FR2721098A1 - Ceramic rolls for oxide furnaces reinforced by a reinforcing element with a high modulus of elasticity under heat. - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne les rouleaux céramiques pour fours à rouleaux. The invention relates to ceramic rolls for roller ovens.
Un four à rouleaux est un four à passage dont la sole est composée de rouleaux céramiques disposés parallèlement les uns aux autres et mis en rotation autour de leur axe central au moyen d'un système d'entraînement. Tous les rouleaux tournent dans le même sens et sensiblement à la même vitesse. Ce mouvement entraîne la charge à cuire à travers le four. A roller furnace is a passage furnace whose sole is composed of ceramic rollers arranged parallel to each other and rotated about their central axis by means of a drive system. All rollers rotate in the same direction and at substantially the same speed. This movement causes the load to bake through the oven.
Ces fours sont principalement employés pour la cuisson des carreaux céramiques utilisés pour le revêtement des sols et des murs. Les carreaux à cuire sont posés directement sur les rouleaux à l'entrée du four. Toutefois, les fours à rouleaux sont également utilisés pour cuire des pièces de forme complexe : articles de vaisselle, éléments de sanitaire, substrats pour l'électronique. Dans ce cas, les produits à cuire sont chargés sur des dalles formant supports, celles-ci étant alors posées sur les rouleaux. These ovens are mainly used for firing ceramic tiles used for flooring and walls. The cooking tiles are placed directly on the rollers at the entrance of the oven. However, roller ovens are also used to cook complex shaped parts: dishware, sanitaryware, substrates for electronics. In this case, the products to be cooked are loaded on slabs forming supports, which are then placed on the rollers.
Les rouleaux actuels ont une longueur de 1200 à 4000 mm et leur diamètre extérieur est compris entre 25 et 55 mm pour une épaisseur de parois de 5 à 6 mm. The current rollers have a length of 1200 to 4000 mm and their outside diameter is between 25 and 55 mm for a wall thickness of 5 to 6 mm.
Ils sont soumis à divers types de contraintes
3 Contraintes mécaniques
poids propre et charges provenant des produits à cuire
fatigue dynamique (rotation).They are subject to various types of constraints
3 Mechanical constraints
clean weight and loads from the products to be cooked
dynamic fatigue (rotation).
z Agressions chimiques
par les vapeurs alcalines dégagées par les produits à cuire
par oxydation (dans le cas des rouleaux en SiC).z Chemical aggression
by the alkaline vapors released by the products to be cooked
by oxidation (in the case of SiC rollers).
E Gradients thermiques : entre la partie située à l'intérieur du four et les extrémités traversant les parois du four. E Thermal gradients: between the part inside the oven and the ends passing through the walls of the oven.
z Chocs thermiques
loris de l'introduction d'un rouleau neuf froid dans un four en fonctionnement pour remplacer un rouleau défaillant ;
loris des mises en veilleuse ou arrêts pour entretien.z Thermal shocks
the introduction of a new cold roll into an operating oven to replace a failed roll;
loris waits or stops for maintenance.
Il existe trois types de rouleaux sur le marché
- les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base d'oxydes cuits à température modérée ( < 1500"C), tels que les matériaux alumine-mullite-cordiérite (comme le matériau Siroll LP commercialisé par la Société Nuova Sirma, Italie);;
- les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température ( > 1500 C)
- les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium et/ou d'oxynitrure de silicium et/ou de sialon (appelés ci-après matériaux à base d'au moins un composé du silicium), tels que les matériaux formés de grains de SiC liés par un liant nitrure de silicium (tel que le matériau Advancer commercialisé par la Société Norton), le carbure de silicium recristallisé (tel que le produit Crystar de Norton), ou les matériaux à base de carbure de silicium imprégnés de silicium.There are three types of rollers on the market
rolls formed of refractory materials based on oxides baked at a moderate temperature (<1500 ° C.), such as alumina-mullite-cordierite materials (such as the Siroll LP material marketed by the Nuova Sirma Company, Italy);
- rolls based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at a very high temperature (> 1500 C)
- The rolls formed of refractory materials based on silicon carbide and / or silicon nitride and / or silicon oxynitride and / or sialon (hereinafter referred to as materials based on at least one silicon compound) , such as materials formed of SiC grains bonded by a silicon nitride binder (such as the Advancer material marketed by Norton Company), recrystallized silicon carbide (such as Norton's Crystar product), or materials based on of silicon carbide impregnated with silicon.
