FR2778351A1 - Procede ecologique d'agglomeration de sables de fonderie - Google Patents

Abstract

Procédé d'agglomération de sables destinés à la fabrication de moules et noyaux de fonderie par déshydratation d'un liant constitué de silicate de soude de formule générale m SiO2 , n Na2 O, q H2 O, le mélange de sable et de liant étant préalablement porté à une température inférieure à 100degreC choisie de façon que la température du mélange moulé et durci soit supérieure à la température ambiante, caractérisé en ce que le durcissement du mélange est obtenu par une vaporisation partielle de l'eau constitutive du liant au moyen d'une mise sous pression réduite du mélange moulé, à une pression inférieure à la tension de vapeur saturante de l'eau à la température du mélange, cette mise sous pression réduite étant effectuée dans une enceinte reliée à un dispositif de pompage muni d'un lest d'air et assurant l'évacuation de la vapeur d'eau formée. Le procédé s'applique aux fabrications en grandes séries de moules et noyaux de fonderie avec des sables agglomérés recyclables et aux résidus non polluants.

Description

La présente invention concerne un procédé écologique d'agglomération de

sables destinés à la fabrication de moules et noyaux de fonderie à partir d'un liant minéral tel que le silicate de soude et ne générant aucun élément relevant d'une réglementation concernant

les émissions et rejets.

Les procédés modernes d'agglomération de sables de fonderie utilisent généralement comme liants des résines organiques durcies de manière irréversible sous l'action de catalyseurs, lorsque le mélange sable- liant est au contact de l'outillage, ce qui garantit la précision de l'empreinte. La rapidité de durcissement permet de libérer routillage et de réaliser

des cadences de production élevées.

Ce durcissement rapide, obtenu à rorigine par le contact d'outillages préalablement chauffés, peut désormais être réalisé dans des outillages froids par le contact de catalyseurs gazeux sur le liant. Au démoulage, la masse du sable durci présente une résistance élevée, en général supérieure à 20 daN/cm2 en compression et pouvant dépasser 100 daN/cmn, ainsi que des propriétés de dureté superficielle et angulaire et une certaine résilience

garantissant l'intégralité dimensionnelle de la masse de sable jusqu'à son utilisation finale.

Ces avantages technologiques de durcissement rapide (de quelques secondes à quelques minutes), d'outillage froid (donc pas nécessairement métallique) et de produits résilients et de bonne résistance mécanique et dureté angulaire sont remis en cause par des désavantages sérieux en ce qui concerne l'environnement, aussi bien interne aux ateliers de20 fonderie qu'externe en matière d'émissions et de rejets. Ces derniers font l'objet, dans la plupart des pays industrialisés, de réglementations concernant l'environnement dont le respect

nécessite d'importants investissements.

On a donc recherché des liants d'agglomération minéraux, toutefois exempts de métaux lourds, dont le recyclage ne pose pas de tels problèmes. Certains comme les ciments, les phosphates magnésiens, les silicates alcalins durcis par action de gaz carbonique C02, d'un ester, d'un laitier, d'un ferro-silicium, durcissent par réaction chimique. D'autres, comme les

argiles et bentonites, les phosphates alcalins, les silices colloïdales et les silicates de soude durcissent par simple déshydratation.

Mais de fait, aucun procédé utilisant ces catégories de liants ne procure les avantages technologiques conférés par remploi des résines synthétiques, soit que les vitesses de durcissement soient trop lentes, soit que les caractéristiques mécaniques obtenues soient insuffisantes. Par exemple, un sable lié au silicate de soude peut être durci en quelques dizaines de secondes par insufflation de gaz carbonique, mais sa résistance mécanique se situera entre 5

et 20 daN/cm2 pour des taux de liant de 3 à 4,5 % par rapport au poids de sable.

A titre d'exemple d'un durcissement par déshydratation, rincorporation d'un silicate de soude liquide au taux correspondant à 1 % de matière sèche (SiO2 + Na2O) dans un sable siliceux d'indice de finesse AFS de 58/60 confere à une éprouvette cylindrique normalisée de 50 mm de diamètre et de 50 mm de hauteur, déshydratée totalement après 2 heures en étuve à une température de 105 C, une résistance à la compression supérieure à daN/cm2 (jusqu'à 140 daN/cm2), équivalente à celle obtenue avec des liants à résines organiques. Les autres liants minéraux précédemment cités conferent au mélange de sable des

résistances plus faibles, dans rétat actuel des connaissances en ce domaine.

