CH634285A5 - Procede de fabrication de granules de verre cellulaire et granules de verre cellulaire ainsi obtenus. - Google Patents

Description

La présente invention concerne un procédé de fabrication de grains de verre cellulaire dans lequel un mélange comprenant des particules de verre et un agent cellulant est mis sous forme de nodules et est ensuite traité thermiquement pour provoquer la fusion des particules de verre et la formation de gaz à partir de l'agent cellulant et pour former des grains de verre cellulaire qui sont ensuite refroidis jusqu'à solidification.

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Différents procédés sont connus pour produire des grains de verre cellulaire.

Un premier procédé utilise comme matériau de départ un gel broyé comportant des formateurs de verre et un agent cellulant. Les particules de gel broyé sont acheminées dans un four dans lequel elles sont chauffées à haute température. Les matières utilisées et les conditions de mise en œuvre sont telles que ces particules sont converties en microsphères de verre.

Il existe dans l'industrie une demande pour des grains de verre cellulaire présentant différentes propriétés physiques pour différentes utilisations. Pour certaines de ces utilisations, des microsphères de verre ne sont pas appropriées et, dans ce cas, des grains ayant des caractéristiques différentes sont demandés.

Il y a en particulier une demande importante de grains de verre cellulaire présentant une faible densité en vrac et qui, en même temps, présentent une faible perméabilité à l'eau.

Une méthode connue de fabrication de grains de verre cellulaire consiste à mélanger du verre broyé avec une matière formant des gaz, par exemple du carbone finement divisé, et à chauffer le mélange pour provoquer le ramollissement du verre. Le verre ramolli se solidifie en une structure monolithique contenant des cellules fermées formées par l'expansion du verre. Pour obtenir des granulés ou des grains de verre cellulaire, ce produit doit être broyé.

Le procédé en cause n'est pas approprié pour la production économique de grains de verre cellulaire de calibre prédéterminé. Après broyage du produit expansé, les granulés doivent être criblés pour extraire une fraction de granulés de dimension appropriée et le produit granulaire, quelle que soit sa dimension, a des propriétés qui ne conviennent pas aux différents usages industriels souhaités. Les granulés sont de forme irrégulière et de résistance fort variable. Leur perméabilité à l'eau n'est pas satisfaisante.

Il a été proposé de former des grains de verre cellulaire en fabriquant des grains ou des nodules à partir d'une composition comportant de la poudre de verre et du carbone et en chauffant les grains dans des conditions contrôlées de telle sorte que, dans une première étape, le carbone est enlevé des couches superficielles des grains ou des nodules avant le frittage du verre. Dans une seconde étape, les grains ou nodules sont chauffés à plus haute température pour assurer la combustion du carbone à l'intérieur des grains et assurer ainsi l'expansion. Le but du traitement thermique est de former des grains qui ont des parois externes de verre non cellulaire qui rendent les grains de verre imperméables à l'humidité. Pour cette raison, la deuxième étape du traitement thermique ne doit pas conduire à la rupture de la paroi externe de verre formée dans la première étape. En pratique, ce contrôle est difficile à réaliser. Les grains résultants ont une densité en vrac trop élevée pour certaines applications industrielles.

Selon un autre procédé proposé pour la fabrication de grains de verre cellulaire, on mélange des particules de verre avec une solution aqueuse d'un silicate de métal alcalin et d'un agent cellulant organique pour former une pâte qui est alors mise sous forme de particules préalablement à leur chauffage pour les transformer en grains de verre cellulaire. Différents additifs ont été proposés pour modifier la viscosité du milieu initial pour le rendre plus facilement ouvrable. Comme dans tous les procédés de ce genre, ce procédé particulier comporte un grand nombre de facteurs différents qui influencent les propriétés des grains obtenus. Il n'y a pas d'enseignement à dégager en vue d'obtenir des grains ayant une faible densité en vrac et une faible perméabilité à l'eau.

L'objet de la présente invention est de fournir un procédé par lequel des grains de verre cellulaire, de faible densité en vrac et de faible perméabilité à l'eau peuvent être aisément obtenus par un procédé reproductible à l'échelon industriel.

La présente invention concerne un procédé de fabrication de grains de verre cellulaire dans lequel un mélange comprenant des particules de verre et un agent cellulant est mis sous forme de nodules et est ensuite traité thermiquement pour provoquer la fusion du verre et la formation de gaz à partir de l'agent cellulant pour former des grains de verre cellulaire qui sont ensuite refroidis jusqu'à solidification, et qui est caractérisé en ce que la nature de l'agent cellulant est choisie de telle sorte que les forces d'expansion dues à la formation de gaz à partir de l'agent cellulaire sont engendrées entièrement ou principalement durant le traitement thermique alors que la viscosité du verre est comprise entre 106>5 et IO8-5 Po et en ce que la quantité d'agent cellulant utilisé, la température maximale du four (ci-après appelé four d'expansion) dans lequel s'opère l'expansion, température maximale qui n'est pas supérieure à celle correspondant à une viscosité de verre de IO5'5 Po, et le temps de séjour des grains dans un tel four sont choisis de telle sorte que les grains quittant le four comprennent des cellules réparties à travers leur masse et que les grains refroidis ont une densité en vrac inférieure à 0,5 g/cm3 et une perméabilité à l'eau inférieure à 15% en volume déterminée par le test d'immersion décrit ci-après.

Ce procédé permet de produire aisément des grains cellulaires possédant une faible densité en vrac et une faible perméabilité à l'eau.

Le procédé implique un nombre de caractéristiques qui, ensemble, contribuent à l'obtention de ce résultat. En résumé, ces caractéristiques se rapportent à: a) la nature et la quantité d'agent cellulant, b) la température du four, et c) la survie du traitement thermique.

