EP0686212B1 - Procede de fabrication d'une piece metallique revetue de materiaux mineraux, piece obtenue et son utilisation - Google Patents

Procede de fabrication d'une piece metallique revetue de materiaux mineraux, piece obtenue et son utilisation Download PDF

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Description

La présente invention est relative à la fabrication d'un tuyau métallique revêtu de matériaux minéraux. En particulier, l'invention se rapporte à la fabrication d'un tuyau métallique en fonte ductile revêtu d'au moins deux couches d'un revêtement minéral à base de silice et d'oxyde de sodium.
La fabrication d'objets en fonte revêtus de verre est connue (voir par exemple le document FR-A-2 495 190).
Le revêtement minéral constitue une protection efficace de la pièce métallique et présente une bonne inertie chimique vis-à-vis d'un fluide à son contact.
On connaít par le document DE-A-27 39 919 un procédé d'émaillage de surface métallique par pose de deux couches d'émail en poudre. La première couche est déposée à au moins 250 °C sur un support préalablement traité par au moins un des éléments nickel, cobalt ou manganèse. Cette température n'est pas spécifique à celle d'un métal chaud. De plus, ce document n'enseigne nullement les épaisseurs d'émail permettant d'atteindre l'objet de l'invention.
Le document US A-3 484 266 vise également le revêtement par émaillage de tubes en acier. De manière générale, le problème que vise à résoudre ce document est celui du dépôt d'une deuxième couche sans dégradation de la surface de la première couche. Le cas du revêtement d'un tuyau en fonte n'est pas abordé, pas plus que celui de l'intégration des étapes de dépôt du revêtement à celles de la fabrication du tuyau.
L'invention a pour but d'obtenir un tuyau métallique dont le revêtement qui assure un rôle protecteur et une inertie chimique, est adhérent au substrat, et présente peu de porosités ouvertes de façon à former une barrière passive entre le fluide et le substrat.
Selon l'invention, le procédé de fabrication d'un tuyau métallique revêtu d'au moins deux couches de matériaux minéraux à base de silice et d'oxyde de sodium, est du type suivant lequel, le tuyau métallique étant un tuyau en fonte ductile, on applique successivement trois couches de revêtement minéral sur au moins une partie de la surface dudit tuyau à traiter, ce tuyau étant à une température supérieure à 700° C, les éléments de matériau minéral étant présents dans des proportions différentes suivant les couches, la réalisation de la première couche de revêtement s'effectuant par application du matériau sous forme de poudre, ladite couche étant constituée d'un émail ayant la composition suivante en poids :
SiO2 50 à 70 %
CaO + MgO 5 à 20 %
B2O3 moins de 10 %
CoO moins de 2 %
Fe2O3 moins de 5 %
Al2O3 moins de 10 %
Na2O + K2O 15 à 25 %
F2 moins de 2 %
NiO moins de 2 %,
et étant réalisée à une épaisseur inférieure à 200 µm et la réalisation de la deuxième couche de revêtement s'effectuant, sur un tuyau chaud, par application du matériau sous forme de poudre, et sur un tuyau à température ambiante, par application d'une barbotine dudit matériau, cette deuxième couche étant réalisée à une épaisseur supérieure à 100 µm.
Pour diminuer la porosité et améliorer l'adhérence du revêtement minéral sur le substrat métallique et pour assurer une très bonne fermeture du revêtement de manière à protéger le substrat de la corrosion, on applique successivement plusieurs couches dudit revêtement minéral sur au moins une partie de la surface du tuyau métallique.
La première couche de revêtement doit être suffisamment couvrante pour former une pellicule antioxydante et ladite couche doit être assez mince pour permettre le dégazage et la décantation des bulles de gaz provenant de la réaction entre la première couche et le métal. De plus la première couche doit être en un matériau qui présente la fluidité requise.
Lors de la réalisation de la première couche de revêtement, la fluidité du matériau minéral doit être adaptée pour assurer une fusion de la poudre, nécessaire à un nappage du substrat et à une adhérence au substrat, et pour limiter les réactions chimiques entre le substrat et la première couche de revêtement.
Un substrat réducteur, tel que de la fonte, et une première couche de revêtement oxydante présentent un risque de réaction d'oxydoréduction avec dégazage et apparition de boursouflures.