L'accélération du processus de déshydratation aboutissant à ces caractéristiques mécaniques élevées a été tentée par différentes voies durant les quarantes dernières années.

Une mise du mélange sous vide poussé, inférieur à 5 hectoPascal (hPa), a permis de ramener le temps de durcissement vers 10 mn (Kondic - Foundry Trade Journal, 3

mai 1962, p. 537 et s.).

D'autres tentatives d'accélération du processus ont porté sur un apport calorifique extérieur. Outre l'étuvage, comme dans l'exemple précité, il a été proposé de

soumettre le mélange de sable, préalablement serré au contact de l'outillage, à un chauffage par micro-ondes, à un chauffage en outillage chaud, à l'injection d'air chaud au travers du mélange.

L'emploi des micro-ondes s'est révélé décevant du fait de la difficulté d'évacuer la vapeur d'eau formée hors de l'enceinte étanche. L'emploi d'outillages obligatoirement non

métalliques pose également des problèmes de matériaux.

J Le chauffage au contact d'outillages chauds forme rapidement une croûte déshydratée en surface, mais l'eau est chassée vers l'intérieur de la masse froide o elle se condense. Faute d'une déshydratation complète, cette eau résiduelle migre vers la surface lors du refroidissement du moulage et lui fait perdre sa résistance. Par ailleurs, l'emploi d'outillages chauds est contraire à l'évolution des techniques actuelles qui privilègient l'emploi plus facile et

moins coûteux d'outillages froids.

L'injection d'air chaud(jusqu'à 250 C) s'est révélée tout aussi décevante. Du fait du faible pouvoir calorifique de l'air (1 KJ/Kg/ C), le front de déshydratation ne progresse

que très lentement à travers la masse de sable.

Le brevet français n 2 731 930, enregistré sous le n 95.03358, déposé le 22 mars 1995 par le demandeur, propose, à l'opposé des procédés précités, une déshydratation par apport calorifique interne et non plus externe. Il décrit une technique de durcissement par déshydratation de liants à base de silicate de soude par préchauffage du mélange de sable et de liant à une température inférieure à 100 C, la déshydratation rapide du liant étant assurée par cet apport calorifique combinée à une évacuation de la vapeur d'eau formée par des moyens physiques de type connu en sol Il est proposé à cet effet soit un balayage de la masse moulée

par de rair sec, soit sa mise sous pression réduite dans une chambre à vide.

Contrairement à l'enseignement d'un brevet PCT WO 93.19870 qui préconise un chauffage de la masse granulaire à des températures supérieures à 100 C, le brevet précité 93.03358 précise qu'en raison de la chaleur spécifique de la silice du mélange,de la chaleur latente de vaporisation de l'eau et de la quantité d'eau à évacuer sous forme de vapeur,

inférieure à 1,5 %, la température du mélange peut rester modérée, inférieure à 100 C.

Aprés cette mise à température le sable et le liant, préalablement chauffés par tout moyen connu, sont introduits dans un mélangeur, continu ou discontinu, mais qui doit être impérativement calorifugé pour éviter les condensations de liant sur les parois et muni de sas étanches pour éviter toute déperdition d'eau durant le mélange. On peut également procéder au mélange à température ambiante dans un mélangeur conventionnel et le transférer ensuite dans un dispositif de chauffage statique ou dynamique de type connu, mais rendu parfaitement étanche à l'air. Il est alors procédé à l'évacuation de la vapeur d'eau par tous

moyens connus en soi.

L'objet de la présente invention est un procédé relevant de cette dernière technique pour aboutir à des résultats très améliorés quant aux facilités de mise en oeuvre et aux possibilités de recyclage des mélanges de sable utilisés. Ces résultats tiennent à la combinaison d'un liant approprié et de son processus de déshydratation. Le liant de base utilisé est un silicate de soude sous forme liquide, de formule générale (mSiO2, nNa20, qHWO), avec un rapport pondérai SiO2 / Na2O compris entre 2 et 2,4

et une concentration en matière sèche (mSio2 + nNa20) telle que sa viscosité à 20 C soit10 inférieure ou égale à 1 Pa.s (environ 10 Poises).