Au point de vue de la caractéristique a, la nature de l'agent cellulant est choisie de telle sorte que les forces soient engendrées entièrement ou principalement alors que la viscosité du verre est comprise entre IO6'5 et IO8-5 Po. La quantité minimale d'un agent cellulant donné requise pour atteindre les résultats spécifiés peut être aisément déterminée par des tests. Il y a généralement engendrement de gaz substantiellement en excès par rapport à la quantité de gaz qui peut être retenue par le verre fondu à la température du traitement et pour la durée de ce traitement. Avantageusement, l'agent cellulant est choisi de telle sorte que la formation de gaz à partir de celui-ci ait lieu entièrement ou principalement alors que le verre a une viscosité inférieure à IO7-65 Po. Ce facteur contribue à la formation de grains de la structure requise.

Dans un mode de réalisation préféré, l'agent cellulant est choisi de telle sorte que la formation de gaz à partir de celui-ci ait lieu entièrement ou principalement après que l'ensemble ou presque l'ensemble des particules de verre du mélange a atteint la température de frittage. Cette condition favorise une distribution très uniforme des cellules à travers la masse des grains de verre cellulaire. La température de frittage dépend de la composition du verre. Lorsqu'on utilise des particules de verre sodo-calcique ordinaire comme on le préfère, le frittage est de préférence obtenu à une température inférieure à 680° C et de préférence dans la gamme de 600 à 650° C.

En ce qui concerne la caractéristique b, la température du four ne doit pas dépasser celle correspondant à une viscosité de verre de 10S.5 Po. Cela assure que les grains ne seront pas surchauffés, ce qui conduirait à l'obtention de grains ne possédant pas la structure requise. Le four peut être à toute température inférieure audit maximum, pour autant qu'elle soit suffisante pour assurer une fusion des particules de verre dans le temps disponible. De préférence, la température du four d'expansion est comprise dans une gamme de températures correspondant à une viscosité de verre de 105-5 à IO7-5 Po. Cette gamme de températures du four est suffisante pour que, avec un temps de séjour très court dans le four, on obtienne que les forces d'expansion dues à la formation de gaz à partir de l'agent cellulant soient engendrées entièrement ou principalement alors que la viscosité du verre est comprise entre IO6-5 et 108>5 Po. Généralement, la température du four sera d'autant plus basse que la dimension des grains augmentera.

En ce qui concerne la caractéristique c, c'est-à-dire la durée du traitement thermique, on constate que, lorsque les grains restent dans le four pendant un temps trop long, le verre possède une viscosité trop basse pour former les grains de la structure cellulaire requise. Par ailleurs, si la période de chauffage dans le four est trop courte, il y aura une cellulation insuffisante et les grains refroidis auront la densité en vrac plus élevée que le maximum de 0,5 g/cm3. Le temps

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de séjour approprié des grains à l'intérieur du four peut être aisément déterminé par des essais.

Généralement, le temps de séjour sera d'autant plus court que la dimension des grains sera petite.

A titre d'exemple de température de four et de durée de séjour pour des grains de différentes dimensions, on donne les indications suivantes: pour des grains possédant une dimension inférieure à 3 mm, le temps de séjour dans le four sera de l'ordre de 2-3 min pour une température qui sera environ 810 à 820°C; pour des grains de dimension supérieure à 3 mm, le temps de séjour sera de l'ordre de 7 àlO min et la température poursuivie pourra être comprise entre 780 et 800e C. L'adoption de ces conditions est favorable pour concilier une température de four relativement élevée nécessaire pour provoquer une cellulation rapide avec la nécessité de maintenir le temps de traitement des grains dans le four suffisamment court pour assurer que les grains obtenus aient la faible perméabilité à l'eau requise.

Le procédé selon l'invention permet l'obtention de grains de. verre cellulaire possédant une densité en vrac inférieure à 0,5 g/cm3 pour des grains de dimension inférieure à 3 mm, et inférieure à 0,2 et même à 0,15 g/cm3 pour des grains de dimension supérieure à 3 mm.

Les grains obtenus par le procédé suivant l'invention possèdent une faible perméabilité à l'eau. Cela est à attribuer à un type de structure fermée sans qu'il soit nécessaire d'avoir recours à la formation d'une paroi superficielle en verre non expansé. Il faut cependant entendre qu'il n'est pas nécessaire pour des surfaces de grains d'être dépourvues de piqûres. Une configuration piquée de la surface est en fait habituellement associée à des grains de structure entièrement cellulaire.

Il est inattendu que l'utilisation d'un excès d'agent cellulant n'est pas incompatible avec la production de grains possédant une faible perméabilité à l'eau. Les deux conditions sont en fait compatibles, attendu que le chauffage des grains est limité comme spécifié ci-dessus, de telle sorte que la viscosité du verre reste suffisamment élevée pour que le verre s'expanse pour former la structure requise malgré l'échappement de gaz des grains individuels. Par une sélection appropriée de la température du four et du temps de séjour des grains dans le four, on peut maintenir l'échappement de gaz à partir des grains à un niveau réduit, tandis que, dans le même temps, on peut assurer la cellulation du verre au cœur même des grains individuels. Une considération importante dont il faut tenir compte est que généralement les grains ne devraient pas atteindre leur température d'équilibre au cours du traitement thermique pour la température et le temps de séjour choisis.

De préférence, l'agent cellulant se trouve initialement sous forme de particules dans les nodules. Avantageusement, les particules d'agent cellulant ont une dimension moyenne qui est approximativement du même ordre de grandeur que celle des particules de verre.

Quoique l'obtention des résultats requis ne dépende pas du choix d'un agent cellulant particulier, la préférence est cependant donnée à des agents cellulants inorganiques et en particulier à des sels métalliques inorganiques.

Avantageusement, l'agent cellulant contient un composé qui se décompose avec formation de gaz. On a trouvé que les agents cellulants de cette catégorie étaient les plus avantageux.