Une composition trop fluide peut provoquer un écoulement du revêtement, avec les défauts qui en suivraient, perte de l'aspect couvrant et oxydation du substrat.
Une composition insuffisamment fluide ne permettra pas une bonne fusion de la poudre, et par conséquent un défaut d'adhérence et une mauvaise couverture, d'où un risque d'oxydation du substrat.
L'oxydation du substrat est particulièrement marquée lors de traitements thermiques à température élevée.
La fluidité de la composition dépend largement de la teneur en silice et de la teneur en fondants.
Pour limiter les réactions d'oxydoréduction entre le revêtement et le substrat, le matériau minéral est réduit lors de son élaboration.
Afin de permettre la fusion de la poudre, pour un bon nappage et une bonne adhérence, on réalise la première couche de revêtement d'épaisseur de 100µm.
Pour déposer le matériau minéral sur une pièce chaude, la réalisation de la deuxième couche de revêtement s'effectue par l'application du matériau minéral sous forme de poudre sèche.
De manière à absorber la première couche de revêtement, à dissoudre la peau d'oxydes de fer formée à la surface du substrat métallique, lorsque celui-ci est constitué d'un métal ferreux, et à provoquer une attaque superficielle du substrat, on réalise la deuxième couche de revêtement en matériau minéral par application dudit matériau minéral qui est un émail de la composition suivante en poids :
SiO2 40 à 60% ;
CaO + MgO inférieur à 5%
Li2O inférieur à 5%
TiO2 5 à 15%
NiO inférieur à 2%
ZnO inférieur à 2%
Al2O3 inférieur à 10%
Na2O + K2O 15 à 20%
B2O3 5 à 15%
CoO inférieur à 2%
Sb2O3 inférieur à 2%
Afin d'obtenir une bonne adhérence du revêtement, par absorption, dissolution et attaque superficielle telles que définies ci-dessus, on réalise la deuxième couche de revêtement à une épaisseur supérieure à 100µm.
Pour éviter que la deuxième couche de revêtement ne soit trop poreuse, on la réalise à une épaisseur de 200µm.
Dans le but d'assurer la fermeture du revêtement et d'obtenir une bonne régularité en épaisseur du revêtement, ce qui limite les porosités ouvertes et confère au revêtement une surface lisse, on réalise un revêtement sur la surface de la pièce de révolution par application de trois couches de matériaux minéraux, le matériau formant la troisième couche étant appliqué sous forme de poudre ou de barbotine.
On réalise la troisième couche par application d'un émail ayant la composition en poids suivante :
SiO2 40 à 60% ;
CaO + MgO inférieur à 5%
Li2O inférieur a 5%
TiO2 5 à 15%
NiO inférieur à 2%
ZnO inférieur à 2%
Al2O3 inférieur à 10%
Na2O + K2O 15 à 20%
B2O3 5 à 15%
CoO inférieur à 2%
Sb2O3 inférieur a 2%
Cette composition qui peut être la même que celle de la deuxième couche ou qui peut varier par rapport à cette dernière, permet de napper les couches précédentes en formant une pellicule couvrante.
Pour assurer les fonctions de fermeture et de nappage, on réalise la troisième couche à une épaisseur supérieure à 100µm.
Dans le but d'obtenir une bonne fusion au dépôt on réalise la troisième couche à une épaisseur de 200µm.
La fabrication de pièces tubulaires en fonte revêtues de verre est connue (voir par exemple le document FR-2 297 817 au nom de la Demanderesse).
La fabrication selon l'invention d'une pièce métallique de révolution se fait selon un procédé comprenant au moins les étapes successives suivantes :
  • un traitement au magnésium,
  • une inoculation
  • une opération de centrifugation de ladite fonte, opération au cours de laquelle on réalise la première couche de revêtement telle que définie ci-dessus.
Ce procédé permet de réaliser le dépôt du revêtement au cours de la fabrication de la pièce métallique de révolution et de profiter de l'énergie thermique du métal pour réaliser la fusion de la première couche.
