FR3100727A1

FR3100727A1 - Garnissage réfractaire pour revêtement interne d’une carcasse métallique externe d’un four de fonderie

Info

Publication number: FR3100727A1
Application number: FR1910132A
Authority: FR
Inventors: Hervé BUREAU
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2021-03-19

Abstract

L’invention concerne un garnissage réfractaire (5) pour revêtement interne d’une carcasse métallique externe (2) d’un four de fonderie, par exemple pour la fonte d’alliages d’aluminium ou de métaux non ferreux, comprenant une voûte surplombant une cuve (10) munie d’une paroi (10b) de fond/sole et de parois latérales/murs (10a), les parois (10a ; 10b) de ladite cuve (10) comportant au moins, de l’extérieur vers l’intérieur, une sous-couche externe ultra isolante (11), une ou plusieurs sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (12 ; 13), et une couche interne en béton alumineux dense (17) formant une couche d’usure prévue pour être au contact direct dudit métal liquide fondu, caractérisé en ce que les parois (10a ; 10b) de ladite cuve (10) comporte en outre, entre la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (12 ; 13) et la couche interne de béton alumineux dense (17), au moins une parmi une sous-couche de sécurité anti-infiltration (16) et une couche intermédiaire (15) réalisée en mica. Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Garnissage réfractaire pour revêtement interne d’une carcasse métallique externe d’un four de fonderie

Domaine technique de l’invention

La présente invention concerne un garnissage réfractaire pour revêtement interne d’une carcasse métallique externe d’un four de fonderie. Elle s’applique, en particulier à l’industrie des fonderies d’alliages légers d’aluminium et non ferreux et dans tous types de secteur d’activité (automobile, aéronautique, industrie mécanique, bâtiment, etc.). Elle est également applicable dans le domaine des fonderies de matériaux ferreux.

Actuellement, les fours de fusion ou de maintien en température pour le métal nécessitent la réalisation d’un coffrage pour le coulage des bétons utilisés pour les parois (sole, voûte, murs). Pour la réalisation de la sous-couche isolante de sécurité et de la voute, le coulage sous coffrage du béton isolant apporte en général entre 15 à 45% d’eau de gâchage. Pour la réalisation de la couche d’usure en béton dense, le coulage sous coffrage apporte en général de 5 à 10% d’eau de gâchage. Une grande quantité d’eau est donc nécessaire.

Or, un problème récurrent et inévitable avec un garnissage réfractaire traditionnel par coulage/vibration sous coffrage est la formation d’un phénomène de gazage du métal par une humidité résiduelle des réfractaires encore trop importante à cause d’un séchage insuffisant ou inefficace.

Les fours de maintien/coulé basse-pression sont très sensibles à la présence d’humidité car il est très difficile voire impossible de l’évacuer après sa mise en métal. La température de l’aluminium à 750°c est insuffisante dans l’équilibre thermique du four pour pouvoir chasser efficacement l’humidité dans le garnissage réfractaire, ce qui crée inexorablement de gros problèmes de défauts de gazage du métal et des couts élevés de non conformités.

La mise en production d’un four aluminium traditionnel requiert un délai de séchage minimal de 8 jours sans pour autant garantir un métal non gazé lors de la mise en production. La présence d’un métal gazé peut être constatée après le moulage des pièces moulées dans le cas des fours basse-pression ce qui traduit par une perte de production et des couts de non qualité. Le constat d’un métal gazé oblige à traiter le métal par des cannes de dégazage avant production.

Les conditions de la mise en œuvre par coulage/vibration du béton dans un coffrage bois réalisé dans le four s’effectue dans le sens vertical pour les parois et à plat pour la sole. La densification du béton par vibration crée du bullage sur les surfaces verticales du coffrage, ne garantissant pas une fermeture optimale de la porosité du béton au contact de la face de feu et de l’aluminium liquide. Une vibration et une teneur en haut généralement visée au maximum des spécifications de la fiche technique ne sont pas optimales, de sorte que les caractéristiques mécaniques s’en trouvent affaiblies et la porosité augmentée. Une teneur en eau aux limites supérieures ainsi qu’un risque réel de sur-vibration ont pour conséquence la formation d’une ségrégation de la matrice du béton, se traduisant par une remontée des fines du béton. Ce phénomène est critique dans le cas du coulage de grandes surfaces planes telles que les soles de four.

Par ailleurs, de manière connue, les garnissages réfractaires sont sollicités aux hautes températures, à l’encrassement, au traitement métallurgique, aux chocs thermiques, aux chocs mécaniques & thermomécaniques, à l’usure par réaction chimique et à l’encrassement par réaction chimiques.

L’objectif de la présente invention est la mise en production rapide d’un four de fonderie de maintien/coulée pour produire des pièces de moulage avec un métal non gazé après une réfection complète du garnissage réfractaire.

A cet effet, divers critères ou contraintes ont été pris en considération pour la conception novatrice de ce garnissage, à savoir la réduction des déperditions thermiques et de l’encrassement par réaction chimique (corindon), la qualité de l’alliage à élaborer, la densité du métal fusionné, l’optimisation de la température de fusion/maintien du four, le tonnage de métal à produire, la facilité d’entretien du four par le personnel en cours de production ou à froid en période d’arrêt.

Présentation de l'invention

La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice, fiable, résistante et économe en énergie.