Les rouleaux à base d'oxyde cuits à température modérée ont l'inconvénient de ne supporter que des charges modestes: ainsi, les meilleurs rouleaux à base d'alumine-mullitecordiérite sont limités à des charges maximales telles que la contrainte de flexion totale (charge + poids propre), soit inférieure à 50 kg/cm2 pour une température maximale d'emploi inférieure ou égale à 1250 C. Ceci limite fortement leur utilité pour certaines applications. The moderate temperature baked oxide rollers have the disadvantage of only supporting modest loads: thus, the best alumina-mullitecordierite rolls are limited to maximum loads such as total bending stress (load + self weight), less than 50 kg / cm2 for a maximum working temperature of less than or equal to 1250 C. This greatly limits their usefulness for certain applications.
Les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température supportent des contraintes de flexion pouvant atteindre 80 kg/cm2 pour des températures d'emploi maximales inférieures ou égales à 1300-1350"C, mais leur coût est très supérieur à celui des rouleaux cuits à basse température. Alumina, alumina-mullite or mullite rolls baked at very high temperatures withstand bending stresses up to 80 kg / cm2 for maximum operating temperatures of 1300-1350 ° C or lower, but their cost is much higher than that of rolls cooked at low temperature.
Par contre, les rouleaux formés d'un matériau à base d'au moins un composé du silicium supportent des contraintes de flexion de 200 à 500 kg/cm2, pour une température limite d'emploi pouvant atteindre 1600"C, mais leur coût est de 7 à 20 fois celui des rouleaux à base d'oxydes. On the other hand, the rolls formed of a material based on at least one silicon compound withstand bending stresses of 200 to 500 kg / cm 2, for a working temperature limit of up to 1600 ° C, but their cost is from 7 to 20 times that of oxide-based rolls.
Il serait donc très utile à l'industrie de disposer de rouleaux présentant des propriétés améliorées par rapport aux rouleaux à base d'oxydes classiques, tout en étant moins onéreux que les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite frittés à très haute température ou à base d'au moins un composé du silicium actuellement commercialisés. It would therefore be very useful for the industry to have rollers with improved properties over conventional oxidation-based rolls, while being less expensive than alumina, alumina-mullite or mullite-based rolls. sintered at very high temperature or based on at least one silicon compound currently marketed.
L'invention vise à satisfaire ce besoin. The invention aims to satisfy this need.
Plus précisément, l'invention concerne un rouleau composite pour fours à rouleaux comprenant un rouleau extérieur creux en un matériau réfractaire à base d'oxydes et un élément de renforcement en un matériau réfractaire présentant un module d'élasticité à 1200"C plus élevé que celui du matériau du rouleau extérieur, disposé à l'intérieur du rouleau extérieur, la plus grande dimension de la section transversale de l'élément de renforcement étant légèrement inférieure au diamètre intérieur du rouleau extérieur. More specifically, the invention relates to a composite roll for roller ovens comprising a hollow outer roll made of an oxide-based refractory material and a reinforcement element made of a refractory material having a modulus of elasticity at 1200 ° C higher than that of the outer roll material, disposed within the outer roll, the largest dimension of the cross section of the reinforcing member being slightly less than the inner diameter of the outer roll.
Avantageusement le module d'élasticité à 1200"C du matériau de l'élément de renforcement est égal à au moins 2 fois celui du rouleau extérieur et, de préférence, à au moins 3 fois. Le module de l'élément de renforcement peut être jusqu'à 20 fois, et même plus, supérieur à celui du matériau de l'élément extérieur. Advantageously, the modulus of elasticity at 1200 ° C. of the material of the reinforcement element is equal to at least twice that of the outer roll and preferably at least 3 times.The modulus of the reinforcing element can be up to 20 times, and even more, than the material of the outer element.
