WO2014020522A1 - Particule frittee a base d'alumine - Google Patents

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Emmanuel Nonnet
Bing Liu
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Saint-Gobain Centre De Recherches Et D'etudes Europeen
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Definitions

  • the present invention relates to novel sintered particles based on alumina, especially in the form of beads, to a process for producing these beads, and to the use of these particles as grinding agents, dispersing agents in a humid environment or for the treatment of surfaces.
  • the mineral or mining industry uses particles for the fine grinding of materials that may have been dry-milled by conventional methods, in particular for the fine grinding of calcium carbonate, titanium oxide, gypsum, kaolin and ore. containing metals in form generally combined (oxides, sulfides, silicates ...), processes that may also involve prior purification methods, for example by flotation.
  • the paints, inks, dyes, magnetic lakes and agrochemicals industries also use particles for the dispersion and homogenization of liquid and solid constituents.
  • the surface treatment industry finally uses particles, especially for cleaning metal molds (for making bottles for example), deburring parts, descaling, preparing a support for a coating, the treatment of pre-constraints ("shot peening") or the forming of parts (“peen forming”) ...
  • All these particles are conventionally substantially spherical and of a size of 0.005 to 10 mm in order to serve all the markets described above. For them to be used in these three types of applications, they must in particular have good resistance to wear.
  • ⁇ Rounded sand such as OTTAWA sand
  • OTTAWA sand is a natural, inexpensive product that is not suitable for modern, pressurized, high-volume mills. Indeed, the sand is not very resistant, of low density, variable in quality and abrasive for the material.
  • Glass beads widely used, have better strength, lower abrasiveness and availability in a wider range of diameters.
  • the metal balls, especially steel have a low inertia vis-à-vis the treated products, resulting in particular pollution of mineral fillers, a graying of paints, a disruption of the separation / purification by flotation, and too much density high requiring special grinders. They involve in particular a high energy consumption, a significant heating and a high mechanical stress of the equipment.
  • Ceramic balls are also known. These beads have better strength than glass beads, higher density and excellent chemical inertness.
  • ⁇ melted ceramic beads generally obtained by melting ceramic components, forming spherical drops from the melt, then solidifying said drops, and
  • ⁇ sintered ceramic beads generally obtained by cold forming of a ceramic powder, and consolidation by baking at high temperature.
  • the melted particles usually comprise a very abundant intergranular glassy phase which fills a network of crystallized grains.
  • the problems encountered in their respective applications by the sintered particles and the melted particles, and the technical solutions adopted to solve them, are therefore generally different.
  • a composition developed to manufacture a melted particle is not a priori usable as such to manufacture a sintered particle, and vice versa.
  • WO2005 / 075375 discloses grinding balls comprising mullite, stabilized zirconia and alumina, made from a mixture of raw materials which may comprise zircon.
  • the grinding particles In order to increase the yield of grinding operations, that is to say the amount of ground material for a given cost, the grinding particles must be more and more resistant to wear.
  • An object of the invention is to respond, at least partially, to this need.
  • the invention relates to a sintered particle, preferably in the form of a bead, made from a feedstock containing 4% to 25% zircon, in weight percent based on the mass of the dry feedstock.
  • said sintered particle having:
  • the particles according to the invention are thus particularly well suited to wet dispersion, micromilling and surface treatment applications.