Dans des formes de réalisation particulièrement importantes de l'invention, le carbonate de calcium est utilisé comme agent cellulant. On a trouvé qu'un tel agent cellulant avait des propriétés particulièrement bonnes pour atteindre le but proposé par l'invention. On utilise de préférence une quantité de carbonate de calcium comprise entre 1,7 et 2,7% (préférentiellement entre 1,9 et 2,2%) en poids sur base du poids du verre.

Lorsqu'on utilise un sel inorganique autre que le carbonate de calcium, la quantité utilisée, évaluée en termes de dégagement gazeux obtenu au cours du traitement thermique, est de préférence au moins équivalente à 1,5% en poids de carbonate de calcium sur base du poids de verre. Généralement, cela conduit à la formation de la quantité de gaz excédentaire requise.

L'invention inclut également un mode d'exécution du procédé dans lequel on fait usage d'agent cellulant qui, par suite d'une réaction en cours du traitement thermique, donne naissance à des gaz. Des nitrures métalliques tels que le nitrure de sodium et le nitrure de potassium sont des exemples d'agents cellulants rentrant dans cette catégorie et que l'on peut utiliser. Mais ils ne sont cependant pas aussi intéressants que le calcium, en raison de leur coût. Selon un autre exemple, on fait usage de carbone comme agent cellulant. L'on peut également utiliser un agent cellulant comprenant une combinaison de carbone et d'un sulfate qui, par chauffage, conduit à la formation de C02. On peut encore utiliser une combinaison d'un carbure métallique et d'un oxyde métallique qui réagissent à la température appropriée avec formation de C02. Un agent cellulant qui peut être utilisé avec des particules de verre à haut point de fusion est constitué par combinaison de carbone de silicium et d'oxyde d'étain.

Comme on l'a déjà mentionné, on utilise de préférence un verre sodo-calcique ordinaire; toutefois, on peut utiliser aussi dans le procédé tel que défini d'autres types de verres. Avantageusement, les particules initiales de verre sont obtenues par broyage de déchets de verre, par exemple du calcin. Le broyage ou une ou plusieurs de ses étapes peuvent être exécutés sur un mélange de verre avec des particules ou des morceaux d'agent cellulant. Bien que cela ait pour résultat que les particules finales d'agent cellulant sont plus petites que les particules de verre, un tel mode de faire est acceptable.

Dans un mode d'exécution du procédé selon l'invention, les particules de verre ont une surface spécifique d'au moins 3000 cm3/g. Cela constitue un autre facteur qui contribue à la formation de grains possédant la structure requise pour un temps de séjour relativement court et pour une consommation de chaleur relativement faible.

De préférence, les nodules initiaux contiennent des particules de verre et des particules d'agent cellulant; on utilise l'eau comme seul liant. Un tel mélange de départ peut être obtenu aisément et à faible coût. On a trouvé que l'utilisation de l'eau pour réaliser l'agglomération initiale du mélange en nodules ne provoquait pas de difficultés dans le processus de traitement des nodules. Au contraire, l'absence de liant résiduaire après l'évaporation de l'eau apparaît comme favorable à la conversion des nodules en une structure légère complètement cellulaire. De plus, la consommation d'énergie thermique pour former les grains semble être plus faible. La quantité d'eau dans le mélange initial doit être choisie avec soin, de telle manière que l'eau puisse lier les particules du mélange en nodules suffisamment cohérents. Avantageusement, le mélange à partir duquel les nodules sont initialement formés est de consistance telle qu'il permet de former des nodules par ségrégation naturelle lorsqu'il est versé sur une assiette tournante de granulation.

De préférence, le mélange initial contient 10 à 20% en poids d'eau fondé sur le poids total de mélange. Pour la plupart des mélanges, la proportion d'eau la plus appropriée est de cet ordre.

Comme indication pour préparer un mélange initial ayant les propriétés appropriées, les mélanges qui ont donné de bons résultats ont une consistance telle que les nodules individuels du mélange formés par ségrégation naturelle sans pression de moulage et de diamètre approximatif de 2 mm possédaient, après séchage, un taux de rupture d'environ 50% lorsqu'on les faisait tomber en chute libre sur une surface dure à partir d'une hauteur de 10 cm. Il est à remarquer que ce taux ne constitue pas une valeur critique, mais il constitue néanmoins une donnée utile pour déterminer si le mélange initial possède la quantité d'eau requise et dès lors une consistance convenable.

Dans un mode d'exécution préféré du procédé selon l'invention, les grains subissent un mouvement qui les fait rouler les uns sur les autres pendant leur traitement dans le four d'expansion. Ce mouvement de roulement favorise la production de grains bien conformés et peut réduire le degré de piquage superficiel des grains. Le mouvement de roulement peut aisément être exécuté par l'emploi d'un four rotatif. Le mouvement de roulement empêche l'adhérence mutuelle des grains mais, si on le désire, des particules de matière,

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comme le feldspath — qui restent solides à la température maximale de traitement — peuvent être mélangées aux nodules.

Selon un autre mode d'exécution du procédé, les grains sont chauffés à l'état libre dans un courant de gaz chaud dans le four d'expansion. Cette façon de supporter les grains en mouvement relatif libre pendant l'expansion donne aussi de très bons résultats. A titre d'exemple, le four d'expansion peut être constitué par un four vertical dans lequel un courant continu de gaz chauds transporte les nodules vers le haut à l'intérieur du four pendant leur expansion. Les grains quittent le four par une ouverture de sortie au sommet du four.

