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"Plaque réfractaire"
La présente invention se rapporte à une plaque réfractaire, en particulier pour un système de régulation de débit d'un métal fondu liquide, comprenant au moins une zone de passage qui comporte au moins un trou de passage pour ledit métal liquide, et d'une composition choisie pour résister notamment à des sollicitations dues au contact avec ledit métal liquide coulant à travers le trou, une zone de manoeuvre qui est destinée notamment à conduire la régulation et à arrêter l'écoulement du métal liquide, et d'une composition différente de la composition de la zone de passage, choisie pour résister notamment à des chocs thermiques dus au métal liquide en appui sur cette zone de manoeuvre en cas d'arrêt de l'écoulement, et une liaison de solidarisation desdites zones,
pour former un ensemble monobloc dans lequel un déplacement imprimé par exemple à ladite zone de manoeuvre est transmis de manière univoque à la ou respectivement à chaque zone de passage.
L'examen des modes d'endommagement de plaques réfractaires connues, dus à leur utilisation, révèle différents types de dégradations : au niveau du trou de coulée, des fissures radiales et une assez forte érosion des lèvres sont constatées, en position de fermeture, la plaque est soumise, à l'aplomb du
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métal en fusion, à un choc thermique violent qui génère, sous la surface, des contraintes mécaniques qui, à terme, conduisent à un écaillage.
Il en résulte que ces plaques doivent répondre à des critères de : résistance à) a fissuration radiale résistance à l'érosion et à la corrosion chimique résistance au choc thermique - résistance à l'écaillage.
A ce jour, aucune solution basée sur une composition unique pour la plaque entière ne donne pleine satisfaction d'un point de vue technique et économique.
Plusieurs documents font mention de plaques pour vannes métallurgiques faisant appel à une combinaison de plusieurs matériaux.
Ainsi, la DE-A-1.935. 424 revendique un dispositif de fermeture muni d'une plaque qui est entourée d'un élément support mécanique aux propriétés thermiques isolantes.
Dans la DE-A-1.937. 742, la plaque est pourvue d'un logement qui reçoit un insert en matériau métallique à haute dureté (composite oxyde de zirconium-molybdène), fixé au reste de la plaque par un ciment élastique. Le rôle de cet insert est d'empêcher la solidification du métal lors de la fermeture grâce à sa haute conductivité thermique mais il s'est avéré peu performant en résistance à l'érosion.
La technique de l'insert est aussi rapportée dans la DE-A- 3.614. 730 dans laquelle une structure de base de la plaque entoure et supporte un insert en céramique de type oxyde, grâce à un mortier jouant le rôle de joint d'expansion thermique. La structure de base ellemême est constituée d'un béton magnésien.
Par contre, dans la DE-A-2.719. 105 l'insert céramique est entouré d'un béton alumineux.
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Dans cette conception avec insert et ciment ou mortier de pose, l'interface entre le corps principal de la plaque et l'insert constitue un point faible fortement gênant parce que sujet à de la corrosion, à une infiltration de métal liquide, à une aspiration d'air, etc.
La présente invention a pour but de remédier aux problèmes qui proviennent tant de la présence de cette interface qu'aussi de sa réalisation qui, de son côté, prend du temps et nécessite l'utilisation d'un ciment ou mortier aux qualités particulières connues, pour finalement ne pas donner le résultat escompté. Dans ce but, l'invention propose une plaque dont toutes les zones sont réalisées simultanément de manière à être intimement imbriquées l'une dans l'autre et liées de façon univoque et sans possibilité d'interstice (s) entre elles.
A cet effet, suivant l'invention, la liaison de solidarisation entre lesdites zones différentes est le résultat d'un copressage, c'est à dire d'un pressage simultané, dans un même moule, de la composition constituant la ou les zones de passage et de la composition différente constituant la zone de manoeuvre, les compositions différentes ayant été préalablement disposées dans le moule de manière respective suivant les zones. Le copressage est suivi d'un traitement thermique de consolidation.