L'intégration des étapes de dépôt du revêtement aux étapes de fabrication de la pièce métallique de révolution permet de réduire le nombre d'opérations de fabrication et donc de rendre le procédé de fabrication moins coûteux.
L'invention a également pour objet une pièce métallique creuse de révolution, revêtue sur la partie interne de sa surface de matériaux minéraux, cette pièce étant fabriquée de manière conforme au procédé décrit ci-dessus.
Cette pièce permet de transporter des fluides agressifs sans que les caractéristiques de ces fluides soient altérées ou que la pièce creuse de révolution soit détériorée.
L'invention se rapporte aussi à l'utilisation de la pièce obtenue suivant le procédé défini ci-dessus pour le transport des fluides agressifs.
La présente invention est représentée par un exemple de mise en oeuvre appliqué à un élément de tuyauterie d'adduction d'eau ou d'assainissement en fonte ductile, illustré par des figures annexées, sur lesquelles :
  • la Fig. 1 montre en perspective un élément de tuyauterie obtenu selon le procédé de l'invention ;
  • la Fig. 2 est une micrographie au grossissement 100 du revêtement d'émail avec la zone mitoyenne du substrat de fonte de l'élément de tuyauterie représenté à la Fig. 1.
Dans cet exemple de fabrication d'un élément de tuyauterie 1 présentant un revêtement intérieur 2, la fonte liquide subit un traitement au magnésium puis une inoculation. L'inoculation de la fonte est réalisée à l'aide d'un inoculant tel que le ferro-silicium introduit dans la fonte liquide sous forme de poudre ou de fil, de manière connue, par exemple le document FR-A-2 546 783 au nom de la Demanderesse.
Le procédé comprend une opération de centrifugation de la fonte. Au cours de l'opération de centrifugation, on réalise la première couche 4 de revêtement 2 à une épaisseur de 100µm, par application d'un émail réduit de la composition suivante :
SiO2 balance
CaO + MgO 10 %
B2O3 5 %
CoO 1 %
Fe2O3 2 %
Al2O3 5 %
Na2O + K2O 22 %
F2 1 %
NiO 1 %
Cet émail est appliqué sous forme de poudre sèche.
Après l'opération de centrifugation, l'élément de tuyauterie 1 est graphitisé. Ensuite, on réalise la deuxième couche 5 de revêtement 2 à une épaisseur de 200µm, par application d'un émail sous forme de poudre, ledit émail étant de la composition suivante en poids :
SiO2 balance
CaO + MgO 0.5%
Li2O 4%
TiO2 6.5%
NiO 0.5%
ZnO 0.5%
Al2O3 6%
Na2O + K2O 19%
B2O3 11%
CoO 1.5%
Sb2O3 1%
La deuxième couche 5 de revêtement 2 est appliquée sur l'élément de tuyauterie 1 à une température comprise entre 800° et 700°C. Ensuite on effectue une ferritisation de l'élément de tuyauterie 1 dans une plage de températures inférieures à 800°C, ce qui assure une cuisson de la deuxième couche 5 de revêtement 2. Puis on réalise la troisième couche 6 de revêtement 2 d'une épaisseur de 200µm par application d'émail sous forme de poudre de composition identique à la composition de l'émail de la deuxième couche 5 de revêtement 2 présenté ci-dessus. Cette poudre est déposée sur l'élément de tuyauterie 1 à une température inférieure à 800°C.
Après le dépôt de la troisième couche 6, on effectue un glaçage de la troisième couche, c'est-à-dire une cuisson d'une durée inférieure à cinq minutes à une température comprise entre 750°C et 700°C.
Dans une première variante, la fonte obtenue après la centrifugation est une fonte grise perlitique à graphite sphéroïdal. Le procédé diffère alors de celui décrit précédemment en ce que l'on n'opère pas de graphitisation de l'élément de tuyauterie 1.
Dans ces conditions, il est possible de réaliser la deuxième couche 5 de revêtement 2 pendant ou après l'opération de centrifugation, par le dépôt de l'émail sous forme d'une poudre sèche.
L'élément de tuyauterie subit par la suite un traitement de ferritisation dans une plage de températures inférieures à 800°C, et la cuisson de la deuxième couche 5 de revêtement 2 a lieu simultanément a la ferritisation de l'élément de tuyauterie 1.