Le traitement thermique du mélange, comportant des particules de verre et l'agent cellulant, est de préférence exécuté en deux étapes distinctes. Dans la première des étapes, les nodules, alors qu'ils ne subissent pas de contact en étant roulés l'un sur l'autre, sont chauffés à une température suffisante pour provoquer le frittage des particules de verre, mais insuffisante pour provoquer l'expansion des nodules. Dans la seconde étape, les nodules qui ont été chauffés dans la première étape sont chauffés dans le four d'expansion, alors qu'ils sont en mouvement relatif les uns par rapport aux autres à une température plus élevée pour assurer l'expansion; le four d'expansion étant à une température qui ne dépasse pas celle correspondant à une viscosité de verre de IO5'5 Po. De préférence, la température du four d'expansion est dans la gamme qui correspond à une viscosité de verre comprise entre IO5-5 et IO7-5 Po, ainsi que signalé ci-dessus. La première étape de chauffage est de préférence réalisée dans un four maintenu à une température en substance constante et de façon que la courbe de chauffage soit en substance la même pour tous les nodules. Par exemple, les nodules sont transportés sur un convoyeur, par exemple une courroie sans fin à travers un four-tunnel, à une température située dans la gamme de températures correspondant à une viscosité de verre de 107-65 à IO11 Po, et de préférence 108-5 à 10u Po. A l'intérieur de cette gamme, un bon frittage peut être réalisé et ce frittage peut s'effectuer même lorsqu'il existe un léger contact entre les nodules.

Le traitement thermique en deux étapes permet de réaliser les avantages qui sont à attribuer au contact de roulement entre les grains embryonnaires pendant la période où ils sont à la température la plus élevée sans soumettre les nodules initialement formés à des forces disruptives pendant la période antérieure au frittage alors qu'ils sont relativement fragiles.

Dans un mode d'exécution du procédé selon l'invention, les grains sont recuits après leur sortie du four d'expansion. La recuisson consiste en un refroidissement contrôlé des grains de verre dans le domaine de transformation du verre. La recuisson évite le risque de fissuration des grains dû à l'existence de contraintes dans les grains. La recuisson a de préférence lieu alors que les grains sont transportés par un convoyeur au travers d'un four-tunnel. Le gradient de température le long du tunnel peut être contrôlé en relation avec la vitesse de transfert des grains au travers du tunnel de façon à établir une courbe appropriée de refroidissement des grains.

Dans certains modes d'exécution du procédé selon l'invention, les grains sont refroidis ou admis à se refroidir très rapidement après l'expansion dans le four d'expansion. En d'autres mots, les grains ne subissent pas de traitement de recuisson.

La décision de recuire ou de ne pas recuire les grains de verre cellulaire doit tenir compte de la dimension des grains. Si les grains sont suffisamment petits, le refroidissement dans le domaine de transformation du verre peut être effectué rapidement sans qu'il y ait apparition de gradients de température exagérés à l'intérieur des grains. L'omission de l'étape de recuisson peut souvent être acceptée en particules lorsqu'on forme des grains de verre cellulaire de 3 mm ou moins.

Le procédé comporte également un mode d'exécution dans lequel le mélange initial comprenant des particules de verre et l'agent cellulant est mis sous forme de nodules qui ont une dimension qui se trouve entièrement ou principalement dans la gamme de 1,5 à

15 mm. Des nodules de cette dimension peuvent être formés très facilement.

Le procédé selon l'invention peut être utilisé pour la fabrication de grains de verre cellulaire de différentes dimensions. Comme on l'a déjà indiqué, les dimensions des grains dépendent des dimensions des nodules au début de l'étape d'expansion du traitement thermique.

Pour former des grains de verre cellulaire d'une dimension supérieure à 3 mm de diamètre, il convient de former, à partir du mélange initial comprenant les particules de verre et l'agent cellulant, des nodules dont les dimensions sont à peu près égales à la moitié de celles des grains désirés et d'utiliser ces nodules pour alimenter le four ou des fours dans lesquels les particules de verre dans les nodules individuels sont d'abord frittées et ensuite formées en grains de verre cellulaire. Les nodules initialement formés peuvent être séchés si nécessaire avant de les introduire dans le four, ou dans le premier four si l'on en utilise plus d'un.

Le procédé comprend un mode d'exécution dans lequel, avant le traitement thermique et/ou entre les étapes de frittage et d'expansion, les nodules sont soumis à un broyage. Lorsqu'on introduit une étape de broyage, le mélange humide initial de particules de verre et d'agent cellulant peut être formé en nodules plus grands qu'il n'est autrement nécessaire. Tous les problèmes liés à la formation du mélange humide initial en nodules de très petites dimensions sont de cette manière évités. Cette façon de procéder est particulièrement avantageuse pour former des grains cellulaires de dimension inférieure à 3 mm. Dans une certaine forme de réalisation, les nodules initialement formés à partir du mélange de départ sont séchés et ensuite broyés pour réduire les dimensions des nodules et les nodules plus petits servent comme matière première qui est soumise au traitement thermique. Dans d'autres formes de réalisation, les nodules initialement formés à partir du mélange de départ sont soumis à une première étape du traitement thermique pour provoquer le frittage des particules de verre dans les nodules individuels; ces nodules sont alors broyés pour former des nodules de plus petites dimensions et ces plus petits nodules sont soumis à la deuxième étape du traitement thermique en vue de leur expansion. En adoptant l'un ou l'autre de ces modes de faire, il est facile de produire des grains de verre cellulaire de très petites dimensions, par exemple des grains de 0,5 à 3 mm de diamètre. Il est évident que les différentes façons de procéder peuvent être combinées en introduisant un séchage et une étape de broyage avant une première étape de traitement thermique et une autre étape de broyage entre ce traitement et la seconde étape du traitement thermique. Chacune des procédures de broyage avant frittage ou de broyage après frittage offre des avantages l'une vis-à-vis de l'autre. Le broyage avant frittage contribue à l'économie de chaleur, parce que les pertes calorifiques entre les étapes de frittage et d'expansion peuvent être inexistantes ou du moins très faibles. Le broyage des nodules non frittés nécessite moins d'énergie que le broyage après frittage et, pour une consommation d'énergie donnée, le rendement peut être plus élevé. De plus, les étapes de frittage et d'expansion peuvent être exécutées en une fois et dans le même four. Une telle combinaison des deux étapes de chauffage peut être intéressante si les nodules sont de petites dimensions, par exemple 3 mm ou moins.