Ce liant de base pourra avantageusement être amélioré par adjonction d'un sucre au taux maximum de 15 % par rapport au poids de matière sèche du liant. On sait en

effet que de telles additions améliorent la plasticité du mélange de sable aggloméré et facilitent son débourrage après coulée des pièces.

On pourra également ajouter au liant de base un agent mouillant non ionique à raison de 0,5 à 2 pour mille par rapport au poids de silicate utilisé. Cet agent abaisse la tension

superficielle du liant et favorise ainsi la fluidité du mélange et le moulage, par injection sur machine, de noyaux de formes complexes.

Le mélange de sable de moulage et de liant constitué de silicate de soude, éventuellement complété par les additifs précités, les composants de ce mélange étant préalablement portés à la température requise, est effectué dans un mélangeur étanche à l'air et

chauffant portant le mélange à une température inférieure à 100 C et choisie de façon qu'en fin d'opération de moulage, la température du mélange durci soit supérieure à la température ambiante, pour éviter toute reprise d'humidité.

A cet effet, la température optimale du mélange sera avantageusement comprise entre 50 et 70 C lors du démarrage du processus de déshydratation qui sera engagé dans les conditions décrites ci-après, après la mise en forme du mélange, généralement par des moyens mécaniques classiques de serrage (secousses, vibrations, pression) ou au moyen d'une machine à souffler dont le magasin de chargement en sable mélangé sera également étanche à l'air, pour éviter un séchage prématuré du mélange à injecter. Il est à noter que le processus de mélange à chaud précité, tout en réduisant au maximum le temps de mélange, aboutit à réduire d'environ dix fois la viscosité du mélange résultant, porté à une température d'environ 60 C, ce qui améliore considérablement les conditions de serrage et permet notamment rinjection de

noyaux de formes complexes.

Il est également possible de procéder, dans un premier temps, à un mélange à froid des composants, suivi d'un réchauffage à la température requise dans une enceinte chauffée étanche à rair. Cette procédure conduit à un cycle de mélange plus long, mais ne

nécessite pas de mélangeur étanche chauffant, matériel plus spécialisé.

Aprés mise en forme du mélange au contact d'un outillage comme indiqué précédemment, il sera procédé au durcissement du mélange sable-liant par une déshydratation partielle du liant, au moyen de la vaporisation d'une partie de reau contenue dans le liant de base, provoquée par une mise sous pression réduite de la masse de mélange sable-liant à durcir. Cette pression réduite doit être inférieure à la tension de vapeur saturante de l'eau à la

température considérée.

Cette mise sous pression réduite sera effectuée dans une enceinte reliée à un dispositif de pompage assurant l'évacuation de la vapeur d'eau dégagée par la vaporisation du liant. Cette évacuation sera assurée, ainsi que le maintien du niveau de pression réduite, par la présence sur le circuit de pompage d'un dispositif connu en soi de fuite contrôlée dit "lest d'air". Ce lest d'air sera avantageusement localisé en amont du mélange à déshydrater par rapport aux moyens de pompage. Il sera réglé pour maintenir une gamme de pressions réduites comprise entre 200 hPa et 10 hPa (1 hPa- hectopascal- étant sensiblement égal à 1 millibar)et plus précisément suivant un cycle de pompage amenant progressivement cette pression de 200

à 10 hPa.

Le procédé objet de rinvention sera plus précisément exposé ci-aprés, en référence aux figures annexées, o - La figure I a montre les variations de la résistance à la compression et du taux de déshydratation à l'air libre en fonction du temps, dans des conditions de température et

d'hygrométrie ambiantes, d'un mélange de sable aggloméré au silicate de soude.

- La figure lb montre l'évolution de cette résistance en fonction du taux de déshydratation pour ce même mélange. - La figure 2a montre comparativement ces mêmes variations pour différents types de

traitement et en particulier pour celui conforme à rinvention.

- La figure 2b montre révolution de la résistance à la compression d'un mélange selon

l'invention en fonction de sa perte en eau.