Dans une deuxième variante, la fonte obtenue après la centrifugation est une fonte grise ferritique à graphite sphéroïdal. Le procédé diffère alors du procédé de la première variante en ce que l'on n'opère pas de ferritisation de l'élément de tuyauterie 1 et en ce que l'on effectue une cuisson de la deuxième couche 5 de revêtement 2 à température comprise entre 800° et 700°C dudit élément 1 après la pose de la deuxième couche 5 de revêtement 2.
Dans une troisième variante, la troisième couche d'émail est déposée sous forme de barbotine alors que l'élément de tuyauterie 1 est à température ambiante.
L'élément de tuyauterie 1 pouvant être obtenu par le procédé suivant l'invention, y compris les trois variantes décrites ci-dessus, est un tuyau en fonte ductile 3 présentant sur la partie interne de sa surface un revêtement 2 d'émail constitué de trois couches 4, 5, 6. Ce tuyau présente à une extrémité un bout uni 8 et à son autre extrémité un emboítement 7 apte à recevoir le bout uni d'un autre tuyau identique.
La micrographie du revêtement d'émail 2 sur une zone mitoyenne du substrat de fonte (Fig. 2), représente le substrat, l'interface entre le substrat 3 et le revêtement 2, la deuxième couche 5 de revêtement 2 et la troisième couche 6 de revêtement 2. Le substrat 3 est une fonte ferritique à graphite sphéroïdal. Au niveau de l'interface entre le substrat et le revêtement, la peau d'oxydes a été dissoute. La première couche 4 de revêtement 2 a été absorbée par la deuxième couche 5 de revêtement 2. L'interface entre le revêtement et le substrat de fonte 3 est cohérente, et présente peu de porosités. L'attaque superficielle localisée du substrat conduit à la formation de sites d'ancrage pour le revêtement 2.
La deuxième couche 5 présente une porosité limitée.
La troisième couche 6 de revêtement 2 ne présente pas de décohésion avec la deuxième couche 5 de revêtement 2. Elle présente une très faible porosité, forme une surface lisse et réalise une très bonne fermeture du revêtement.
Le procédé selon l'invention permet de revêtir des pièces métalliques même oxydées qui présentent une peau d'oxydes adhérente d'épaisseur inférieure à 20µm.
Grâce à l'intégration des étapes de fabrication du revêtement d'émail 2 aux opérations de fabrication du tuyau 1, l'invention permet un gain en productivité et en énergie thermique. L'invention permet de supprimer une ou plusieurs étapes spécifiques de cuisson de l'émail.
Les variantes du procédé dans lesquelles l'application de l'émail se fait sous forme de barbotine permettent d'obtenir une grande souplesse de production.
Les tuyaux obtenus permettent de réaliser des canalisations de transport de fluides agressifs, tels que solutions acides, solutions à forte teneur en CO2 dissous, fluides abrasifs, rejets industriels, eaux usées ou boues d'épuration.

Claims (20)

  1. Procédé de fabrication d'un tuyau métallique revêtu de trois couches de matériaux minéraux à base de silice et d'oxyde de sodium, caractérisé en ce que, le tuyau métallique étant un tuyau (1) en fonte ductile, l'on applique successivement trois couches (4, 5, 6) de revêtement minéral (2) sur au moins une partie de la surface dudit tuyau à traiter, ce tuyau étant à une température supérieure à 700° C, les éléments de matériau minéral étant présents dans des proportions différentes suivant les couches, la réalisation de la première couche (4) de revêtement (2) s'effectuant au cours de la fabrication du tuyau par centrifugation, par application du matériau sous forme de poudre, ladite couche étant constituée d'un émail ayant la composition suivante en poids : SiO2 50 à 70 % CaO + MgO 5 à 20 % B2O3 moins de 10 % CoO moins de 2 % Fe2O3 moins de 5 % Al2O3 moins de 10 % Na2O +K2O 15 à 25 % F2 moins de 2 % NiO moins de 2 %,
    et étant réalisée à une épaisseur inférieure à 200 µm et la réalisation de la deuxième couche (5) de revêtement (2) s'effectuant, sur un tuyau chaud, pendant son refroidissement, par application du matériau sous forme de poudre, cette deuxième couche étant réalisée à une épaisseur supérieure à 100 µm et soumise à une cuisson après dépôt.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émail est réduit lors de son élaboration.