Par contre, en reportant le broyage après le frittage, on obtient des avantages importants qui résultent de la plus grande cohésion donnée aux nodules par l'opération de frittage. Cette dernière les rend plus faciles à manipuler et à traiter dans des conditions de production de masse. Un autre avantage important de cette procédure est que des nodules de plus grandes dimensions ont moins tendance à s'agglutiner avant ou pendant l'étape de frittage. En adoptant cette dernière procédure, les pertes calorifiques des nodules après frittage ne doivent pas être très grandes. Il n'est pas nécessaire que les nodules frittés soient refroidis à la température ambiante avant leur broyage. Le broyage est de préférence exécuté alors que les nodules sont à température élevée, par exemple aux environs de 250 à 300° C.

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Avantageusement, le broyage est effectué après l'opération de frittage et après un refroidissement brusque qui induit une fracture dans ou une fissuration des modules frittés, ce qui facilite l'étape de broyage. En raison de l'introduction d'une étape de broyage, les nodules frittés soumis au traitement d'expansion seront souvent de forme moins régulière, en particulier moins arrondie qu'ils ne le seraient autrement. En tenant compte de ce fait, il est recommandé de chauffer les grains à une température suffisamment haute dans le four d'expansion pour favoriser l'arrondissement des grains par écoulement de verre fondu.

Lorsqu'on fabrique des grains de petite dimension, il est avantageux d'utiliser une température ç'expansion élevée pour favoriser la production de grains possédant une densité en vrac plus faible.

Lorsque l'on fait intervenir une étape de broyage des nodules, il est préférable de former une matière de départ comprenant des nodules entièrement ou principalement inférieurs à 1,5 mm, par exemple d'un ordre de grandeur de 0,25 à 1,5 mm. A partir de ces petits nodules, des grains de verre cellulaire de 0,5 à 3 mm peuvent être formés par traitement thermique. De tels grains peuvent par exemple avoir une densité en vrac de 0,28 à 0,47 kg/1. Si, dans un mode d'exécution donné du procédé, on désire produire des grains de verre cellulaire qui se situent exclusivement dans une gamme prédéterminée de faibles dimensions, par exemple la gamme de dimensions de 0,5 à 3 mm citée ci-dessus, le produit broyé peut être tamisé pour enlever les nodules de dimensions non adéquates et ceux-ci peuvent éventuellement être recyclés.

Des grains de verre cellulaire produits par le procédé selon l'invention sont utiles pour différentes utilisations industrielles, par exemple comme matière de charge dans des corps moulés de résines synthétiques et d'autres matières, et dans les bétons. Cela s'applique à des grains des deux catégories dimensionnelles citées ci-dessus, c'est-à-dire de dimension supérieure et inférieure à 3 mm. Le procédé selon l'invention permet de produire des grains de forme arrondie, approchant habituellement la forme sphérique. Cette forme arrondie est avantageuse pour l'utilisation des grains comme matière de charge dans les bétons ou dans d'autres matières, parce que cela rend plus aisée une bonne distribution des grains à l'intérieur de la matière.

L'invention concerne également des grains de verre cellulaire fabriqués par le procédé décrit ci-dessus.

Les grains de verre cellulaire obtenus selon l'invention sont caractérisés en ce qu'ils comprennent de nombreuses cellules réparties dans toute leur masse et ont une densité en vrac inférieure à 0,5 g/cm3 et de préférence inférieure à 0,2 g/cm3 et même inférieure à 0,15 g/cm3, lorsque la dimension des grains est supérieure à 3 mm.

Les caractéristiques des grains données ci-dessus et les caractéristiques des grains décrites ci-après sont des caractéristiques que l'on trouve pour des grains fabriqués par le procédé selon l'invention telle qu'elle a été décrite ci-dessus.

De préférence, les grains de verre cellulaire obtenus selon l'invention ont une perméabilité à l'eau très faible de sorte qu'ils absorbent moins de 15% et de préférence moins de 10% en volume d'eau lorsqu'ils sont immergés dans l'eau à la température ambiante pendant 24 h.

Un produit particulièrement préféré comprend des grains de verre cellulaire ayant une densité en vrac inférieure à 0,3 g/cm3 et une perméabilité à l'eau telle qu'ils absorbent moins de 15% et de préférence moins de 10% en volume d'eau lorsqu'ils sont immergés dans l'eau à la température ambiante pendant 24 h et/ou absorbent moins de 0,25% lorsqu'ils sont laissés pendant 24 h dans une atmosphère ayant 99 % d'humidité relative.

Certains grains particulièrement avantageux sont caractérisés par la présence de cellules relativement grandes et petites, les volumes moyens des cellules relativement grandes étant égaux à plusieurs fois le volume moyen des cellules relativement petites, la distribution des cellules étant telle que les plus petites cellules sont réparties dans l'entièreté du volume des portions de verre constituant les parois séparant les cellules plus grandes.

La fig. 1 des dessins annexés est une représentation exécutée à l'aide d'un microscope électronique, grossissement x 100 de la structure interne d'un grain de verre cellulaire obtenu selon la présente invention et présente une dimension dans la gamme de 8 à 16 mm. On peut voir qu'il y a une distribution de cellules de grande dimension séparées par des parois qui elles-mêmes contiennent de nombreuses microcellules réparties dans leur masse. Le grain est représentatif de grains ayant les caractéristiques structurales spécifiées ci-dessus. Un lot de grains du type représenté à la fig. 1 a été testé et on a trouvé que la densité en vrac était inférieure à 0,5 g/cm3 et que la perméabilité à l'eau était inférieure à 15% en volume déterminée par le test d'immersion spécifié.

On décrit ci-après des exemples de mise en œuvre du procédé selon l'invention.

Exemple 1 :

Du verre sodo-calcique est broyé pour former des particules d'une dimension moyenne de 6 n et une surface spécifique de 3350 cm3/g. Les particules de verre sont mélangées avec du calcaire broyé ayant une dimension moyenne de 4 n dans une proportion de 2,1 % fondée sur le poids du verre et avec de l'eau en une quantité approximative correspondant à 10% du poids de l'ensemble verre-calcaire.