Le rouleau extérieur sera habituellement réalisé en un matériau à base d'oxydes bon marché convenant à la fabrication de rouleaux de fours, par exemple en un matériau à base d'oxydes cuit à température modérée, tel qu'un matériau alumine-mullite cordiérite précité. Un tel matériau a typiquement un module d'élasticité à 1200"C de 10 à 25
GPa. L'épaisseur de paroi du rouleau extérieur est typiquement de l'ordre de 5-6 mm, sans que ces valeurs aient une importance critique.The outer roll will usually be made of an inexpensive oxide material suitable for the manufacture of oven rolls, for example of a moderate temperature baked oxide material, such as a aforementioned alumina-mullite cordierite material. . Such a material typically has a modulus of elasticity at 1200 ° C of 10 to 25
GPa. The wall thickness of the outer roll is typically of the order of 5-6 mm, without these values being of critical importance.
L'élément de renforcement intérieur peut présenter diverses formes, par exemple celle d'un cylindre creux ou celle d'un barreau creux à section hexagonale, carrée, triangulaire ou d'un profilé en forme de X. The inner reinforcing member may have various shapes, for example that of a hollow cylinder or that of a hollow bar with hexagonal, square, triangular section or an X-shaped profile.
De préférence, pour des raisons d'économie de matière, de résistance mécanique et de facilité de fabrication, on utilisera un élément de renforcement cylindrique creux, c'est-à-dire en forme de tube, ayant une épaisseur de paroi de l'ordre de 1,5 à 4 mm. Preferably, for reasons of economy of material, mechanical strength and ease of manufacture, use will be made of a hollow cylindrical reinforcing element, that is to say in the form of a tube, having a wall thickness of order of 1.5 to 4 mm.
L'élément de renforcement peut être réalisé, par exemple, en un matériau à base d'oxydes cuits à haute température, tel qu'un matériau à base d'alumine, d'aluminemullite ou de mullite ou un matériau à base d'au moins un composé du silicium tel que ceux mentionnés ci-dessus, entre autres. Les matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à haute température ont typiquement un module d'élasticité à 1200"C de 50 à 200 GPa, tandis que les matériaux à base d'au moins un composé du silicium ont typiquement un module d'élasticité à 1200"C de 150 à 400
GPa.The reinforcing member may be made of, for example, a high temperature baked oxide material, such as an alumina, aluminemullite or mullite material or a binder based material. less a silicon compound such as those mentioned above, among others. Materials based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at high temperature typically have a modulus of elasticity at 1200 ° C of 50 to 200 GPa, while materials based on at least one compound of silicon typically have a modulus of elasticity at 1200 ° C from 150 to 400
GPa.
L'élément de renforcement intérieur présente avantageusement une longueur inférieure ou égale à 0,9 fois celle du rouleau extérieur à renforcer. Pour des raisons d'économie de matière, on préfère employer un élément de renforcement de longueur substantiellement inférieure à celle du rouleau extérieur, par exemple d'une longueur représentant 0,15 à 0,65 fois celle du rouleau extérieur. The inner reinforcing element advantageously has a length less than or equal to 0.9 times that of the outer roller to be reinforced. For reasons of economy of material, it is preferred to use a reinforcement element of length substantially less than that of the outer roll, for example of a length representing 0.15 to 0.65 times that of the outer roll.
Par exemple, pour un rouleau extérieur de 3 m de long, l'élément de renforcement a de préférence une longueur de 0,5 à 2 m environ.For example, for an outer roll 3 m long, the reinforcing element preferably has a length of about 0.5 to 2 m.
La dimension maximale de la section transversale de l'élément de renforcement doit être légèrement inférieure à celle du diamètre intérieur du rouleau extérieur pour permettre à l'élément de renforcement d'être mis en place et d'exercer son action dès que le rouleau extérieur fléchit un peu sous une charge. Par exemple un jeu de 0,1 à 0,5 mm est habituellement satisfaisant sans que ces valeurs soient critiques. The maximum dimension of the cross-section of the reinforcing member should be slightly less than that of the inner diameter of the outer roll to allow the reinforcing member to be put in place and to exert its action as soon as the outer roll bends a little under a load. For example, a clearance of 0.1 to 0.5 mm is usually satisfactory without these values being critical.