  3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on réalise la première couche (4) de revêtement (2) à une épaisseur de 100 µm.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le matériau minéral appliqué pour former la deuxième couche (5) de revêtement (2) est un émail de la composition suivante en poids : SiO2 40 à 60% CaO + MgO inférieur à 5% Li2O inférieur à 5% TiO2 5 à 15% NiO inférieur à 2% ZnO inférieur à 2% Al2O3 inférieur à 10% Na2O + K2O 15 à 20% B2O3 5 à 15% CoO inférieur à 2% Sb2O3 inférieur à 2%.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise la deuxième couche (5) de revêtement (2) à une épaisseur de 200 µm.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau formant la troisième couche est appliqué sous forme de poudre ou de barbotine.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on réalise la troisième couche (6) de revêtement (2) par application d'un émail ayant la composition en poids suivante : SiO2 40 à 60% CaO + MgO inférieur à 5% Li2O inférieur à 5% TiO2 5 à 15% NiO inférieur à 2% ZnO inférieur à 2% Al2O3 inférieur à 10% Na2O + K2O 15 à 20% B2O3 5 à 15% CoO inférieur à 2% Sb2O3 inférieur à 2%.
  8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que l'on réalise la troisième couche (6) de revêtement (2) à une épaisseur supérieure à 100 µm.
  9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'on élabore la troisième couche (6) de revêtement (2) à une épaisseur de 200 µm.
  10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fabrication du tuyau métallique à partir d'une fonte liquide comprend au moins les étapes successives suivantes :
    un traitement au magnésium,
    une inoculation,
    une opération de centrifugation de ladite fonte, opération au cours de laquelle on réalise la première couche (4) de revêtement (2) de manière conforme à l'une des revendications 1 à 3.
  11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le tuyau en fonte est à une température comprise entre 800°C et 700°C lorsque l'on applique la deuxième couche (5) de revêtement (2) de manière conforme à l'une des revendications 4 ou 5.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'après avoir réalisé la première couche (4) de revêtement (2), on applique sur le tuyau la deuxième couche (5) de revêtement (2) après l'opération de centrifugation.
  13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'après avoir réalisé la première couche (4) de revêtement (2), on réalise la deuxième couche (5) de revêtement (2) au cours de l'opération de centrifugation.
  14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'après la réalisation de la deuxième couche (5) de revêtement (2), on effectue un traitement thermique de ferritisation du tuyau dans une plage de températures inférieures à 800°C, ledit traitement thermique de ferritisation étant suivi par la réalisation de la troisième couche (6) de revêtement (2) de manière conforme à l'une des revendications 6 à 8.
  15. Procédé selon l'une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce qu'après l'opération de centrifugation du tuyau et avant l'élaboration de la deuxième couche (5) de revêtement (2), on effectue un traitement thermique de graphitisation de la fonte.
  16. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'après avoir réalisé la deuxième couche (5) de revêtement (2) on effectue une opération de cuisson du tuyau à une température comprise entre 800° et 700°C.
  17. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'après la cuisson on applique une troisième couche (6) de revêtement (2) de manière conforme à l'une des revendications 6 à 8.
  18. Procédé selon la revendication 14 ou 17, caractérisé en ce qu'après le dépôt de la troisième couche (6) de revêtement (2) sous forme de barbotine, on effectue une cuisson du revêtement à température comprise entre 750° et 700°C.
  19. Tuyau métallique (1), revêtu sur la partie interne de sa surface de trois couches de matériau minéral, caractérisé en ce qu'il est fabriqué de manière conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 18.
  20. Utilisation du tuyau métallique (1) selon la revendication 19 pour le transport de fluides agressifs, en particulier des solutions acides, solutions à forte teneur en CO2 dissous, fluides abrasifs, rejets industriels, eaux usées ou boues d'épuration.
EP94907607A 1993-02-26 1994-02-23 Procede de fabrication d'une piece metallique revetue de materiaux mineraux, piece obtenue et son utilisation Expired - Lifetime EP0686212B1 (fr)

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