A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention se rapporte à un garnissage réfractaire pour revêtement interne d’une carcasse métallique externe d’un four de fonderie, par exemple pour la fonte d’alliages d’aluminium ou de métaux non ferreux, comprenant une voûte surplombant une cuve munie d’une paroi de fond/sole et de parois latérales/murs, les parois de ladite cuve comportant au moins, de l’extérieur vers l’intérieur, une sous-couche externe ultra isolante, une ou plusieurs sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s), et une couche interne en béton alumineux dense formant une couche d’usure prévue pour être au contact direct dudit métal liquide fondu, caractérisé en ce que les parois de ladite cuve comporte en outre, entre la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) et la couche interne de béton alumineux dense, au moins une parmi une sous-couche de sécurité anti-infiltration et une couche intermédiaire réalisée en mica.

L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.

Avantageusement, les parois de la cuve comporte une couche de sécurité anti-infiltration disposée entre la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) et la couche interne de béton alumineux dense, et une feuille de mica disposée entre ladite couche de sécurité anti-infiltration et la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s).

Selon un aspect complémentaire, une couche de feutre est disposée entre la feuille de mica et la sous-couche intermédiaire isolante.

Selon un mode préféré de réalisation, la sous-couche externe ultra-isolante est réalisée en produit micro poreux à base de substances silicatées minérales telles que des silices pyrogénées, combinées à du carbure de silicium, et se présente par exemple sous la forme de panneaux rigides.

De même, la couche interne d’usure est un béton alumineux dense titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 45 et 95%.

la couche interne d’usure est quant à elle un béton avec des additifs de non mouillabilité vis-à-vis des alliages d’aluminium.

Enfin, la sous-couche de sécurité anti-infiltration est une masse sèche alumineuse titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 42 et 80%.

Avantageusement, chaque sous-couche intermédiaire isolante est constituée soit de panneaux isolants rigide à base de silicate de calcium, de silice/alumine ou de silice/magnésie, soit de briques isolantes à base de terre silico-argileuse et/ou de silicate de calcium.

Selon un mode particulier de réalisation, la couche interne d’usure de la paroi de fond et/ou des parois latérales est réalisée en plusieurs portions reliées entre elles deux à deux par un joint de dilatation chicané pour réduire/empêcher les infiltrations de métal liquide ou gazeux en direction des autres couches plus externes.

Avantageusement, chaque joint chicané présente une section transversale en forme de demi rond entouré latéralement de part et d’autre d’un méplat de manière à former une chicane à section sensiblement circulaire remplie de béton réfractaire ou d’une masse plastique réfractaire.

Plus précisément, la couche interne d’usure présente, au niveau de sa jonction entre les parois latérales et la paroi de fond, un second joint de dilatation plan de quelques millimètres avec dépouille, ledit joint plan étant rempli d’un ciment réfractaire de type plastique ou coulis.

Selon un autre aspect de la présente invention, la voûte comporte, de l’extérieur vers l’intérieur, une sous-couche externe ultra isolante, une ou plusieurs sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s), une couche de ciment plastique et une couche interne en béton réfractaire formant une couche d’usure.

De manière préférée, la couche interne d’usure est un béton réfractaire titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 38 et 45% dans le cas d’un four électrique et de entre environ 42 et 88% dans le cas d’un four à gaz.

Avantageusement, la couche interne d’usure de la cuve est recouverte d’un ciment plastique anti-scories.

De même, la couche interne d’usure de la voûte est recouverte d’un enduit liquide anti-scories.

Enfin, le garnissage présente au moins une paroi interne suspendue formant barrage pour séparer la cuve en plusieurs volumes distincts formant chacun un bain, par exemple au moins un auget de remplissage, un bassin de fusion/maintien, et un auget de puisage.

Brève description des figures

D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :

la figure 1 est une vue en perspective d’un four de fonderie,

la figure 2 est une vue en perspective d’une partie inférieure d’un garnissage de four de fonderie,

la figure 3 est une vue de dessus de la figure 2,

la figure 4 est une vue en coupe transversale de la figure 3,

la figure 5 est une variante de la figure 4,

la figure 6 est une vue en coupe transversale d’une partie supérieure d’un garnissage de four de fusion.

Les figures 1 à 6 représentent un four de fonderie 1 utilisé par exemple pour la fusion de l’aluminium.

Ce four 1 comporte typiquement une carcasse externe métallique 2 entourant un garnissage interne 5 objet de la présente demande de brevet. Plus précisément, le four 1 comporte deux parois de barrage 6 et 7 définissant entre elles un auget de remplissage 4, un auget de puisage 3 et une cuve centrale de fusion 8.

Ce garnissage interne 5 comporte une partie basse 10, appelée sole, et une partie haute 20, appelée voûte de manière à former une enceinte au moins partiellement close de chauffe du métal.

Comme cela est visible plus en détail sur les figures 3 et 4, les murs latéraux 10a et le fond 10b de la sole 10 comportent chacun, de l’extérieur vers l’intérieur, une sous-couche externe ultra isolante 11, une ou deux sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) 12 et 13 (pour ce qui concerne les murs latéraux 10a), une couche intermédiaire réalisée en mica 15, une sous-couche de sécurité anti-infiltration 16, et une couche interne 17 en béton alumineux dense formant une couche d’usure prévue pour être au contact direct dudit métal liquide fondu.

Avantageusement, une fine couche de feutre 14 est disposée entre la feuille de mica 15 et la sous-couche intermédiaire isolante 13, l’épaisseur de la couche de feutre 14 étant comprise entre quelques dixièmes de millimètres et environ 5 millimètres, et de préférence entre environ 1 et 3 millimètres.