L'élément de renforcement sera avantageusement centré par rapport aux appuis du rouleau sur les paliers du four supportant le rouleau, ou encore par rapport aux charges supportées par le rouleau en service, de façon que le rouleau extérieur à base d'oxydes se trouve renforcé mécaniquement dans la zone où règne, en service, la contrainte de flexion maximale. The reinforcing element will advantageously be centered with respect to the bearings of the roller on the bearings of the roller-supporting oven, or else with respect to the loads supported by the roller in use, so that the outer oxide-based roller is reinforced. mechanically in the area where the maximum bending stress prevails.
L'expérience a montré qu'il n'était pas nécessaire d'interposer du feutre céramique ou une couche de colle ou de ciment entre l'élément de renforcement et le rouleau extérieur. Au cours de l'assemblage, l'élément de renforcement peut être maintenu en place par un peu de colle organique. Lors de la mise en service, celle-ci brûle et l'élément de renforcement sera maintenu en place dans la position choisie par l'effet de flèche. Experience has shown that it is not necessary to interpose ceramic felt or a layer of glue or cement between the reinforcing element and the outer roller. During assembly, the reinforcing element can be held in place by a little organic glue. When put into operation, it burns and the reinforcing element will be held in place in the position chosen by the arrow effect.
Sur le dessin, la figure unique est une vue, en coupe longitudinale, d'un rouleau composite conforme à l'invention. In the drawing, the single figure is a view, in longitudinal section, of a composite roll according to the invention.
Sur la figure, la référence 1 désigne le rouleau extérieur à base d'oxydes, la référence 2 un élément de renforcement en forme de tube et de longueur inférieure à celle du rouleau extérieur, la référence 3 désigne les zones où le rouleau sera, en service, en appui sur des paliers, et la référence 4 désigne la partie du rouleau qui saillera du four et recevra des moyens d'entraînement du rouleau, par exemple une roue dentee (non représentée). In the figure, the reference numeral 1 designates the outer oxide-based roll, the reference 2 a reinforcing element in the form of a tube and of shorter length than the outer roll, the reference 3 designates the zones where the roll will be, in service, bearing on bearings, and the reference 4 designates the portion of the roller which project from the furnace and receive drive means of the roller, for example a toothed wheel (not shown).
L'exemple non limitatif suivant est donné dans le but d'illustrer l'invention. The following nonlimiting example is given for the purpose of illustrating the invention.
EXEMPLE
On a réalisé des rouleaux composites du type de celui représenté sur la figure dont le rouleau 1 était réalisé en
SIROLL LP (matériau du type Alumine-Mullite-Cordiérite commercialisé par la Société Nuova Sirma) et présentait les caractéristiques suivantes
- rayon extérieur : 20 mm
- rayon interieur : 15 mm
- longueur : 3 m
- module d'Young à 1200 C : 22000 Mpa
- coefficient de dilatation : 5,2 x 10-6K-1
- masse volumique : 2360 kg/m3
L'élément de renforcement 2 était réalisé en ADVANCER (grains de SiC liés par un liant nitrure de silicium commercialisé par la Société Norton) et présentait les caractéristiques suivantes
- rayon extérieur : 14,5 mm
- rayon intérieur : 12,5 mm
- longueur : 0,5 m
- module d'Young à 1200 C : 225000 Mpa
- coefficient de dilatation : 4,8 x 10-6K-
- masse volumique : 2820 kg/m3
Les rouleaux ainsi produits ont été montés dans un four à rouleaux destiné à la cuisson de carreaux céramiques à une température de l'ordre de 1200"C. EXAMPLE
Composite rolls of the type shown in the figure of which the roll 1 was made of
SIROLL LP (material of the Alumina-Mullite-Cordierite type marketed by Nuova Sirma) and had the following characteristics
- outer radius: 20 mm
- inner radius: 15 mm
- length: 3 m
- Young's modulus at 1200 C: 22000 Mpa
- coefficient of expansion: 5.2 x 10-6K-1
- density: 2360 kg / m3
The reinforcing element 2 was made of ADVANCER (SiC grains bound by a silicon nitride binder marketed by Norton) and had the following characteristics:
- outer radius: 14.5 mm
- inner radius: 12.5 mm
- length: 0.5 m
- Young's modulus at 1200 C: 225000 Mpa
- coefficient of expansion: 4.8 x 10-6K-
- density: 2820 kg / m3
The rolls thus produced were mounted in a roller oven for firing ceramic tiles at a temperature of about 1200 ° C.