  • a sintered particle according to the invention may also have one or more of the following optional features, according to all possible combinations:
  • the CaO content is greater than (4.55 - 0.05.AI 2 O 3 (%))% if 79% ⁇ Al 2 0 3 ⁇ 85% (in other words, the CaO content is greater than 4, 55% minus 0.05 times the mass content of Al 2 0 3 , in percentage if said mass content of Al 2 O 3 is greater than 79% and less than or equal to 85%);
  • the sintered particle has more than 0.1% Y 2 0 3 ;
  • the content of Y 2 0 3 is greater than 0.5%, or even greater than 0.9%, and / or less than 3.0%, preferably less than 2.0%, or even less than 1, 5%, in percentages by mass;
  • the sintered particle has more than 0.1% Ce0 2 ;
  • the CeO 2 content is greater than 0.7%, preferably greater than 1.5%, and / or less than 3.0%, or even less than 2.5%, in percentages by weight;
  • the content of "other constituents" other than Y 2 0 3 and CeO 2 is less than 3.0%, preferably less than 2.5%, preferably less than 2.0%, or even less than 1.5%; in percentages by mass;
  • the oxides of a sintered particle according to the invention represent more than 95%, preferably more than 97%, preferably more than 99%, or even more than 99.5%, even substantially 100% of the total mass of said sintered particle, the 100% complement being preferably impurities;
  • the mullite is created during sintering, i.e., not present in the feedstock;
  • the content of "other crystalline phases”, as a percentage by mass on the basis of the total amount of crystallized phases, is less than 4%, or even less than 3%, or even less than 2%;
  • the "other crystallized phases" are, for more than 90%, more than 95%, or even substantially 100% by weight, zircon ZrSiO 4 and / or anorthite and / or quartz and / or cristobalite and / or tridymite;
  • the mass quantity of amorphous phase that is to say glassy, in percentage by mass relative to the mass of the particle, is less than 20%, less than 15%, less than 10%, or even less than 7% or even less than 5%;
  • the total porosity is less than 4.5%, or even less than 4%, or even less than 3%, or even less than 2%;
  • the sintered particle has a size less than 10 mm and / or greater than 0.005 mm; the sintered particle is a ball;
  • the sintered particle has a sphericity greater than 0.7, preferably greater than 0.8, preferably greater than 0.85, or even greater than 0.9;
  • the density of the sintered particle is greater than 3.60 g / cm 3 , or even greater than 3.70 g / cm 3 , or even greater than 3.80 g / cm 3 , or even greater than 3.85 g / cm 3 or even greater than 3.90 g / cm 3 and / or less than 4.20 g / cm 3 , or even less than 4.10 g / cm 3 .
  • the feedstock contains 15% to 25% zircon, as a weight percentage based on the mass of the dry feedstock, and the sintered particle has:
  • a sintered particle according to the invention also comprises one, and preferably several, of the following optional characteristics:
  • the feedstock contains 20% to 25% zircon, as a weight percentage based on the mass of the dry feedstock;
  • the Al 2 O 3 content is greater than 72% and / or less than or equal to 79%, less than
  • the content of Zr0 2 + Hf0 2 is greater than 15% and / or less than 17%, in percentages by mass;
  • the SiO 2 content is greater than 6%, preferably greater than or equal to 7% and / or less than 8.5%, in percentages by weight;
  • the CaO content is greater than 0.7% and / or less than 1.8%, preferably less than 1.5%, preferably less than 1.3%, preferably less than 1.1%, in percentages in mass;
  • the content of corundum (Al 2 O 3 phase), in percentage by mass on the basis of the total amount of crystallized phases is greater than 68%, preferably greater than 70% and / or less than or equal to 84%, less than 82%, preferably less than 80%, preferably less than 78%;
  • phase Zr0 2 zirconia + hafnia
  • Hf0 2 phase hafnia
  • the mullite content is greater than 5%, preferably greater than 7%, preferably greater than 8%, and / or less than 14%, preferably less than 12%, preferably less than 1 1%.
  • the feedstock contains 4% to 15% zircon, as a weight percentage based on the mass of the dry feedstock, and the sintered particle has:
  • a sintered particle according to the invention also comprises one, and preferably several, of the following optional characteristics:
  • the feedstock contains 5% to 15% zircon
  • the content of Al 2 O 3 is greater than 87%, preferably greater than 89% and / or less than or equal to 93%, or less than 91%, in percentages by weight;
  • the content of Zr0 2 + Hf0 2 is greater than 5% and / or less than 10%, preferably less than 8%, in percentages by mass;
  • the SiO 2 content is less than 4%, preferably less than 3%, in percentages by mass;
  • the CaO content is greater than 0.5%, preferably greater than 0.7% and / or less than 1.8%, preferably less than 1.5%, preferably less than 1.3%, preferably less than 1, 1%, in percentages by weight;
  • the content of corundum (Al 2 O 3 phase), in percentage by weight on the basis of the total amount of crystallized phases is greater than 88% and / or less than or equal to 96%, less than 94%, preferably less than 92%;
  • the total content of zirconia (Zr0 2 phase) and hafnium (HfO 2 phase), optionally stabilized, as a percentage by mass on the basis of the total amount of crystallized phases is greater than 4% and / or less than 12%, preferably less than 10%, or even less than 7%;
  • the mullite content is less than 4%, preferably less than 2%, preferably substantially zero;
  • the invention also relates to a particle powder comprising more than 90%, preferably more than 95%, preferably substantially 100%, in percentages by weight, of particles according to the invention.