Le durcissement par déshydratation d'un liant à base de silicate de soude sera illustré par rexemple ci-aprés dun mélange de sable aggloméré avec 2,75 % d'un silicate de soude comportant 40 % de matière sèche (SiO2 + Na20) et d'un module (rapport SiO2/Na20) de 2,65, soumis à une déshydratation à la température de 20 C dans une atmosphère à 20 % d'hygrométrie. La perte en eau par rapport à la teneur initiale du liant et la résistance à la compression du mélange évolueront en fonction du temps suivant le tableau ci-aprés: Temps de séchage Perte en eau Résistance à la compression à 20 C (h) % (daN/cm2)

0 0 0,005

1 22,5 2,1

2,5 30,6 6,1

4 41,2 7,1

6 48,7 12,6

10 56,8 37,2

16 68,7 65

24 70,0 90

2 heures à 105 C 100 140 Ces résultats sont reportés sur les diagrammes des figures la et lb. La figure la illustre l'extrême lenteur de la déshydratation à la température ambiante et la croissance de la résistance consécutive à cette déshydratation. On constate que cette dernière, rapide initialement, se ralentit fortement au fur et à mesure que le silicate se concentre à la suite de la5 perte en eau. La figure lb montre la croissance rapide de la résistance dans une plage étroite de perte en eau: elle évolue en effet de 15 à 90 daN/cm2 pour une perte variant de 20 %

seulement (de 50 à 70 %).

Cette constatation souligne l'intérêt du contrôle de la perte en eau, et donc de révacuation de la vapeur d'eau formée pendant la déshydratation. Or, le mélange de sable doit être durci au contact d'un outillage, qui constitue généralement une enceinte close et le volume de vapeur d'eau formé est considérable par rapport à la porosité du sable et au volume de vide interstitiel du mélange une fois serré dans l'outillage. Si ron considère par exemple une masse de sable de 1800 g susceptible de durcir par évaporation de 1 % d'eau, soit 18 g ou une mole, le volume de vapeur d'eau produit dans les conditions normales serait de 22,4 dnm3. Or, la porosité du sable pour une masse volumique à rél'&tat serré de 1,5 g/cm3 ne représente que 0,52 dm3. Il faut donc disposer de moyens appropriés pour évacuer d'une enceinte aussi confinée le volume de vapeur d'eau formée et en particulier de dispositifs propres à assurer une communication de l'enceinte avec l'extérieur. On connaiît à cet effet l'utilisation de filtres à20 fentes, de plaques perforées, de plaques frittées, dont les surfaces utiles sont forcément limitées. Comme il a été indiqué dans le brevet français 95.03358, un moyen physique d'évacuation de la vapeur d'eau est une mise sous pression réduite de la masse granulaire. Si la pression réduite est inférieure à la tension de vapeur saturante de l'eau à la température de la25 masse granulaire, l'eau est soumise au phénomène de vaporisation ou d'ébullition. La vapeur d'eau formée doit être extraite au fuir et à mesure de sa formation. On disposera à cet effet d'un

système de pompage d'un débit tel que le durcissement soit effectué dans le plus court délai possible.

Le débit minimum peut être calculé a partir de la tension de vapeur d'eau à la température à laquelle est portée la masse granulaire et du volume de vapeur à la pression et à la température correspondantes, selon les données du tableau ci-après: Température Tension de vapeur Volume occupé par ( C) (hPa) une mole d'eau (dm3)

311 91,6

199 139,1

50 123 218

73,8 352

42,5 593

23,4 1041

12,3 1915

0 6,1 3719

On constate que plus la température de la masse granulaire est élevée, plus le volume de vapeur d'eau formée est faible et plus la pression minimum nécessaire à la vaporisation est élevée. Donc, pour un système de pompage d'un débit nominal donné, la vitesse d'évacuation de la vapeur d'eau sera d'autant plus importante que la température sera plus élevée. Or, tout système de pompage voit son débit nominal diminuer rapidement en

dessous d'une certaine pression, jusqu'à finalement s'annuler.

Ainsi, une pompe à palette à bain d'huile de débit nominal de 100 m3/heure (soit

27,8 dm3/seconde) ne débite plus que 40 m3/h sous 20 hPa et 4 m3/h seulement sous 2 hPa.