La distance entre les appuis de chaque rouleau sur les paliers du four était de 2,91 m et la longueur chargée était de 1,83 m. The distance between the bearings of each roller on the bearings of the furnace was 2.91 m and the loaded length was 1.83 m.
Première expérience
On a comparé la flèche prise par ces rouleaux composites à celle de rouleaux identiques en SIROLL LP non renforcés et à celle de rouleaux en Advancer de géométrie identique ayant une épaisseur de paroi de 5-6 mm.First experience
The deflection taken by these composite rollers was compared to that of identical non-reinforced SIROLL LP rolls and that of Advancer rollers of identical geometry having a wall thickness of 5-6 mm.
On constate que le poids des éléments de renforcement en Advancer entraîne à vide un accroissement de la flèche des rouleaux composites d'environ 1 mm, par rapport à celle des rouleaux en Siroll LP non renforcés. Par contre, en faisant circuler une charge dans le four, correspondant à une charge de 1,25 kg par rouleau répartie sur la portion centrale du rouleau, de longueur 1,83 m, on remarque que les rouleaux composites de l'invention présentent une flèche environ 3 fois plus faible que celle des rouleaux non renforcés : 3,4 mm au lieu de 11,1 mm, tandis que la flèche des rouleaux en Advancer est de 2 mm. It can be seen that the weight of the Advancer reinforcement elements results in an increase in the deflection of the composite rolls by about 1 mm compared to that of the unreinforced Siroll LP rolls. On the other hand, by circulating a charge in the furnace, corresponding to a load of 1.25 kg per roll distributed over the central portion of the roll, 1.83 m long, it is noted that the composite rolls of the invention exhibit a arrow about 3 times weaker than unreinforced rolls: 3.4 mm instead of 11.1 mm, while Advancer roll deflection is 2 mm.
Deuxième expérience
On a chargé les rouleaux en Siroll LP avec une charge de 3 kg par rouleau répartie sur une longueur de 1,83 m. La flèche mesurée est de 12 mm et la rupture survient très rapidement, après quelques heures de fonctionnement.Second experience
The Siroll LP rolls were loaded with a load of 3 kg per roll spread over a length of 1.83 m. The arrow measured is 12 mm and the rupture occurs very quickly, after a few hours of operation.
Par contre, la flèche mesurée est de 6,0 mm pour les rouleaux composites de l'invention supportant la même charge. On the other hand, the arrow measured is 6.0 mm for the composite rollers of the invention supporting the same load.
La présente invention permet donc d'obtenir des performances en service très supérieures à celles des rouleaux à base d'oxydes standards pour un coût inférieur à celui des rouleaux en matériau cuit à haute température et très inférieur à celui des rouleaux à base d'au moins un composé du silicium. En effet, l'élément de renforcement utilisé dans l'invention présente un volume très inférieur à celui d'un rouleau réalisé entièrement en matériau à haute performance, du fait que son diamètre, son épaisseur de paroi et sa longueur peuvent être bien moindres. The present invention therefore makes it possible to obtain much higher performance in service than those of standard oxide-based rollers at a cost lower than that of rolls made of material that is baked at a high temperature and much lower than that of rolls based on less a silicon compound. Indeed, the reinforcing element used in the invention has a much smaller volume than a roll made entirely of high performance material, because its diameter, its wall thickness and its length can be much lower.
L'invention permet également d'exploiter la bonne rigidité à chaud des matériaux à base d'alumine, d'aluminemullite ou de mullite cuits à haute température (surcuits), sans risquer une rupture par choc thermique, lors de leur introduction dans un four en marche. En effet, le rouleau extérieur, très résistant au choc thermique constitue une enveloppe protectrice pour l'élément de renforcement intérieur, sensible au choc thermique. The invention also makes it possible to exploit the good hot stiffness of materials based on alumina, aluminemullite or mullite baked at high temperature (supercooled), without risking a rupture by thermal shock, when they are introduced into an oven. working. Indeed, the outer roll, very resistant to thermal shock constitutes a protective envelope for the inner reinforcing element, sensitive to thermal shock.
Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et l'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. It goes without saying that the described embodiment is only an example and it could be modified, in particular by substitution of technical equivalents, without departing from the scope of the invention.
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