à partir du silicium élémentaire par une oxydation poussée, et l'accumulation du Si02 nouvellement formé. On se base sur le fait que, aux températures élevées atteintes durant la cuisson, le silicium élémentaire non encore transformé en SiOz ne forme pas de gouttes de matière fondue s'accumulant irrégulièrement sous forme de nids dans la matrice de la texture des briques. Ces accumulations de gouttes de silicium élémentaire sont évitées par le dioxyde de silicium pyrogène. Le dioxyde de silicium pyrogène possède une dimension primaire de particules allant jusqu'à 3 {im et une grande activité de surface.
De plus, les espaces poreux, en particulier les micropores, sont avantageusement remplis par le dioxyde de silicium pyrogène.
Dans le procédé selon l'invention, il survient, à la limite supérieure de teneurs excessives en silicium élémentaire et en acide silicique pyrogène, des difficultés au pressage et à la cuisson des briques. En particulier, on obtient à la cuisson, en cas de teneur trop élevée en silicium élémentaire, des briques présentant des déformations et des fissures. Pour des teneurs en silicium
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élémentaire et en acide silicique pyrogène inférieures à la valeur limite considérée, on n'atteint pas une amélioration notable de la masse volumique apparente des briques siliceuses.
L'invention concerne de plus les briques au dioxyde de silicium fabriquées selon le procédé décrit ci-avant, qui possèdent une masse volumique apparente de R > 1,86 g/cm3 et une conductibilité thermique mesurée selon DIN 51046 de valeurs moyennes suivantes :
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<tb> à <SEP> 4000C <SEP> 2, <SEP> 1 <SEP> W/mK
<tb> à <SEP> 7000C <SEP> 2,3 <SEP> W/mK
<tb> à <SEP> 10000C <SEP> 2,6 <SEP> W/mK
<tb> à <SEP> 12000C <SEP> 3,0 <SEP> W/mK
<tb>
Dans le procédé selon l'invention, on emploie comme matériau de départ de manière connue en soi de la quartzite appropriée pour la fabrication de briques siliceuses réfractaires, comme la quartzite de ciment et la quartzite de roche.
Comme exemple, on cite la quartzite de ciment (gisement RFA, Merzhausen), qui contient selon l'analyse chimique 0,70% en poids de A1203, 0,85% en poids de Tirs, 0,15% en poids de Fe203 et environ 98, 0% en poids de Sitz.
Lors de la cuisson des briques au dioxyde de silicium, la phase quartz des matériaux de départ est largement transformée en cristobalite et en tridymite. Les briques siliceuses cuites possèdent en particulier, comme précieuses qualités pour l'utilisation dans les parois de fours à coke, un grand taux de transformation des phases dioxyde de silicium et un faible pourcentage seulement de quartz restant. La masse volumique correspondante de la brique siliceuse se situe dans la gamme de 2,33 à 2,34 g/cm3. Pour la masse volumique apparente, on
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obtient des valeurs de 1,86 g/cm3 et plus, la porosité représente moins de 20% en volume.
Selon le procédé de l'invention, la cuisson peut être effectuée de manière usuelle,
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c'est-à-dire avec des températures finales de 1400 à 1450 C. Dans la gamme de températures supérieures à 1000 C, la durée de cuisson devrait avantageusement être comprise entre 100 et 300 heures et la teneur en oxygène de l'atmosphère du four environnant le produit cuit devrait se trouver entre 5 et 14% en volume, pour obtenir une oxydation aussi complète que possible du silicium élémentaire en dioxyde de silicium. Les quantités restantes de silicium élémentaire subsistant dans la brique siliceuse après la cuisson sont minimes. Le silicium restant et sa transformation en dioxyde de silicium durant la mise en oeuvre des briques ne donnent lieu à aucun comportement défavorable des briques, comme par exemple leur post-dilatation.
Le silicium élémentaire utilisé dans le procédé selon l'invention doit avoir une dimension
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maximale de particules de 75 gm et avantageusement de 44 gm. Un tel silicium élémentaire en fines particules est disponible dans le commerce.
La fabrication du mélange de départ se fait de manière connue en soi, c'est-à-dire qu'on ajoute, au matériau de départ au dioxyde de silicium ou aux matériaux de départ au dioxyde de silicium qui se trouvent dans la classification usuelle pour la fabrication de briques au dioxyde de silicium, 0,5 à 10% en poids de silicium élémentaire ayant la dimension maximale de particules mentionnée ci-dessus et 1,5 à 8% en poids de dioxyde de silicium pyrogène d'une dimension primaire de particules de 3 pn maximum, par rapport aux composants quartzite,
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silicium et dioxyde de silicium pyrogène du mélange de départ. Après mélange intime et formage, les briques ainsi obtenues sont cuites.
Le dioxyde de silicium finement divisé,
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d'une dimension de particules primaire allant jusqu'à 3 pm, est un produit usuel du commerce qui se présente par exemple dans la fabrication de ferrosilicium ou de dioxyde de zirconium à partir de
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sable de zircon, ZrSi04, comme cendres volantes, c'est-à-dire comme produit secondaire. Ce produit est également connu sous le nom d'acide silicique pyrogène et se compose d'agglomérats, la dimension primaire maximale des particules étant de 3 Mm.