Avec une telle pompe, révacuation d'une mole d'eau (18 g), pourra alors être effectuée suivant le tableau ci-après: Température ( C): 70 60 50 40 30 20 10 0 Durée d'évacuation (s) 3,3 5 7,8 12,7 21,3 62,4 157 557 L'emploi d'un mélange chaud est donc d'autant plus justifié qu'il faut également tenir compte de reffet d'endothermie lié à la vaporisation (-25 pour une perte d'eau de 1 % dans le cas d'un sable siliceux). Ainsi, un mélange à température initiale de 65 C reviendra à C en fin de déshydratation et la durée de durcissement sera de l'ordre de 12 secondes. Par contre, une déshydratation de sable à température ambiante nécessiterait des délais incompatibles avec une production industrielle, car il faudrait alors opérer sous une pression inférieure à 20 hPa, donc hors de la zône d'efficacité de la pompe. De plus, du fait de

rendothermie, le volume de vapeur à évacuer aurait tendance à croître.

Outre la mise en oeuvre d'un mélange chaud, il sera donc essentiel de ne pas descendre en dessous d'un certain niveau de pression résiduelle, afin de conserver à la pompe

son efficacité.

A cet effet, on disposera dans le circuit de pompage un dispositif connu en soi de lest d'air (ballast) consistant en une fuite exactement calibrée à très faible débit, par exemple de 0,4 dm3/s maintenant une pression de 20 hPa avec une pompe de débit nominal de

m3/h.

Le dispositif de lest d'air peut être mis en place entre renceinte contenant le mélange à déshydrater et le système de pompage. Il sera plus avantageusement situé en amont de renceinte, car le faible courant d'air induit facilite alors l'orientation du courant de vapeur

d'eau formée vers le système de pompage.

Un lest d'air variable permettra permettra d'optimiser le débit du système de pompage, en démarrant l'aspiration sous une pression relativement élevée, par exemple de

150 hPa, pour la réduire ensuite progressivement, par exemple vers 20 à 30 hPa.

Selon l'invention, la vaporisation sous pression réduite permettra le durcissement rapide d'un mélange de sable et de silicate de soude préalablement chauffé, même

au contact d'un outillage froid. Il a été recherché, dans le cadre de rinvention, la formule de silicate de soude la mieux adaptée à ce processus de déshydratation sous pression réduite.

De formule générale (m SiO2, n Na2O, q -FO), un silicate de soude est caractérisé par deux facteurs: la matière sèche (SiO2, Na20) et le rapport pondéral SiO(/Na20

ou module, qui peut varier de 2 à 3,8.

o10 Dans la mise en oeuvre du procédé, il faut tout d'abord constituer un film continu de silicate de soude à la surface des grains du sable à agglomérer, ce qui nécessite une

viscosité maximale de 1 Pa.s à 20 C. Or la viscosité dépend à la fois de la teneur en matière sèche et du module. Ainsi, une viscosité de 0,6 à 0,7 Pa.s permettant un enrobage aisé 5 correspond à une teneur en matière sèche de 46 % pour le module de 2, de 37,5 % seulement pour le module 3,3.

Etant donné la nature colloidale des silicates de soude liquides, il faut également prendre en compte la composition structurale de la matière sèche. Selon J. K Iler ("Chemistry of Silica", chap. 2, p. 122) un silicate liquide de module supérieur à 2 peut être considéré comme une solution ionique de 2. SiO2. Na20 (module 2) dans laquelle la silice supplémentaire est présente sous forme de particules colloïdales de 1 à 2 nm de diamètre (1

nm ou nanomètre = 1 Angstrom). La silice colloïdale en elle-même ne possède aucun pouvoir adhésif mais joue uniquement un rôle d'additif de complément ("filler") qui facilite la déshydratation sans pratiquement affecter la résistance mécanique finale. Par exemple, la15 matière sèche d'unm silicate de soude de module 2,65 est composée de 82, 3 % de matière adhésive 2 SiO2 Na20 et de 17,7 % de silice colloïdale.