  • the invention also relates to a process for producing sintered particles according to the invention, in particular sintered balls, comprising the following successive stages: a) if necessary, grinding one or more raw material powders, preferably by co-milling, so that their mixture, in step c), leads to a particulate mixture having a median size of less than 0.6 ⁇ ,
  • step g) preparing a starting charge from said particulate mixture, optionally dried, the composition of the feedstock being adapted so as to obtain, after step g), sintered particles having a composition that complies with to that of a sintered particle according to the invention, said starting charge comprising from 4% to 25% of zircon particles, in weight percentage on the basis of the mass of the dry initial charge, d) shaping of the starting charge in the form of raw particles, e) optionally, washing,
  • the feedstock may contain less than 15%, less than 10%, less than 5%, less than 2%, or substantially no mullite, as a weight percentage based on the dry feedstock.
  • part or all of the mullite may be formed during sintering.
  • the invention finally relates to the use of a powder of particles, in particular beads, according to the invention, in particular manufactured according to a process according to the invention, as grinding agents; dispersants in a humid environment; propping agents, in particular to prevent the closure of deep geological fractures created in the walls of an extraction well, in particular of oil; heat exchange agents, for example for fluidized bed; or for the treatment of surfaces.
  • Powder means a solid product individualized in a powder.
  • a sintered particle is "developed from a feedstock” when it results from sintering a raw particle obtained by shaping this feedstock.
  • - Sintering is termed the consolidation by thermal treatment at more than 1100 ° C of a green particle (granular agglomerate), possibly with a partial or total melting of some of its constituents (but not of all its constituents, so that the green particle is not transformed into a liquid mass).
  • ball means a particle having a sphericity, that is to say a ratio between its smallest diameter and its largest diameter, greater than 0.6, whatever the way in which this sphericity has been obtained.
  • the "size" of a ball (or particle) is the average of its largest dimension dM and its smallest dimension dm: (dM + dm) / 2.
  • the "median size" of a powder of particles generally denoted D 50 , the size dividing the particles of this powder into first and second populations equal in mass, these first and second populations comprising only particles having a larger size. , or lower respectively, at the median size.
  • the median size can for example be evaluated using a laser granulometer.
  • Solid ball or more broadly “sintered particle”, means a solid ball (or particle) obtained by sintering a green particle.
  • Impurities means the inevitable constituents necessarily introduced with the raw materials.
  • the compounds forming part of the group of oxides, nitrides, oxynitrides, carbides, oxycarbides, carbonitrides and metallic species of sodium and other alkalis, iron, vanadium and chromium may be impurities.
  • impurities By way of examples, mention may be made of Fe 2 O 3 , TiO 2 or Na 2 O.
  • the residual carbon is one of the impurities of the composition of the particles according to the invention.
  • precursor of an oxide is meant a constituent capable of supplying said oxide during the manufacture of a particle according to the invention.
  • Zr0 2 the terms “Zr0 2 ", “Hf0 2 “ and “Al 2 0 3 “ are used to designate the contents of these oxides in the composition, and “zirconia”, “hafnia” and “corundum” for designate crystallized phases of these oxides consisting of Zr0 2, Hf0 2 and Al 2 0 3 , respectively. These oxides may however also be present in other phases, in particular in the form of zircon (ZrSiO 4 ), or mullite. All percentages for chemical compositions are percentages by mass based on the mass of the particle unless otherwise indicated.
  • the raw material powders can be milled individually or, preferably, coarsened, if their mixture in suitable proportions to prepare the feedstock, in step c), does not lead to a mixture particle having a median size of less than 0.6 ⁇ .
  • This grinding can be wet grinding.
  • grinding or co-grinding is performed so that the median size of said particulate mixture is less than 0.5 ⁇ , preferably less than 0.4 ⁇ .
  • the powders used in particular zircon powders ZrSiO 4 , alumina Al 2 O 3 , CaCO 3 , a glass containing CaO, preferably a silica glass containing CaO, a calcium feldspar, Y 2 O 3 , CeO 2 , aluminosilicate such as clay, Zr0 2 , and mullite each have a median size less than 5 ⁇ , or even less than 3 ⁇ , less than 1 ⁇ , less than 0,7 ⁇ , preferably less than 0.6 ⁇ , preferably less than 0.5 ⁇ , or even less than 0.4 ⁇ .