La sous-couche externe ultra-isolante 11 est réalisée en produit micro poreux à base de substances silicatées minérales telles que des silices pyrogénées, combinées à du carbure de silicium. Elle se présente typiquement sous la forme de panneaux rigides et permet d’obtenir une température sur la carcasse métallique externe 2 du four 1 la plus basse possible.

Chaque sous-couche intermédiaire isolante 12 et/ou 13 est constituée soit de panneaux isolants rigide à base de silicate de calcium, de silice/alumine ou de silice/magnésie, soit de briques isolantes à base de terre silico-argileuse et/ou de silicate de calcium de teneur variable selon les températures exigées. Cette/ces couche(s) permet(tent) de réduire les déperditions de température.

La couche de mica 14 + feutre fibre 15 constitue une protection supplémentaire en cas d’infiltration accidentelle de métal liquide.

La sous-couche de sécurité anti-infiltration 16 est une masse sèche alumineuse titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 42 et 80%. Il s’agit d’une couche semi-isolante et anti-infiltration au métal liquide en cas d’une rupture accidentelle de la couche d’usure 17. La teneur en Al₂O₃est définie selon la qualité métallurgique des alliages d’aluminium élaborés par le client.

La couche interne d’usure 17 est par exemple un béton alumineux dense titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 45 et 95% et comportant des additifs de non mouillabilité vis-à-vis des alliages d’aluminium. Cette couche est typiquement réalisée en plusieurs blocs préfabriqués s’imbriquant les uns dans les autres. La teneur en Al₂O₃est définie selon la qualité métallurgique des alliages d’aluminium élaborés par le client, la température de fusion, les contraintes thermomécaniques, et l’érosion chimique et mécanique subie.

La couche interne d’usure 17 de la sole 10 est avantageusement recouverte d’un ciment plastique anti-scories (non référencé), par exemple appliqué en une couche à la truelle. Les enduits ont pour fonction de protéger les surfaces réfractaires des couches d’usures. Ils permettent de faciliter le décrassage des parois du bassin au contact du métal liquide, le décollement des crasses déposées sur la sole, des projections de métal sur les murs hors bain et des projections de particules métalliques sur la voute dû au traitement de dégazage du métal liquide. Ces enduits contiennent des additifs de non mouillabilité permettant de réduire l’adhérence des scories sur la couche d’usure et contribuent à prévenir la formation de corindon et de métallisation des bétons réfractaires. Associé à ce concept de garnissage, ces enduits participent à la longévité du réfractaire.

Comme cela est visible sur les figures 4 et surtout sur la figure 5, la couche interne d’usure 17 de la paroi de fond et/ou des parois latérales est réalisée en plusieurs portions reliées entre elles deux à deux par un joint de dilatation chicané 18 pour réduire/empêcher les infiltrations de métal liquide ou gazeux en direction des autres couches plus externes.

Plus précisément, chaque joint chicané 18 présente une section transversale en forme de demi rond entouré latéralement de part et d’autre d’un méplat de manière à former une chicane à section sensiblement circulaire remplie de béton réfractaire ou d’une masse plastique réfractaire. Grâce à ces joints 18, un espace d’environ 40 à 70 mm est par exemple prévu entre chaque bloc de la couche interne d’usure 17.

La couche interne d’usure 17 présente également, au niveau de sa jonction entre les parois latérales et la paroi de fond, un second joint de dilatation plan 19 de quelques millimètres avec dépouille. Grâce à ces joints 19, un espace de quelques millimètres (environ 1 à 5 et de préférence 2 à 3) est par exemple prévu entre chaque bloc de la couche interne d’usure 17 de la sole 10. En variante, ledit joint plan 19 (appelé également joint d’angle) est rempli d’un ciment réfractaire de type plastique ou coulis de sorte qu’un espace de quelques 5 à 15 millimètres est par exemple prévu entre chaque bloc de la couche interne d’usure 17 de la sole 10.

Comme cela est visible sur la figure 6, la voûte 20 comporte quant à elle, de l’extérieur vers l’intérieur, la carcasse métallique externe 2, une sous-couche externe ultra isolante 21, au moins une sous-couche intermédiaire isolante 22, une couche de ciment plastique 25 et une couche interne en béton réfractaire 27 formant une couche d’usure.

La sous-couche externe ultra-isolante 21 est réalisée en produit micro poreux à base de substances silicatées minérales telles que des silices pyrogénées, combinées à du carbure de silicium. Elle se présente typiquement sous la forme de panneaux rigides et permet d’obtenir une température sur la carcasse métallique externe 2 du four 1 la plus basse possible.

La sous-couche intermédiaire isolante 22 est constituée soit de panneaux isolants rigide à base de silicate de calcium, de silice/alumine ou de silice/magnésie, soit de briques isolantes à base de terre silico-argileuse et/ou de silicate de calcium de teneur variable selon les températures exigées. Cette couche permet de réduire les déperditions de température. Dans le cas de la pose de la brique en dernière couche, un isolant de faible épaisseur peut être placé entre la carcasse métallique du four et la brique.

La couche interne d’usure 27 (qui n’est pas en contact avec le métal liquide) est un béton réfractaire dit « isolant » composé de matière première chamotte légère ou de silicate d’alumine avec une teneur en Fe₂O₃< 1% et titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 38 et 49% dans le cas d’un four électrique, et béton réfractaire dit « dense » titrant une teneur en Al²O³comprise entre environ 42 et 88%dans le cas d’un four à gaz. La teneur en Al₂O₃est définie selon la qualité métallurgique des alliages d’aluminium élaborés par le client. Cette couche est typiquement réalisée en plusieurs blocs préfabriqués s’imbriquant les uns dans les autres tel un kit.