Cette composition est soumise à une opération de mélange et des nodules sont formés par déversement de la composition mélangée sur une assiette de granulation tournante. Les nodules quittant l'assiette de granulation sont répartis en une couche simple sur un convoyeur à treillis métallique. Les nodules de dimension approximative de 5 à 10 mm sont transportés par le convoyeur à travers un four-tunnel maintenu à une température de 600 à 650° C correspondant à une viscosité de verre comprise approximativement entre 1010>5 et IO9 Po. Les nodules séjournent dans le four pendant une durée d'environ 13 min. Au cours d'une période initiale d'environ 10 min, les nodules subissent un séchage. En même temps, les nodules sont amenés à la température du four. Les nodules sont maintenus à cette température pour le reste du séjour, environ 2 à 3 min. Ce laps de temps est suffisant pour provoquer le frittage des particules de verre dans les couches superficielles des nodules individuels. La qualité de ce frittage superficiel est importante, car il influence de manière sensible les propriétés du produit final.

Les nodules frittés en surface sont ensuite versés dans un four à tambour rotatif maintenu à une température de 800° C (correspondant à une viscosité de verre d'approximativement IO6-2 Po). Les nodules séjournent dans ce four pendant un laps de temps allant de 3 à 4 min. Durant ce temps, la rotation continue du tambour maintient les nodules dans un mouvement qui les fait rouler les uns sur les autres. Les particules de verre se ramollissent et le calcaire se décompose avec dégagement de C02, provoquant la cellulation. Ce dégagement de gaz démarre principalement alors que le verre a une viscosité inférieure à 107>65 Po et se poursuit alors que la viscosité du verre est réduite à 106>5 Po. Les nodules sont ainsi convertis en grains de verre cellulaire de dimensions approximativement doubles des dimensions des nodules initiaux. Les grains sont caractérisés par une structure de verre cellulaire avec des cellules réparties dans l'ensemble du volume des grains. Les grains sortant du four rotatif sont déposés sur un convoyeur à tapis métallique par lequel ils sont transportés au travers d'un tunnel de recuisson dans lequel les grains sont ramenés à la température de recuit (environ 500° C) et sont maintenus à cette température pendant 10 à 15 min. Les grains sont ensuite rapidement refroidis à la température ambiante. Les grains formés ont une densité en vrac comprise entre 0,12 et 0,18 g/cm3.

Les grains ont une très faible perméabilité à l'eau, ainsi que le met en évidence le fait que, après immersion dans l'eau à la température ambiante pendant une durée de 24 h, on trouve que les grains ont absorbé moins de 7% en volume d'eau. L'absorption en eau après exposition des grains pendant 24 h à une atmosphère d'humidité relative de 99% à 20° C est inférieure à 0,25% en poids. L'absorption d'eau est plus basse pour des grains ayant une densité en vrac voisine

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de la limite supérieure de la gamme précitée et peut être aussi faible que 3 % en volume et inférieure à 0,1 % en poids respectivement dans les conditions spécifiées.

Les grains ont une résistance à la compression supérieure à 15 kg même pour les grains ayant la plus faible densité en vue.

De ce fait, les grains ont des propriétés qui les rendent particulièrement aptes à leur utilisation comme aggrégat dans la fabrication de blocs moulés ou autres ou à leur emploi comme matière thermiquement isolante, par exemple dans les murs creux.

De nombreuses modifications peuvent être apportées aux conditions régissant le procédé précédent tout en produisant encore des grains ayant une perméabilité à l'eau et une faible densité en vrac. On utilise un mélange de départ contenant 2,25% de chaux fondé sur le poids de verre. Les grains produits ont des propriétés similaires à celles données ci-dessus. Des grains ayant des propriétés meilleures sont fabriqués par un procédé comme décrit ci-dessus, mais en utilisant le mélange de départ des particules de verre sodo-calcique de plus haute surface spécifique, par exemple jusqu'à 7000 cm3/g. On utilise avec succès des mélanges de départ avec jusqu'à 20% en poids d'eau.

Dans une autre modification, les nodules du mélange, après avoir été formés sur l'assiette de granulation et séchés, sont introduits dans un four maintenu à une température de 800° C. Pendant le chauffage des nodules dans ce four, les particules subissent d'abord un frittage, après quoi les gaz provoquant la cellulation sont engendrés, produisant la conversion des nodules en grains de verre cellulaire. Ce procédé utilisant une seule étape de traitement thermique n'est pas aussi aisément contrôlable pour obtenir des grains de même qualité que ceux obtenus par le procédé décrit ci-dessus, dans lequel le traitement thermique est exécuté en deux étapes distinctes dans des formes différentes.

La fig. 2 des dessins annexés représente schématiquement une installation que l'on peut utiliser pour former des grains de verre cellulaire par un procédé selon l'invention décrite ci-dessus. La mise en œuvre de ce procédé dans cette installation est décrite ci-après.

Le mélange de particules de verre et d'agent cellulant est délivré par une trémie 1 sur un convoyeur 2 qui l'amène sur une assiette tournante inclinée 3. Celle-ci est continuellement arrosée d'eau par un ajutage 4. Le produit pâteux résultant est déchargé de l'assiette sous forme de nodules. Ceux-ci sont répandus sur un convoyeur à treillis faisant partie d'un four-tunnel 5. Pendant leur transport au travers du four, les nodules sont chauffés par les gaz chauds délivrés par un générateur 6 via des conduites de distribution telles que 7 et par les gaz chauds récupérés des étapes ultérieures du procédé et délivrés par des conduites telles que 8. Dans le four 5, les nodules subissent d'abord un séchage et ensuite sont soumis à l'étape de frittage du traitement thermique. La température du four 5 est comprise entre 600 et 650° C pour provoquer le frittage des particules de verre dans les couches superficielles des nodules.