Une autre propriété importante des silicates de soude liquides, signalée par Vail ("Soluble Silicates", vol I, p. 91), est à considérer: l'abaissement de la tension de vapeur de la solution ionique en fonction de la teneur en Na20 qui explique raspect de la courbe I de la figure la: très rapide au départ, la déshydratation se ralentit considérablement pour pratiquement s'interrompre à mesure que le rapport Na20/-FO augmente. On obtiendrait donc la déshydratation la plus rapide possible par application d'une pression réduite en utilisant des silicates dont la teneur en Na20 est la plus faible. Par exemple, un mélange comprenant 100 parties de sable siliceux et 1,75 partie d'un silicate de module 2,65 et 40 % de matière sèche25 (silicate identique à celui de la figure 1), préalablement chauffé à 45 C, a été soumis à une déshydratation par dépression sous 40 hPa, avec un lest d'air situé en amont du moule. En fonction du temps de déshydratation, les résistances à la compression obtenues ont été les suivantes: Durée de déshydratation (s): 7 10 14 20 29 60 120 24030 Compression (daN/cm2): 5,5 13 20 37 31 26 17 14 Il Si l'on se référe à la courbe I de la figure la, on constate la différence de comportement d'un silicate lorsqu'il est soumis à une déshydratation brutale: à partir d'un certain niveau de déshydratation, la résistance mécanique, au lieu de continuer à augmenter, diminue considérablement. De fait, le produit final manque de dureté superficielle, est très sensible à l'effritement et donc pratiquement inutilisable. L'explication de ce comportement peut se déduire d'observations faites par Vail (déjà cité, vol II, p. 371 à 377). Selon cet auteur, "les silicates utilisés comme adhésifs sèchent en formant un film dur et vitreux. La vitesse optimale d'élimination de reau du film de silicate est celle qui préserve rintégralité du film continu. Un chauffage soudain au-dessus du point d'ébullition de reau peut causer une intumescence et une perte de résistance par conversion du

film en un système de bulles solidifiées".

La même expérimentation a été répétée avec un silicate de module proche de 2 et 45 % de matière sèche, qui présente, par rapport au silicate précédent: - une teneur en eau plus faible (55 contre 60 %) - une teneur en Na2O plus élevée (15,33 % contre 11,5 %) - une teneur en matière adhésive plus élevée (46 contre 34,5) - une teneur en silice colloïdale de la matière sèche nulle (contre 17,7 %) soit toutes caractéristiques réunies pour que la déshydratation soit ralentie. Or, ce mélange étant soumis à des conditions de déshydratation identiques, les résultats ont été les suivants: Durée de déshydratation (s): 7 10 14 20 29 60 120 240 Compression (daN/cm2): 12 18 23 30 40 62 70 80 Contrairement à ce que ron pouvait attendre, la vitesse de déshydratation n'a pas été ralentie significativement; par contre, la résistance mécanique a continué de croître pour atteindre des niveaux similaires à ceux constatés pour des séchages à l'air ambiant. Le produit final présente une excellente dureté superficielle et ron ne constate aucun effritement. On peut donc présumer qu'avec un silicate de bas module, contenant plus de matière adhèsive,

plus de soude et moins d'eau, le phénomène d'inturmescence ne s'est pas produit.

Des essais, non décrits ici, effectués sur des silicates de soude intermédiaires, entre 2 et 2,65 de module, ont montré par ailleurs que le phénomène de perte de résistance sous l'effet d'une déshydratation prolongée intervenait à partir du module 2,4, soit pour une teneur en silice colloïdale d'environ 10 % de la matière sèche. Les silicates de module compris entre 2,0 et 2,4 peuvent donc être utilisés comme liants dans le cadre du procédé de l'rinvention. Il a été toutefois observé qu'une adjonction d'un sucre dans la proportion maximum de 15 % de la matière sèche du silicate conférait au mélange une fois durci sous pression réduite une dureté angulaire et superficielle accrue. La proportion de 15 % ne doit toutefois pas être dépassée sous peine de voir diminuer sensiblement la résistance mécanique après durcissement. On utilisera des sucres réducteurs du type glucose ou saccharose. En

raison de leur réaction avec le silicate de soude, il seront incorporés séparément dans le mélange. Par contre, des sucres non réducteurs tels que mentionnés en revendication 8 du brevet français N 77.34096 Foseco International, peuvent être incorporés directement au15 silicate de soude, ce qui procure ravantage d'un liant unique.