Accessoirement, une sous-couche de sécurité anti-infiltration similaire à la sous couche 16 peut être intercalée entre la couche interne d’usure 27 et la couche intermédiaire isolante 22. Comme pour la sole 10, cette sous couche de sécurité anti-infiltration est une masse sèche alumineuse titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 42 et 80. La teneur en Al₂O₃est définie selon la qualité métallurgique des alliages d’aluminium élaborés par le client.

La couche interne d’usure 27 de la voûte 20 est recouverte d’un enduit liquide anti-scories (non référencé), par exemple appliqué au pinceau ou bien par pulvérisation en plusieurs passes. Les enduits ont pour fonction de protéger les surfaces réfractaires des couches d’usures. Ils permettent de faciliter le décrassage des parois du bassin au contact du métal liquide, le décollement des crasses déposées sur la sole, des projections de métal sur les murs hors bain et des projections de particules métalliques sur la voute dû au traitement de dégazage du métal liquide. Ces enduits contiennent des additifs de non mouillabilité permettant de réduire l’adhérence des scories sur la couche d’usure et contribuent à prévenir la formation de corindon et de métallisation des bétons réfractaires. Associé à ce concept de garnissage, ces enduits participent à la longévité du réfractaire.

Comme pour la cuve 10, un joint chicané 28 emboité dans un ancrage métallique avec une épaisseur de fibre est prévu pour la dilatation entre les blocs préfabriqués de la couche interne d’usure 27.

La couche interne d’usure 27 présente également, au niveau de sa jonction entre les parois latérales et la paroi haute, un second joint de dilatation plan 29 de quelques millimètres avec dépouille, ledit joint plan (appelé également joint d’angle) étant rempli d’un ciment réfractaire de type plastique ou coulis sur les surfaces horizontales et d’un joint fibreux de dilatation d'une épaisseur de 5 à 15 millimètres sur le plan oblique. Grâce à ces joints 29, un espace de quelques millimètres (environ 1 à 5 et de préférence 2 à 3) est par exemple prévu entre chaque bloc de la couche interne d’usure 27 de la voûte 20.

Dans la mesure du possible, l’ordre de montage du garnissage 5 est :
- Pour un four monobloc à voute fixe : La sole > les murs du bain > les barrages > les murs hors bain > la voûte ; et
- Pour un four monobloc à voute mobile : La sole > les murs du bain > les barrages > les murs hors bain d’une part, et, les blocs et les clefs pour la voûte mobile d’autre part.

Le garnissage réfractaire neuf contient de l’humidité apportée par les colles, ciment plastique et eau de gâchage contenu dans les bétons de réalisation des joints. Il est impératif de chasser cette humidité pendant la phase de séchage/montée en température du four au risque de gazer l’aluminium liquide ayant pour conséquence une densité des pièces moulées médiocre et hors spécifications. Des trous de ressuage/dégazage doivent être réalisés sur la carcasse du four afin d’évacuer l’humidité des réfractaires et des dégagements gazeux de ceux-ci lors de la montée en température du four et mise en métal. Sur four à pression atmosphérique, perçage de trous de diamètre 6 à 10 mm sur le pourtour et le fond de la carcasse du four, lesdits trous pouvant rester ouvert ou fermé avec vis/bouchon. Sur four sous pression nécessitant une cuve étanche, perçage de trous de diamètre 6 à 10mm avec vis impératives ou bien « purge » et/ou manchon avec bouchon fileté étanche.

Méthode de garnissage et influence sur les caractéristiques mécaniques. Dans l’Art Antérieur, comme cela a été indiqué, la méthode par coulage/vibration des produits non façonnés nécessite la réalisation d’un coffrage pour le coulage des bétons. Pour la réalisation de la sous-couche isolante de sécurité et de la voûte, le coulage sous coffrage du béton isolant apporte entre 15 à 45% d’eau de gâchage. Enfin, pour la réalisation de la couche d’usure en béton dense, le coulage sous coffrage apporte de 5 à 10% d’eau de gâchage.

Conformément à la présente invention la couche d’usure est réalisée à l’aide de blocs de béton préformés et pré séchés sans apport d’eau. La sous-couche isolante de sécurité est réalisée par une masse sèche, sans apport d’eau. Seuls les joints entre blocs de la couche d’usure 17/27 sont réalisés par un béton avec apport d’eau en très faible quantité pour sa mise en œuvre.

La mise en œuvre d’un garnissage réfractaire par coulage/vibration sous coffrage, (Art Antérieur) se traduit par une teneur globale en eau de gâchage de l’ordre de 10 à 13% suivi d’un séchage du four à réaliser pour une durée de l’ordre de 8 jours environ avant la mise en métal.

Au contraire, le garnissage conforme à la présente invention est livré avec une teneur en eau de gâchage de l’ordre de 0.3 à 1% maximum, suivi d’une montée en température de 3 jours avant mise en métal.

L’ensemble des bétons sont coulés dans des moules, lesquels sont positionné sur table vibrante pour la densification. Pour cela, on préconise l’utilisation de moules en qualité PSE dans le cas d’un usage unitaire, ou des boites métalliques démontables avec insert PU pour l’obtention de formes complexes dans le cas d’un usage permanent. La majorité des blocs sont coulés à plat permettant une grande surface de remplissage et de dégazage permettant ainsi de viser une teneur minimale en eau de gâchage. Le fond du moule défini dans la mesure du possible la face du bloc au contact du métal liquide. On obtient ainsi un état de surface sans bullage, très lisse avec une fermeture de la porosité optimale, de sorte que les spécifications des conditions de mise en œuvre des bétons sont respectées. Une fois démoulé, on pratique si besoin un ébavurage des blocs avant leur stockage.