En particulier, lorsque la zone de passage concerne la totalité de l'épaisseur de la plaque réfractaire, celle-ci pourra avantageusement être utilisée successivement en position recto et verso, ce qui n'est pas le cas des plaques avec insert.
L'invention concerne également un procédé de fabrication de la plaque réfractaire suivant l'invention, en particulier pour un système de régulation de débit d'un métal fondu liquide, comprenant au moins deux zones, en considérant la surface de frottement dudit système de régulation, au moins une zone de passage d'une première composition
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déterminée, sur au moins une partie de l'épaisseur de la plaque, et une zone de manoeuvre d'une seconde composition déterminée, formant le reste de la plaque.
Le procédé de l'invention comporte à cet effet - l'apport dans un moule d'un volume nécessaire d'une des compositions et, séparément, d'un volume nécessaire de l'autre composition, en respectant des limites souhaitées pour chaque zone correspondante, un pressage simultané des deux compositions dans le moule pour donner une forme et une compacité souhaitées à la plaque pressée, et un traitement thermique de consolidation de la plaque pressée.
Dans un système de régulation de débit susdit de métal liquide en fusion, la plaque réfractaire selon l'invention peut se trouver tout autant en position fixe supérieure et/ou inférieure qu'en position mobile inférieure ou intermédiaire.
D'autres détails et particularités de l'invention ressortiront des revendications secondaires et de la description des dessins qui sont annexés au présent mémoire et qui illustrent, à titre d'exemples non limitatifs, aussi bien la plaque de l'invention que son procédé de fabrication suivant l'invention. Entre autres, les termes"de passage"et "de manoeuvre"utilisés présentement ne le sont que pour différencier des types de zones différentes dans les formes de réalisation décrites, sans limiter le fond de l'invention.
La figure 1 montre dans une vue en plan une forme de réalisation d'une plaque de l'invention, dans laquelle deux zones de passage sont enclavées dans ce que l'on nomme la zone de manoeuvre.
La figure 2 montre, aussi dans une vue en plan, une autre forme de réalisation d'une plaque de l'invention, dans laquelle deux zones de passage sont contiguës à une zone de manoeuvre et situées
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de part et d'autre de cette zone.
La figure 3 montre, encore dans une vue en plan, une variante d'une plaque de l'invention, dans laquelle une zone de passage et une zone de fermeture sont fabriquées d'une pièce en une même composition et entourées d'une zone de manoeuvre d'une autre composition.
Dans les différentes figures, les mêmes notations de référence désignent des éléments identiques ou analogues.
Dans la conception de la plaque réfractaire selon l'invention, la zone de passage 1, appelée partie 1 ci-après, a une composition spécialement étudiée pour résister au flux du métal fondu liquide et des scories qui l'accompagnent tandis que la zone de manoeuvre 2, appelée corps principal 2 ci-après, qui n'est pas soumise au flux continu du métal en fusion doit pouvoir résister au choc thermique encouru lors de la fermeture de la vanne et assurer par exemple le positionnement et/ou le déplacement de la plaque réfractaire.
La partie 1 est constituée de grains réfractaires de premier choix choisis dans la famille des alumines, mullites, zircones et leurs composites, de carbone divisé pouvant être de type graphite, anthracite, coke et noir de carbone, d'agents antioxydants et d'une résine thermodurcissable.
Le corps principal 2 qui est solidaire de la partie 1 est constitué principalement de grains réfractaires appartenant au système silice-alumine tels que bauxite, andalousite, kyanite et chamotte et/ou de grains réfractaires issus d'un procédé de recyclage et en particulier du recyclage de ces mêmes plaques réfractaires de coulée, ces grains étant enrobés et liés par un agent carboné compatible avec celui utilisé pour lier les grains de la partie 1.
En variante, lorsque les conditions de coulée et la nature du métal l'exigent, les grains réfractaires de la partie 1 sont constitués de
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qualités de premier choix de magnésie et/ou de spinelle MgO Al203, de carbone divisé, d'agents antioxydants et d'une résine thermodurcissable. Les grains réfractaires du corps principal 2 sont avantageusement constitués de qualités moins nobles appartenant au même système que ceux de la partie 1 et/ou de lots issus d'un procédé de recyclage et en particulier du recyclage de ces mêmes plaques réfractaires de coulée.