Dans le cas de noyaux complexes réalisés par soufflage, il peut être avantageux d'incorporer au silicate de base un agent mouillant non ionique à un taux de 0,5 à 2 pour mille de la teneur en silicate. L'abaissement résultant de la tension superficielle confere au mélange une fluidité très améliorée sans que les résistances mécaniques soient affectées.20 En résumé, le procédé à caractère écologique selon l'invention résulte de la mise en oeuvre de la combinaison des dispositions suivantes: - un mélange de sable et de silicate de soude de module compris entre 2 et 2,4 et de viscosité inférieure à 1 Pa.s; - le chauffage de ce mélange à une température ne dépassant pas 70 C dans une enceinte étanche à rair; après moulage du mélange dans un outillage à température ambiante, rapplication d'une mise sous pression réduite au moyen dun système de pompage présentant un débit

suffisant à cette pression réduite pour évacuer la vapeur d'eau formée.

L'exemple suivant illustrera les résultats obtenus par la mise en oeuvre de cette combinaison: On a confectionné à la température ambiante, à l'aide d'un malaxeur de type conventionnel un mélange constitué par 100 parties de sable siliceux d'indice de finesse AFS 55/60 et 2 parties de liant. Ce liant est constitué de 95 parties de silicate de soude de module

2,25 et 45 % de matière sèche et de 5 parties d'un sucre non réducteur, préalablement mélangés.

Ce mélange préparé, dont la teneur en eau initiale est de 1,1 %, a été placé dans un récipient étanche et porté à une température comprise entre 50 C et 65 C. Il a ensuite fait robjet de deux cas d'application:

1) On a confectionné, par serrage manuel dans un outillage en plastique, une motte de diamètre 13 cm et de hauteur 9 cm pesant 1800 g, la température du sable était de 62 C.

L'outillage et le mélange contenu ont été placés dans une chambre à vide reliée à un dispositif de pompage de débit nominal de 20 m3/l. Un lest d'air est placé sur la chambre àvide.

Le temps de cycle de mise en dépression a été de 30 s sous 100 hPa, suivis de s sous 45 hPa, puis de 30 s sous 30 hPa, soit une durée totale de 1 mn 30 s. On a constaté après démoulage que: a) la motte était uniformément durcie dans toute sa masse et donc parfaitement manipulable; b) la perte en eau était de 10,6 g, soit 0,58 %;

c) après complet refroidissement à l'air libre, la motte perdait encore 0,2 % d'eau et acquérait alors sa résistance définitive.

2) On a confectionné une éprouvette normalisée de diamètre 50 mm et de hauteur 50 mmin, pesant 150 g, avec un mélange porté à la température de 52 C. Cette éprouvette à été soumise à une dépression constante de 40 hPa dans un tube relié à un

dispositif de pompage.

Un lest d'air localisé en amont de réprouvette maintenait la dépression constante.

Les résultats des mesures de résistance à la compression pour différentes durées de mise sous pression réduite sont indiqués dans le tableau ci-après. La courbe I de la figure 2a montre l'evolution de la résistance à la compress on en fonction du temps et la figure

2b l'évolution de cette résistance à la compression en fonction de la perte en eau.

Durée de Perte en eau Compression mise sous vide (s) % daN/cm2

3 0,32 6,5

0,43 14,2

7 0,46 24,7

0,48 30,7

14 0,50 43,7

0,54 50,0

29 0,54 60,0

42 0,57 58,7

0,58 65,0

120 0,61 67,5

240 0,61 70,0

On constate ici la rapidité de durcissement. La résistance développée après environ 10 secondes permet un démoulage sans risques.

Ces mêmes éprouvettes, stockées plusieurs jours à température ambiante (20 C, hygrométrie 45 %) présentaient une résistance à la compression comprise entre 70 et daN/cm2, ceci quelle qu'ait été la durée de mise en dépression (figure 2a, courbe II). Par comparaison, la courbe IU de la figure 2a montre révolution de la résistance d'un mélange aggloméré avec 3,5 % d'un silicate identique et durci par gazage au gaz carbonique CO2. Cette résistance plafonne à 20 daN/cm2 après 120 s de gazage.25 L'exemple qui vient d'être décrit montre que la combinaison du procédé selon rinvention possède les avantages technologiques d'un procédé moderne, à savoir: - un durcissement rapide en outillage froid, permettent un démoulage en quelque dizaines de secondes, - l'obtention de caractéristiques de résistance élevées avec un taux modéré d'incorporation de liant: dans l'exemple cité, la matière adhésive ne représente que 0,9 % de la masse de sable. A ces avantages de base, il faut ajouter ceux relatifs au comportement du sable lors de la mise en oeuvre du mélange préparé et, après durcissement, au contact des métaux coulés, notamment: une excellente aptitude à la mise en forme par serrage ou soufflage due à l'abaissement décuplé de la viscosité du liant sous l'effet de la température: de 1 Pa.s à 20 C, elle est ramenée à 0,1 Pa.s à 60 C; - une durée de stockage (bench life) indéfinie du mélange, s'il est conservé dans une enceinte étanche à lair; - une absence de réactions entre le mélange durci et le métal liquide lors de la coulée, en raison de la nature même du liant silicate, qu'il s'agisse d'alliages ferreux ou non ferreux. La