Les conditions de mise en œuvre de ces deux modes de réalisation font apparaître de grosses différences quant aux résultats des caractéristiques mécaniques des bétons.

Ainsi, dans l’Art Antérieur, une teneur en eau élevée, une densification par vibration non homogène, le sens de coulage et l’aspect de surface sont des facteurs influents sur la baisse des caractéristiques mécaniques et la porosité des bétons.

Au contraire, la méthode de coulage selon la présente invention réunit les facteurs favorables nécessaire pour obtenir les caractéristiques mécaniques optimales spécifiées dans les fiches techniques par la maitrise des points suivants :
- Faible teneur en eau ;
- Densification par vibration générale ;
- Environnement matériel de chantier moulage (malaxeur, transfert béton, température d’ambiance) ;
- Qualité des moules et aspect de surface sans bullage ;
- Dimensionnelle rigoureux ; et
- Contrôle qualité des blocs avant séchage.

Mode de séchage et influence sur les caractéristiques mécaniques et les fissures.

Le séchage est une phase importante pour le développement des caractéristiques mécaniques des bétons réfractaires.

Dans l’Art Antérieur, les bétons constituants le garnissage complet du four sont séchés par les moyens de chauffe du four ou bien par un équipement thermique indépendant, généralement un bruleur air/gaz. La couche d’usure du béton est séchée par une face. Ce premier séchage est primordial pour l’évacuation de l’eau de gâchage et la « cuisson » du béton qui subira une phase de transformation se traduisant par une variation dimensionnelle engendrant la formation de fissures lors de la phase de refroidissement du four. Ce phénomène est d’autant plus marqué si des reprises de joints secs ne sont pas réalisées lors de la confection de la couche d’usure. Les formations de fissures peuvent avoir des conséquences d’infiltrations de métal liquide dans les sous couches isolantes lors des premières heures après la mise en métal. Cela peut en arriver à une percée de métal à travers la structure métallique et/ou des points chauds. Le séchage d’un four complet ne permet pas le contrôle des caractéristiques mécaniques du béton. Même si une éprouvette était coulée à part, elle ne serait pas représentative des conditions de mise en œuvre réelles. Ce premier cycle de séchage est impératif pour stabiliser le dimensionnel de la couche d’usure en béton.

Au contraire, conformément à la présente invention, les blocs moulés en béton du garnissage réfractaire sont séchés dans une étuve bruleur air/gaz avec excès d’air de dilution. Dans ces conditions, les blocs sont étuvés sur toutes les faces ce qui permet une très bonne homogénéité de température de séchage. La « post-variation dimensionnelle » des blocs s’effectue sans contraintes lors de la cuisson. L’eau du béton s’évacue par toutes les faces du bloc. Un contrôle des blocs est réalisé après refroidissement en étuve afin d’observer d’éventuelles fissures et de fabriquer de nouveau des blocs le cas échéant. Avec un étuvage à des températures finales de 450°c à 600°c, il est garanti qu’il n’y a plus aucune trace d’eau de gâchage et constitution dans les blocs. Des éprouvettes de contrôle laboratoire, réalisées lors de la coulée du béton et séchées en étuve, sont quant à elles représentatives des blocs de bétons finalement utilisés. Un contrôle visuel de l’aspect des blocs est effectué afin de ne déceler aucune fissure ou de casse.

Les conditions de séchage de ces deux modes de séchage sont totalement différentes.

Ainsi, dans l’Art Antérieur, le four est immobilisé durant tout le cycle de séchage, le contrôle (éprouvette) des caractéristiques mécaniques du garnissage est non représentatifs, l’eau contenue dans les bétons migre dans les sous-couches isolantes et des fissures peuvent apparaître suite à l’influence de la « post variation dimensionnelle » des bétons qui s’effectue lors du séchage.

Au contraire, selon la présente invention, tous les facteurs favorables à l’obtention de caractéristiques mécaniques optimales spécifiées dans les fiches techniques sont rassemblés, avec comme avantages une immobilisation réduite du four pour la montée en température, aucun apport d’eau par les blocs dans les sous-couches isolantes, aucune apparition de fissures car le dimensionnel des blocs est stable, les joints des blocs remplissent la fonction des retraits lors du refroidissement du four, et les caractéristiques mécaniques des blocs de bétons sont optimales.

Humidité : son influence lors de la mise en métal du four et du début de sa production.