L'invention est expliquée plus en détail à l'aide des exemples 1 à 4 suivants et des exemples de comparaison A,'B et C. Les indications relatives aux exemples et les propriétés des briques siliceuses sont reprises dans le tableau.
Selon l'exemple 1, on a fabriqué un mélange de départ à partir de 88% en poids de
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quartzite d'une granulométrie de 0 à 3 um, 10% en poids de silicium d'une granulométrie de 44 pm maximum et 2% en poids d'acide silicique pyrogène. Le mélange de départ contenait comme additifs 2% en poids de poudre de roche calcaire, 3% en poids de lait de chaux et 1% en poids de liant organique. On a fabriqué des briques au dioxyde de silicium de la dimension habituelle pour fours à coke, cuites à une température maximale de cuisson de 1440 C, dans les conditions standard pour les briques au dioxyde de silicium, le temps de séjour aux températures supérieures à 1000 C étant d'environ 150 heures.
Les briques siliceuses possédaient, avec un taux élevé de transformation (masse volumique 2,33 g/cm3 et 0,5% de quartz restant), un poids volumique élevé, et la
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teneur résiduelle en silicium élémentaire était d'environ 1,2% en poids.
Dans les exemples 2 à 4, le mode opératoire de l'exemple 1 a été répété. Le tableau montre que, par rapport à l'exemple 1 avec la plus haute teneur mentionnée en silicium élémentaire dans le mélange de départ, l'exemple 2 présente une moindre teneur résiduelle en silicium dans la brique cuite, les autres propriétés étant environ identiques. Les exemples 3 et 4 représentent de préférence des domaines du procédé selon l'invention.
On obtient des briques siliceuses présentant une masse volumique apparente plus élevée et des valeurs moindres pour la porosité, la perméabilité aux gaz et le silicium restant.
Dans l'exemple de comparaison A, le mode opératoire de l'exemple 1 a été répété, mais on n'a toutefois pas utilisé de silicium élémentaire ni d'acide silicique pyrogène dans le mélange de départ. Les briques siliceuses obtenues possédaient une masse volumique apparente plus faible et une porosité élevée. Les exemples B et C comportent comme composants une teneur en silicium élémentaire dans le mélange de départ, et on a obtenu des briques siliceuses présentant déjà une masse volumique apparente supérieure à l'exemple A, mais une teneur plus élevée, soit 1,6% en poids et plus, en silicium restant.
Par rapport aux exemples de comparaison A, B, C, on obtient par le procédé de l'invention selon les exemples 1 à 4 des briques siliceuses qui se distinguent par des propriétés avantageuses comme une haute masse volumique apparente, une faible porosité, une faible perméabilité aux gaz et une teneur résiduelle minime en silicium élémentaire.
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TABLEAU (Quantités indiquées en % en poids)
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<tb>
<tb> Exemples <SEP> ou <SEP> essais <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> A <SEP> B <SEP> C
<tb> de <SEP> comparaison
<tb> Quartzite <SEP> 0-3 <SEP> mm <SEP> 88 <SEP> 90 <SEP> 93 <SEP> 90 <SEP> 100 <SEP> 95 <SEP> 90
<tb> Silicium <SEP> métallique-44 <SEP> pm <SEP> 10 <SEP> 8 <SEP> 5 <SEP> 5--5 <SEP> 10
<tb> Acide <SEP> silicique <SEP> pyrog-3 <SEP> pm <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 5 <SEP> -- <SEP> -- <SEP> -Poudre <SEP> de <SEP> roche <SEP> calcaire <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 2
<tb> Lait <SEP> de <SEP> chaux <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 3
<tb> Liant <SEP> organique <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> Propriétés
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> apparente <SEP> R <SEP> (g/cm) <SEP> 1,87 <SEP> 1,87 <SEP> 1,96 <SEP> 1,91 <SEP> 1,83 <SEP> 1,
85 <SEP> 1,86
<tb> Porosité <SEP> ouverte <SEP> P <SEP> (% <SEP> vol. <SEP> ) <SEP> 18,0 <SEP> 18,8 <SEP> 14, <SEP> 3 <SEP> 16,5 <SEP> 21, <SEP> 0 <SEP> 20, <SEP> 0 <SEP> 18,5
<tb> Perméabilité <SEP> au <SEP> gaz <SEP> (Nperm) <SEP> 7,5 <SEP> 8,0 <SEP> 2,2 <SEP> 3,1 <SEP> 11,0 <SEP> 10,5 <SEP> 8, <SEP> 5
<tb> Masse <SEP> volumique <SEP> g/cm <SEP> 2 <SEP> 2, <SEP> 33 <SEP> 2,33 <SEP> 2,33 <SEP> 2,33 <SEP> 2,33 <SEP> 2,33 <SEP> 2,33
<tb> Résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> compression <SEP> à <SEP> froid <SEP> N/mm2 <SEP> 47 <SEP> 50 <SEP> 82 <SEP> 61 <SEP> 40 <SEP> 45 <SEP> 46
<tb> Quartz <SEP> restant <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 <SEP> 0, <SEP> 5 <SEP> 0,5 <SEP> 0,5 <SEP> 1,0 <SEP> 1, <SEP> 0
<tb> Silicium <SEP> restant <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> 1,2 <SEP> 1,0 <SEP> 0,25 <SEP> 0,53 <SEP> -- <SEP> 1,6 <SEP> 2,12
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