faible réfractérité du silicate de soude (point de fusion 880 C) pourrait entraîner certaines15 difficultés de décochage après coulée pour des alliages ferreux, mais celles-ci se trouvent réduites du fait du faible taux d'incorporation de liant.

Mais les avantages décisifs du procédé sont ceux relatifs à l'environnement: - rabsence de problèmes liés au stockage et à la manutention du liant; - rabsence de produits catalyseurs nécessitant des précautions d'emploi et devant être neutralisés avant d'être rejetés à l'extérieur (amines, formiate de méthyle, SO2...); - rabsence d'émissions de vapeurs, fumées, odeurs à tous les stades de la mise en oeuvre, mis à part l'rémission de vapeur d'eau,supprimant ainsi la nécessité de dispositifs de captation; - les sables crus et déchets de fabrication peuvent aisément être réutilisés, après un simple traitement de réhumidification, du fait du caractère réversible de la déshydratation; les sables usés, c'est-à-dire ayant subi la coulée, sont réutilisables en majorité après un traitement classique d'attrition à sec suivi dun dépoussiérage; - les déchets ultimes doivent pouvoir être déposés en remblai, leur composition ne faisant l'objet d'aucune réglementation restrictive;

Le procédé résoud ainsi l'intégralité des problèmes liés à l'environnement interne et externe des fonderies.

a

Claims (9)

Revendications

1- Procédé d'agglomération de sables destinés à la fabrication de moules et noyaux de fonderie par déshydratation d'un liant constitué de silicate de soude de formule générale m SiO2, n Na2O, q H20, le mélange de sable et de liant étant préalablement porté à une 5 température inférieure à 100 C choisie de façon que la température du mélange moulé et durci soit supérieure à la température ambiante, caractérisé en ce que le durcissement du mélange

est obtenu par une vaporisation partielle de l'eau constitutive du liant au moyen d'une mise sous pression réduite du mélange moulé, à une pression inférieure à la tension de vapeur saturante de l'reau à la température du mélange, cette mise sous pression réduite étant effectuée10 dans une enceinte reliée à un dispositif de pompage muni d'un lest d'air et assurant l'révacuation de la vapeur d'eau formée.

2- Procédé d'agglomération de sables selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mise sous pression réduite est réglée par pilotage du lest d'air suivant un cycle ramenant

progressivement de 200 hPa à 10 hPa.

3- Procédé d'agglomération de sables selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le lest d'air est situé en amont du mélange moulé à déshydrater sur la ligne de pompage.

4- Procédé d'agglomération de sables selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le mélange avant moulage et déshydratation est porté à une température comprise entre

C et 70 C.

5- Procédé d'agglomération de sables selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mélange sable-liant est effectué à la température ambiante suivi d'un chauffage à la

température requise dans une enceinte chauffée étanche à l'air.

6- Procédé d'agglomération de sables suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la préparation du mélange chaud est réalisée dans un mélangeur chauffé et étanche à l'air à

partir de composants, sable et liant, préalablement chauffés à la température requise.

7- Procédé d'agglomération de sables selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que le liant est un silicate de soude de rapport pondérai SiOY/Na2O compris entre 2 et 2,4, de concentration telle que sa viscosité à 20 C soit inférieure

à 1 Pa.s.

8- Procédé d'agglomération de sables selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est ajouté au liant de base un sucre au taux mnaximum de 15 % du poids de matière sèche du liant.

9- Procédé d'agglomération de sables selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est ajouté au liant de base un agent mouillant non ionique au taux de 0,5 à 2 pour mille du

poids de silicate.