Dans l’Art Antérieur, durant la phase de montée en température, une grande partie de l’eau de gâchage des bétons de la couche d’usure (de 4.5 à 8% D’H₂O) et de la sous-couche de sécurité (de 30 à 45% d’H₂O) migrent dans les sous-couches isolantes. Les colles utilisées pour le collage des panneaux isolants et des briques ont une influence beaucoup moindre. Les produits isolants jouent un rôle « absorbeur » de l’eau qu’il est primordial d’évacuer. La définition de la courbe de séchage doit tenir compte de la globalité de la conception du garnissage du four pour évacuer l’eau contenu dans les bétons et les isolants. Une courbe définissant un temps de séchage trop court ou bien des montés en température trop rapides, peut avoir en conséquence des éclatements des bétons denses à faible porosité dans la phase de sublimation de l’eau de constitution. La complexité est l’élimination de l’eau dans ces isolants dont la température définie par le gradient thermique est insuffisante pour son élimination totale dès les premiers jours de production. Cette présence d’eau est parfois néfaste sur le comportement de certains produits isolants, notamment sur les panneaux microporeux à haut pouvoir isolant qui perdent leurs caractéristiques mécaniques à la compression. Cette perte à la compression favorise l’affaissement de la couche d’usure sous le poids du béton et du métal liquide. C’est un risque majeur d’infiltration de métal liquide voir une percée du four. Cette présence d’humidité provoque un gazage de l’aluminium liquide lors de la première mise en métal et reste un facteur influent sur la non qualité métallurgique du métal pendant quelque jour voir des semaines pour des fours à pression atmosphérique et parfois des mois dans le cas des fours de coulé/maintien Basse-Pression. Pour arriver à des résultats convaincants d’un minimum de gazage métal, il faut recourir à des moyens de puissance de chauffe supplémentaire tels qu’un équipement thermique mobile.

Au contraire, conformément à la présente invention, l’ensemble des blocs constituant le garnissage n’apporte pas d’eau. Les traces d’humidité proviennent des colles et de la faible quantité de béton mis en œuvre pour le coulage des joints. La quantité d’eau apportée est dérisoire eu égard au volume global des blocs béton. Sans présence d’eau dans les blocs béton, le calcul thermique permet l’application plus poussée des panneaux ultra-isolants du type microporeux pour une meilleure isolation du four. De même, la sous couche de sécurité est réalisée par une masse sèche qui n’apporte aucune humidité et prévient de toute infiltration de métal liquide en cas de rupture accidentelle de la couche d’usure du bain métal liquide. La courbe de montée en température est définie pour le séchage des joints, de l’évacuation de l’humidité contenu dans les sous-couches isolante à travers les trous de ressuage de la structure métallique du four. Dans le respect des consignes de montée en température, il n’y a aucun risque d’éclatement de béton dense pour une durée de l’ordre de 72 heures environ. Lors de la mise en métal d’un four maintien/coulée Basse-Pression, les pulsions d’azote permettent d’évacuer à travers les trous de ressuage de chasser l’humidité résiduelle contenue dans les sous-couches isolantes. Ainsi, après contrôle du gazage métal, le four peut commencer à produire après avoir refermé les trous de ressuage.

La comparaison des conditions de mise en métal et de début de production des fours fait ressortir des différences importantes.

En effet, les avantages de la présente invention par rapport à la méthode de garnissage coulé/vibré sous coffrage de l’Art Antérieur sont notamment une immobilisation beaucoup moins importante du four lors de la montée en température jusqu’à la mise en métal (144 heures ramené à 72 heures), un taux et temps de dégazage du métal réduit à 24 heures (maximum 72 heures) pour la production de pièces moulés non gazées, aucun risque d’incident d’éclatement de la couche d’usure avant et après la mise en métal, aucune fissuration des blocs de la couche d’usure lors de la mise en métal du four et une prévention optimale d’infiltration de métal liquide dans les sous couches isolantes.

Déperdition thermique : son influence en production :

L’étude thermique définissant la conception et choix des produits pour un garnissage réfractaire dépend du mode de mise en œuvre de ces derniers.

Dans l’Art Antérieur, l’étude doit tenir compte de la présence de l’eau contenue dans les bétons. La migration de l’eau durant le cycle de séchage dans les sous-couches isolantes peut être néfaste sur certains produits isolants, comme par exemple les panneaux microporeux. Ceux-ci perdent leur résistance mécanique à la compression. Dans ce cas, les panneaux microporeux ne peuvent pas être utilisés en forte épaisseur. Pour ce type de garnissage, l’étude thermique doit tenir compte de la température du solidus de l’aluminium afin qu’il se fige dans les sous-couches ou bien stopper par une couche de sécurité réalisée généralement avec un béton isolant. Ce dernier possède une porosité ouverte importante et un retrait à chaud important. Ce type de garnissage coulé/vibré sous coffrage limite donc les possibilités d’une isolation poussée.

Au contraire, conformément à la présente invention, l’étude thermique ne présente qu’une infime partie d’humidité apportée par les joints et colles. Cela permet l’application de tout type de gamme de produits isolants réfractaires dans des conditions optimales. Le garnissage présente ainsi une isolation poussée qui nécessite une sous-couche de sécurité sans faille. Celle-ci est constituée d’une masse sèche à prise céramique et densifiée par vibration. Selon le procédé et impératif du client, des blocs constituant le garnissage peuvent être réalisés en béton isolant spécifique au contact de l’aluminium liquide. Ces blocs sont utilisés pour l’auget de puisage de four de maintien/coulé atmosphérique. Cette isolation réduit les déperditions calorifiques et ainsi la température de chauffe sur la surface du bain. Des baisses moyennes de 25% de consommation électrique ont été relevées en phase industrielle sur four de coulé/maintien aluminium Basse-Pression.

La comparaison des déperditions thermiques marque une différence notable entre ces deux méthodes.

Les avantages de la présente invention par rapport à la méthode de garnissage coulée/vibrée sous coffrage de l’Art Antérieur sont notamment :
- De moindres déperditions thermiques ;
- Une baisse des consommations énergétiques ;
- Un équilibre thermique du four plus homogène ;
- Un apport de métal avec une surchauffe moindre de l’aluminium liquide ;
- Une réduction de l’oxydation du bain d’aluminium ; et
- Une réduction/suppression de la formation de corindon selon la qualité métallurgique des alliages d’aluminium.