Les nodules déchargés du four 5 sont reçus par un convoyeur vibrant 9 sur lequel du feldspath est distribué à partir d'une trémie 10. Le feldspath est destiné à éviter l'agglomération des nodules sur les parois du four d'expansion dans lequel on exécute la deuxième étape du traitement thermique. Le convoyeur vibrant 9 dirige les nodules dans un four rotatif 11 de type traditionnel, qui est chauffé par des gaz chauds issus d'un générateur 12. La température du four 11 est d'environ 800° C. De ce fait, l'agent cellulant est activé et la viscosité des particules de verre dans les nodules individuels est suffisamment abaissée pour provoquer l'intégration du verre en une masse monolithique. Il en résulte que les nodules sont convertis en grains de verre cellulaire.

Les grains expansés quittant le four 11 traversent ensuite un four de recuisson 13 muni d'un système de refroidissement 14.

Exemple 2:

Du verre sodo-calcique, broyé à une dimension moyenne de grain de 6 n et d'une surface spécifique de 3500 cm3/g, est mélangé avec du calcaire broyé dont la dimension moyenne de grain est de 4 |i. La quantité de calcaire utilisée est de 2,1 % fondé sur le poids de verre. On ajoute de l'eau en une quantité approximative de 10% en poids du poids de l'ensemble verre-calcaire. Le produit est soigneusement mélangé pour former une pâte qui est conformée en nodules au moyen d'une assiette de granulation. Les nodules provenant de l'assiette sont déchargés et répartis en une couche unique de nodules sur une courroie transporteuse métallique. Les nodules d'une dimension approximative allant de 8 à 10 mm sont transportés par la courroie au travers d'un four-tunnel qui est maintenu à une température de 650 à 680° C (correspondant à une viscosité de verre approximativement comprise entre 109 et 108'5Po). Les nodules séjournent dans le four pendant environ 15 min. Pendant une période initiale d'environ 10 min, les nodules subissent un séchage et sont en même temps amenés à la température du four. De ce fait, les nodules restent environ 5 min à cette température. Cela est suffisant pour provoquer le frittage des particules de verre des couches superficielles des nodules individuels. La qualité de ce frittage superficiel est importante, car elle influence de manière sensible les propriétés du produit final.

Ces nodules frittés superficiellement sont alors refroidis rapidement à une température d'environ 250 à 300° C en vue d'induire la fissuration ou la fracture des nodules. Les nodules sont alors immédiatement soumis à un broyage dans un broyeur à cylindres. Les nodules provenant du broyeur sont tamisés pour enlever les particules les plus petites principalement constituées par du verre. Celles-ci sont recyclées vers le poste de formation de la pâte au début de la ligne de production. Les nodules frittés retenus ont des dimensions comprises entre 0,25 et 1,5 mm. Ces très petits nodules frittés sont alors chargés dans un four à tambour rotatif maintenu à une température de 810 à 820° C, correspondant à une viscosité de verre d'environ 106«1 à IO6 Po et ils séjournent dans ce four pendant 2 à 3 min. Pendant ce laps de temps, les nodules sont maintenus en mouvement continu de roulement par la rotation du tambour. Au cours de cette étape de traitement, les particules de verre fondent et le calcaire se décompose avec formation de C02, provoquant l'expansion des nodules. Ceux-ci se convertissent ainsi en grains de verre cellulaire. Le dégagement de C02 démarre principalement alors que le verre possède une viscosité inférieure à IO7-65 Po et se prolonge pendant que la viscosité du verre diminue jusqu'à IO6-5 Po. Les grains obtenus sont caractérisés par une structure interne de verre cellulaire avec des cellules réparties dans l'ensemble du volume des grains. L'addition de feldspath ou d'une autre substance antiadhésive est utile pour éviter toute tendance à l'adhérence des nodules entre eux ou aux parois du tambour du four rotatif.

Les grains sont ensuite ramenés à la température de recuisson (environ 500° C) et sont maintenus à cette température pendant 10 à 15 min. Les grains sont ensuite refroidis rapidement jusqu'à la température ambiante.

Les grains de verre cellulaire obtenus ont des dimensions approximativement doubles de celles des nodules frittés et broyés, c'est-à-dire d'un ordre de grandeur de 0,5 à 3 mm et ont une densité en vrac de 0,28 à 0,47 kg/1 selon leurs dimensions. Les grains ont une perméabilité à l'eau très faible, correspondant à une absorption d'eau d'environ 5 à 6% après 24 h d'immersion dans l'eau à la température ambiante. L'absorption d'eau tend à diminuer lorsque la densité en vrac augmente jusqu'à la limite supérieure de la gamme de densité en vrac mentionnée ci-dessus.

Un procédé selon l'exemple qui vient d'être décrit peut être exécuté dans une installation similaire à celle décrite à propos de l'exemple 1 en référence à la fig. 2 des dessins annexés, mais comportant en addition un broyeur approprié pour les nodules frittés.

Selon une modification du procédé précédent, les grains quittant le four rotatif sont refroidis rapidement jusqu'à la température ambiante sans interruption. Il y a peu de traces de fracture des grains refroidis.

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Selon une autre modification, les nodules quittant l'assiette tournante de granulation sont séchés et les nodules séchés sont soumis à une étape de broyage en vue de réduire leurs dimensions. Les nodules de dimension comprise entre 0,25 et 0,5 mm sont retenus et répartis sur un convoyeur à treillis métallique étant soumis à l'étape de frittage. Le processus suivi est similaire à celui décrit ci-dessus à l'exception que l'étape de broyage entre l'étape de frittage et l'étape d'expansion est supprimée. Les grains finals détenus ont une faible perméabilité à l'eau. Leur densité en vrac est d'environ 0,45 kg/1.

A titre de modification, le four rotatif de l'installation peut être 5 remplacé par un four vertical dans lequel les nodules frittés et broyés sont transportés vers le haut par un courant de gaz chauds et sont, de ce fait, chauffés pour amener la conversion des nodules en grains de verre cellulaire avant qu'ils ne quittent le four avec les gaz.