Ces grains du corps 2 sont alors liés par un agent de liaison carboné compatible avec celui de la partie 1.
Pour réussir l'élaboration de la plaque réfractaire monobloc selon l'invention, il faut que la partie 1 et le corps principal 2, bien que de compositions différentes parce qu'ils assurent une fonction particulière respective, soient compatibles sur le plan de la fabrication, notamment lors des différentes étapes de la fabrication (copressage, étuvage, cuisson ou autre consolidation) afin que la plaque présente une cohésion suffisante entre ces deux constituants 1 et 2 pour qu'elle se comporte en service comme un ensemble monobloc.
En particulier, les deux compositions de matières premières, particulières pour la partie 1 et pour le corps principal 2 respectivement, devront présenter des densités tassées et des densités pressées relativement proches pour réussir le copressage, d'où l'avantage d'utiliser en tout ou en partie, pour réaliser le corps principal 2, des matières recyclées issues d'un retraitement de masses provenant de plaques de même usage.
De manière avantageuse, on utilisera le même système de liaison carbonée pour lier les grains réfractaires des constituants 1 et 2, à savoir une même résine thermodurcissable ou deux résines compatibles sur le plan rhéologique et thermique. Cette manière de faire est une voie pour obtenir une liaison structurelle entre partie (s) 1 et corps 2.
Etant donné que la partie 1 et le corps principal 2 subissent des sollicitations thermiques et chimiques différentes en cours de
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service, elles sont pourvues d'agents ou de combinaisons d'agents antioxydants adaptés à ces sollicitations respectives.
L'avantage de la conception de la plaque de l'invention est de ne renforcer par des systèmes antioxydants hautement élaborés que les zones réellement sollicitées, sans toutefois grever le coût d'élaboration de la plaque réfractaire. Selon la géométrie de la plaque dans son ensemble et selon la position du ou des trous de coulée 3, on adoptera une conception différente de l'ensemble formé par les compositions différentes.
La ou les parties 1 peuvent se trouver en position enclavée dans le corps principal 2 (figure 1) ou en position adjacente par rapport à ce corps principal 2 comme illustré par la figure 2.
De même, lorsqu'il s'agit d'une plaque à mouvement linéaire à un ou plusieurs trous de coulée 3, la position enclavée, montrée à la figure 3, de la partie 1 peut être préférée..
Dans une des formes de réalisation préférées de l'invention , lors de l'opération de pressage, soit en mode hydraulique soit par friction, un accessoire mince mais rigide peut matérialiser momentanément la frontière entre la partie 1 et le corps principal 2 durant la phase de dépôt des deux compositions dans le moule. Une fois les deux compositions mises en place dans leurs logements respectifs, l'accessoire est enlevé avant le pressage proprement dit pour favoriser le contact et l'imbrication intimes des deux compositions au niveau de l'interface entre partie 1 et corps principal 2.
Une telle façon de procéder permet d'obtenir tant pour la partie 1 que pour le corps principal 2 des caractéristiques physiques (de densité et de porosité) aussi élevées que si elles étaient pressées séparément.
De plus, des inspections par microscope et des tests mécaniques par flexion sur des barreaux prélevés sur des pièces
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composites élaborées selon le procédé de l'invention ont montré que l'interface entre partie 1 et corps principal 2 ne constitue pas un point faible, la rupture par flexion ayant le plus souvent lieu au niveau de la partie qui mécaniquement est la plus faible (partie 1 ou corps principal 2 selon le cas).
Pour réaliser le trou de coulée 3 au diamètre requis, soit la presse est pourvue d'un noyau matérialisant ledit trou 3, soit il est obtenu par carottage dans la pièce composite élaborée par pressage.
L'utilisation d'un noyau présente plusieurs avantages : gain quant à la quantité de mélange noble destiné à la partie 1, pas d'opération ultérieure de carottage ni de défauts par arrachement ou par écaillage qui en résultent, - meilleur état de surface de la paroi constituant le trou de coulée 3, favorable à la résistance à l'érosion en service.