Incidence sur le décrassage du four : opération en cours de production.

De manière connue, les scories formées à la suite de l’oxydation des alliages d’aluminium, des traitements métallurgiques par des flux, des corrections des analyses chimiques, du dégazage du métal et des traitements diverses, surnagent sur le bain liquide et adhèrent sur les parois de la couche d’usure. Des opérations manuelles régulières de décrassage du bain à l’aide de racloirs sont nécessaire pour maintenir la qualité métallurgique du métal et de l’entretien des réfractaires du four.

L’étude thermique et le mode de garnissage utilisé entre celui conforme à l’invention et la méthode coulée/vibrée sous coffrage de l’Art Antérieur se conclue par des comportements bien différents face notamment aux opérations de décrassage à chaud du bain métal et de la couche d’usure au contact du métal liquide.

Ainsi, le garnissage conforme à l’invention permet un décrassage plus aisé du bain car la couche d’usure présente un état de surface et une porosité fermée du béton bien supérieure à la méthode coulée/vibrée sous coffrage. En effet, sur ce dernier, l’adhérence des scories et la métallisation des réfractaires sont plus fréquents. L’isolation plus performante du garnissage selon la présente invention favorise moins l’adhérence des scories sur les parois car la température d’interface métal/parois béton est plus élevée par rapport à la méthode de l’Art Antérieur. Afin d’améliorer encore les conditions de décrassage, un ciment plastique « anti-scories » est appliqué sur l’ensemble de la couche d’usure du garnissage de l’invention avant la mise en chauffe du four. Il est impossible de réaliser un ciment plastique « anti-scorie » sur une réfection complète d’un garnissage coulé/vibré sous coffrage non séché, car ce dernier cloquerait par le dégagement de l’humidité sous phase vapeur des bétons lors de la phase séchage.

Incidence sur l’entretien des réfractaires pour four vidangé et froid.

Un entretien régulier du garnissage réfractaire est effectué notamment lors des arrêts des congés d’été. Contrairement à la méthode coulée/vibrée sous coffrage de l’Art Antérieur, le garnissage conforme à la présente invention présente des avantages concernant l’entretien des réfractaires, à savoir :
- Décrassage aisé à la suite d’une faible métallisation des bétons et de la bonne tenue des ciments plastiques « anti-scories » ;
- Dégagement aisé de la plaque d’aluminium figée sur la sole par un profil du bassin adapté et surtout une métallisation réduite des blocs réfractaires ;
- Réduction de la formation de corindon ;
- Pas de fissures de retrait sur les blocs ;
- Possibilité et maitrise du remplacement le cas échéant d’un ou de plusieurs bloc(s) réfractaire(s) par des blocs neufs ; et
- Redémarrage rapide du four en production avec une montée en température de 24 heures et un taux de gazage réduit au démarrage du four en production.

Mise en chauffe du four sur ligne de production.

La montée en température du four comportant le garnissage interne selon la présente invention permet le séchage des joints entre blocs, des enduits «anti-scories» et des colles des panneaux isolants. Cette opération est très importante car toute l’eau et humidité contenues dans les produits réfractaires doivent être parfaitement évacué afin d’éviter une reprise d’humidité par l’aluminium liquide, causant un défaut métallurgique appelé «gazage métal». La méthodologie doit être parfaitement respectée selon une courbe de montée en température définie.

Pour le garnissage conforme à la présente invention, la durée de la courbe de montée en température est de l’ordre de 72 heures, avec des trous de ressuage débouchant.

Avec la solution de la présente invention, le four est fonctionnel bien plus rapidement que dans l’Art Antérieur. La montée en température est par exemple effectuée avec le système de chauffe du four (brûleurs à gaz ou résistances électriques). La chauffe peut être réalisée aussi avec un brûleur d’appoint à gaz du type « générateur d’air chaud ». Ce type d’équipement est recommandé pour l’obtention d’une homogénéité optimale des températures dans l’enceinte du four dès les basses températures. Dans ce cas, en fin de palier de la courbe de séchage, le système de chauffe du four prend le relai du chauffage de l’équipement thermique avant ou après la mise en métal (apport de l’aluminium liquide). Des sondes de pyrométrie peuvent être prévues pour le pilotage de la chauffe et la surveillance de la température, par exemple une sonde de température four pour piloter la chauffe (sonde en voûte définissant le point le plus chaud), accompagnée éventuellement d’une sonde à proximité de la sonde pilote, d’une sonde sur la sole du bain, d’une sonde sur la sole de l’auget de remplissage et d’une sonde sur la sole de l’auget de puisage.

Pour obtenir encore plus de précision dans les relevés des températures des réfractaires, il est possible d’ajouter des sondes d’interfaces dans les parois réfractaires, par exemple une sonde d’interface réfractaire couche d’usure/sous-couche sécurité, une sonde d’interface sous-couche sécurité/sous-couche isolant (panneaux ou briques isolantes), une sonde d’interface sous-couche panneaux ou briques isolantes/panneaux ultra isolants, et une sonde d’interface panneaux ultra-isolants/carcasse métallique four.

Ce jeu des sondes d’interfaces est à placer dans les murs du bassin central qui représente le point le plus chaud du métal dans la cuve. Un deuxième jeu est recommandé dans les murs de l’auget de puisage, lieu où la sonde régule la température de consigne du bain métal. L’ensemble des températures sont enregistrées en automatique ou bien notifiées régulièrement selon une fréquence déterminée.