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2 feuilles dessins

Claims (29)

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1. Procédé de fabrication de grains de verre cellulaire dans lequel un mélange comprenant des particules de verre et un agent cellulant est mis sous forme de nodules et est ensuite traité thermiquement pour provoquer la fusion du verre et la formation de gaz à partir de l'agent cellulant pour former des grains de verre cellulaire qui sont ensuite refroidis jusqu'à solidification, caractérisé en ce que la nature de l'agent cellulant est choisie de telle sorte que les forces d'expansion dues à la formation de gaz à partir de l'agent cellulant sont engendrées entièrement ou principalement durant le traitement thermique alors que la viscosité du verre est comprise entre 106-5 et IO8-5 Po et en ce que la quantité d'agent cellulant utilisée, la température maximale du four dans lequel s'opère l'expansion, qui n'est pas supérieure à celle correspondant à une viscosité de verre de IO5-5 Po, et le temps de séjour des grains dans un tel four sont choisis de telle sorte que les grains quittant le four comprennent des cellules réparties à travers leur masse et que les grains refroidis ont une densité en vrac inférieure à 0,5 g/cm3 et une perméabilité à l'eau de moins de 15% en volume lorsqu'ils sont immergés dans l'eau à la température ambiante pendant une durée de 24 h.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent cellulant est choisi de telle sorte que la formation de gaz à partir de celui-ci ait lieu entièrement ou principalement alors que le verre à une viscosité inférieure à 107>65 Po.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent cellulant est choisi de telle sorte que la formation de gaz à partir de celui-ci ait lieu entièrement ou principalement après que l'ensemble ou presque l'ensemble des particules de verre du mélange a atteint la température de frittage.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du four d'expansion est comprise dans une gamme de température correspondant à une viscosité de verre de 105>5 et IO7-5 Po.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent cellulant est mis enjeu sous forme de particules dans les nodules.

6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dimension moyenne des particules d'agent cellulant est sensiblement égale à la dimension moyenne des particules de verre.

7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent cellulant comporte un composé qui se décompose avec formation de gaz.

8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent cellulant utilisé est du carbonate de calcium et en ce que la quantité de carbonate de calcium présente dans les nodules est comprise, de préférence, entre 1,7% et 2,7% en poids du poids de verre.

9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les nodules contiennent des particules de verre et l'agent cellulant, et que l'eau est utilisée comme seul liant pour les particules et intervient dans le mélange initial, de préférence dans une proportion de 10 à 20% en poids fondé sur le poids total du mélange.

10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grains subissent un mouvement de roulement les uns sur les autres pendant leur traitement dans le four d'expansion.

11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le four d'expansion est un four rotatif dans lequel les grains sont chauffés à l'état libre dans un courant de gaz chauds.

12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique du mélange comprenant des particules de verre et un agent cellulant est réalisé en deux étapes dans la première desquelles les nodules du mélange, tout en ne subissant pas de mouvement relatif entre eux, sont chauffés suffisamment pour provoquer le frittage des particules de verre, mais insuffisamment pour provoquer l'expansion des nodules, et dans la seconde desquelles les nodules de mélange qui ont été chauffés dans la première étape sont chauffés dans le four d'expansion, alors qu'ils sont en mouvement les uns par rapport aux autres, à une température plus élevée pour assurer l'expansion, le four d'expansion étant à une température qui ne dépasse pas celle correspondant à une viscosité de verre de IO5-5 Po.

13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température du four dans lequel s'opère l'expansion se trouve dans la gamme correspondant à une viscosité de 105-5 à IO7-5 Po.

14. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le chauffage des nodules dans la première étape est effectué dans un four maintenu à une température sensiblement constante et de manière telle que la courbe de chauffage est en substance la même pour tous les nodules.

15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première étape de traitement thermique est effectuée en transportant les nodules sur un convoyeur à travers un four-tunnel à une température située dans la gamme de température correspondant à une viscosité de verre de 107-65 à IO11 Po.

16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le four-tunnel est à une température située dans la gamme de températures correspondant à une viscosité de verre de 108-5 à 1011 Po.

17. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grains sont recuits après avoir quitté le four dans lequel s'opère l'expansion.

18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que les grains sont recuits pendant leur transport à travers un four-tunnel sur un convoyeur.

19. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les grains sont refroidis ou que l'on permet aux grains de se refroidir rapidement après l'expansion dans le four d'expansion.

20. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant le traitement thermique, les nodules sont soumis à un broyage.

21. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, entre les étapes de frittage et d'expansion du traitement thermique, les nodules sont soumis à un broyage.

22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que les nodules sont broyés entre les étapes de frittage et d'expansion du traitement thermique, tandis que les nodules sont à une température comprise entre 250 et 300° C.

23. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que, après l'étape de frittage, les nodules sont refroidis rapidement pour provoquer leur fracture ou leur fissuration et sont ensuite broyés avant l'étape d'expansion du traitement thermique.

24. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, avant d'entrer dans le four dans lequel s'opère l'expansion, les nodules ont une dimension qui se trouve principalement ou entièrement dans la gamme de 1,5 à 15 mm.

25. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules de verre ont une surface spécifique d'au moins 3000 cm2/g.

26. Grains de verre cellulaire fabriqués par le procédé selon la revendication 1.

27. Grains de verre selon la revendication 26, caractérisés en ce qu'ils ont une densité en vrac inférieure à 0,2/g/cm3.

28. Grains de verre selon la revendication 26, caractérisés en ce qu'ils ont une dimension supérieure à 3 mm et une densité en vrac inférieure à 0,15 g/cm3.

29. Grains de verre selon la revendication 26, caractérisés en ce qu'ils ont une perméabilité à l'eau telle qu'ils absorbent moins de 10% en volume d'eau lorsqu'ils sont immergés dans l'eau à la température ambiante pendant 24 h.