Une fois l'étape de mise en forme terminée, les pièces composites sont soumises aux opérations classiques d'étuvage, de cuisson en atmosphère protégée (imprégnation ultérieure au brai si nécessaire) et/ou autre de consolidation et de parachèvement par rectification.
Il doit être entendu que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites et que bien des modifications peuvent être apportées à ces dernières sans sortir du cadre des revendications.
Ainsi, la ou les zones de passage 1 peuvent être pourvues, au niveau de chaque trou de coulée 3, d'un système d'emboîtement et de centrage pour une pièce réfractaire (non représentée) contigue du système de coulée.
Quelques particularités de l'invention vont maintenant être illustrées par des exemples.
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Exemple 1 (figure 1)
Dans cet exemple, on désire fabriquer une plaque de coulée à mouvement rotatif munie de deux trous de coulée 3.
Chaque trou 3 est matérialisé par une partie 1, les deux parties 1 étant localisées en position enclavée dans un corps principal 2.
Pour réaliser la partie 1, on a utilisé un mélange constitué de : - corindon blanc 1-3 mm : 35% - corindon blanc < 1 mm : 40% - alumine calcinée 325 mesh : 15% graphite < 150 p. m 5% - et, pour le solde, de la résine thermodurcissable et un ensemble d'agents antioxydants connus.
Pour réaliser le corps 2, on a utilisé un mélange constitué de : - andalousite 1-3 mm : 40% - andalousite < 1 mm : 30% - andalousite < 0,2 mm : 10% - alumine calcinée 325 mesh : 10% - graphite < 150 m 3% - le solde étant constitué de la même résine thermodurcissable et d'un ou d'agents antioxydants connus.
Les parties 1 et le corps principal 2 sont copressés sur presse hydraulique ; la plaque monobloc obtenue présente deux faces principales parallèles elles-mêmes constituées par les faces coplanaires des deux constituants 1 et 2. Après étuvage et cuisson sous atmosphère protégée, la plaque composite réfractaire obtenue présente toutes les garanties de cohésion et a un comportement en service tout à fait satisfaisant.
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Exemple 2 (figure 2)
Dans cet exemple, on utilise les mêmes compositions pour les parties 1 et le corps principal 2 mais les parties 1 se trouvent en positions adjacentes par rapport au corps principal 2.
La plaque composite selon cette conception se comporte également très bien en service.
Exemple 3 (figure 3)
On désire réaliser une plaque réfractaire pour tiroir linéaire dont la partie 1 se trouve en position enclavée dans le corps principal 2.
Les compositions utilisées pour réaliser les deux constituants 1 et 2 sont les mêmes que celles de l'exemple 1.
Exemple 4
Pour cet exemple, la forme générale et la conception de la plaque de l'invention sont les mêmes que dans l'exemple 1, figure 1, mais cette fois la composition du corps principal est constituée de grains issus d'un procédé de recyclage de plaques, auxquels est ajoutée un agent carboné constitué de graphite à raison de 4%, d'antioxydant et de résine.
Il est constaté que l'option choisie d'utiliser des grains recyclés permet de renforcer la compatibilité entre les 2 constituants de la plaque ainsi obtenue.
Exemple 5
Pour la coulée d'aciers spéciaux dans laquelle la formation d'aluminate de calcium est à éviter, on réalise une plaque constituée d'une partie 1 à base de magnésie pour l'agrégat et la fraction fine (90%
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du poids), de carbone sous forme de graphite (5%), de résine et d'antioxydants pour le solde.
Le corps principal 2 est réalisé à partir d'agrégats magnésiens issus d'un procédé de recyclage pour 75% du poids, de fines de magnésie de premier usage pour 15% du poids, l'agent carboné étant le même que pour la partie 1.
L'invention a été décrite principalement dans le cadre de zones, différentes en composition, contiguës dans le sens du plan des dessins des figures. Les zones différentes suivant l'invention peuvent aussi être contiguës dans le sens de l'épaisseur de la plaque réfractaire suivant l'invention.