La Courbe de montée en température d’une durée minimale de 72 heures comporte différents paliers de température selon une durée déterminée en fonction de l’épaisseur de la couche d’usure du réfractaire. La température du palier final est de 900°C afin d’optimiser (par le décalage du gradient thermique) l’évacuation de l’humidité résiduelle emprisonnée dans les sous couches isolantes à proximité de la structure métallique du four.

De manière plus générale, les conditions de mise en œuvre de ces modes de conception et de fabrication font apparaître de grosses différences quant aux résultats des caractéristiques mécaniques des bétons.

Les nombreux avantages de la conception et de la fabrication du garnissage interne selon la présente invention sont donc les suivants :
- Très faible teneur en eau (éliminée lors de la première montée en température décrite précédemment) ;
- Réduction du phénomène de formation de corindon ;
- Isolation thermique plus poussée ;
- Réduction des énergies de chauffe du four ;
- Réduction de la métallisation des réfractaires ;
- Optimisation de la performance des propriétés des réfractaires en face chaude et au contact du métal liquide ;
- Amélioration du décrassage à chaud ;
- Amélioration du décrassage à froid ;
- Qualité améliorée des moules ;
- Aspect de surface sans bullage ;
- Fiabilité dimensionnelle du profil réfractaire ; et
- Réalisation de profil réfractaire complexe.

Il doit être bien entendu que la description détaillée de l’objet de l'Invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.

Claims

Garnissage réfractaire (5) pour revêtement interne d’une carcasse métallique externe (2) d’un four (1) de fonderie, par exemple pour la fonte d’alliages d’aluminium ou de métaux non ferreux, comprenant une voûte (20) surplombant une cuve (10) munie d’une paroi (10b) de fond/sole et de parois latérales/murs (10a), les parois (10a ; 10b) de ladite cuve (10) comportant au moins, de l’extérieur vers l’intérieur, une sous-couche externe ultra isolante (11), une ou plusieurs sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (12 ; 13), et une couche interne en béton alumineux dense (17) formant une couche d’usure prévue pour être au contact direct dudit métal liquide fondu,caractérisé en ce queles parois (10a ; 10b) de ladite cuve (10) comporte en outre, entre la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (12 ; 13) et la couche interne de béton alumineux dense (17), au moins une parmi une sous-couche de sécurité anti-infiltration (16) et une couche intermédiaire (15) réalisée en mica.
Garnissage selon la revendication 1,caractérisé en ce queles parois de la cuve (10) comporte :
- une couche de sécurité anti-infiltration (16) disposée entre la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (12 ; 13) et la couche interne de béton alumineux dense (17), et
- une feuille de mica (15) disposée entre ladite couche de sécurité anti-infiltration (16) et la/les sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (12 ; 13).
Garnissage (5) selon la revendication 2,caractérisé en ce qu’unecouche de feutre (14) est disposée entre la feuille de mica (15) et la sous-couche intermédiaire isolante (12 ; 13).
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela sous-couche externe ultra-isolante (11) est réalisée en produit micro poreux à base de substances silicatées minérales telles que des silices pyrogénées, combinées à du carbure de silicium, et se présente par exemple sous la forme de panneaux rigides.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (17) est un béton alumineux dense titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 45 et 95%.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (17) est un béton avec des additifs de non mouillabilité vis-à-vis des alliages d’aluminium.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela sous-couche de sécurité anti-infiltration (16) est une masse sèche alumineuse titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 42 et 80%.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quechaque sous-couche intermédiaire isolante (12 ; 13) est constituée :
- soit de panneaux isolants rigide à base de silicate de calcium, de silice/alumine ou de silice/magnésie,
- soit de briques isolantes à base de terre silico-argileuse et/ou de silicate de calcium.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (17) de la paroi de fond (10b) et/ou des parois latérales (10a) est réalisée en plusieurs portions reliées entre elles deux à deux par un joint de dilatation chicané (18) pour réduire/empêcher les infiltrations de métal liquide ou gazeux en direction des autres couches plus externes.
Garnissage (5) selon la revendication 9,caractérisé en ce quechaque joint chicané (18) présente une section transversale en forme de demi rond entouré latéralement de part et d’autre d’un méplat de manière à former une chicane à section sensiblement circulaire remplie de béton réfractaire ou d’une masse plastique réfractaire.
Garnissage (5) selon la revendication 9 ou 10,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (17) présente, au niveau de sa jonction entre les parois latérales (10a) et la paroi de fond (10b), un second joint de dilatation plan (19) de quelques millimètres avec dépouille, ledit joint plan étant rempli d’un ciment réfractaire de type plastique ou coulis.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela voûte (20) comporte, de l’extérieur vers l’intérieur, une sous-couche externe ultra isolante (21), une ou plusieurs sous-couche(s) intermédiaire(s) isolante(s) (22), une couche de ciment plastique (25) et une couche interne (27) en béton réfractaire formant une couche d’usure.
Garnissage (5) selon la revendication 12,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (27) est un béton réfractaire titrant une teneur en Al₂O₃comprise entre environ 38 et 45% dans le cas d’un four électrique et entre environ 42 et 88% dans le cas d’un four à gaz.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (17) de la cuve (10) est recouverte d’un ciment plastique anti-scories.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce quela couche interne d’usure (27) de la voûte (20) est recouverte d’un enduit liquide anti-scories.
Garnissage (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce qu’ilprésente au moins une paroi interne suspendue (6 ; 7) formant barrage pour séparer la cuve en plusieurs volumes distincts formant chacun un bain, par exemple au moins un auget de remplissage (4), un bassin de fusion/maintien (8), et un auget de puisage (3).