  • step a) is optional.
  • the zircon powder used has a specific surface before grinding, calculated by the BET method, greater than 5 m 2 / g, preferably greater than 8 m 2 / g, preferably greater than 10 m 2 / g, and or less than 30 m 2 / g.
  • grinding in step a), generally in suspension, is facilitated.
  • the alumina powder used has a median size of less than 7 ⁇ , preferably less than 6 ⁇ , or even less than 3 ⁇ , or even less than 2 ⁇ , or even less than 1 ⁇ , or even less than 0,5 ⁇ .
  • the formation of mullite from said alumina powder and the silica present in the particulate mixture or created during step g) is facilitated, as well as the sintering in step g).
  • optional ground powder raw materials are dried, for example in an oven or spray, especially if they were obtained by wet milling.
  • the temperature and / or the duration of the drying step are adapted so that the residual moisture of the raw material powders is less than 2%, or even less than 1, 5%.
  • the powders obtained can be disaggregated.
  • a starting charge is prepared at ambient temperature, comprising powders of ZrSiO 4 , Al 2 O 3 , and optionally CaCO 3 and / or a glass containing CaO, preferably a glass silica containing CaO and / or calcium feldspar and / or Y 2 0 3 and / or aluminosilicate and / or Zr0 2 and / or mullite.
  • These powders may also be replaced, at least partially, by powders of precursors of these oxides, introduced in equivalent amounts.
  • zircon and / or mullite of a particle according to the invention may result from the presence, in the starting charge, of these crystallized phases.
  • the powders supplying the oxides or precursors are preferably chosen so that, in the sintered particles, the total content of constituents other than Zr0 2 , Hf0 2 , Si0 2 , Al 2 0 3 and CaO is less than 5%, mass percentage.
  • the feedstock contains a zircon powder, i.e., ZrSiO 4 particles, in an amount greater than or equal to 4%, preferably greater than 5% and less than 25%, by mass based on the mass of the dry starting charge.
  • the feedstock contains a zircon powder in an amount greater than or equal to 15%, preferably greater than 20% and less than 25%, based on the mass of the feedstock. dried.
  • the feedstock contains a zircon powder in an amount greater than or equal to 4%, preferably greater than 5% and less than or equal to 15%, based on the mass of the feedstock. dry start.
  • the feedstock contains an alumina powder, that is to say particles of phase Al 2 O 3 , in an amount greater than or equal to 70% and preferably less than 94%, by mass on the base of the mass of the dry starting load.
  • said alumina powder is a reactive alumina powder and / or a calcined alumina powder and / or a transition alumina powder.
  • said alumina powder is a reactive alumina powder.
  • the feedstock preferably contains an alumina powder in an amount greater than 72%, preferably greater than 74% and less than or equal to 79%, preferably less than 77%, on the base of the mass of the dry starting load.
  • the feedstock preferably contains an alumina powder in an amount greater than 85%, preferably greater than 87% and preferably less than or equal to 93%, based on the mass of the feedstock dried.
  • the feedstock can contain a CaO-containing powder, preferably selected from CaCO 3 , a CaO-containing glass, preferably a CaO-containing silica glass, a calcium feldspar, in an amount adapted so that the CaO content in the sintered particles is in accordance with the invention.
  • a CaO-containing powder preferably selected from CaCO 3
  • a CaO-containing glass preferably a CaO-containing silica glass, a calcium feldspar
  • the feedstock may not contain powder comprising CaO, said oxide being for example provided by the electrolyte of a gelling bath which reacts with a gelling agent introduced into the feedstock, said electrolyte possibly being, for example, calcium salt solution.
  • the starting charge may comprise less than 7%, less than 5%, less than 2% of zirconia, that is to say Zr0 2 particles, in percentage by weight on the basis of the crystallized phases, or even not in include. Part of the zirconia or all zirconia can indeed come from the dissociation of zircon during sintering of step g).
  • the feedstock may comprise less than 10%, less than 5% of mullite, as a weight percentage based on the crystallized phases, or even not contain mullite.
  • Part of the mullite, or even all the mullite, can be generated in situ during the sintering of step g), preferably from alumina and the silica originating from the dissociation of ZrSiO 4 zircon Zr0 2 zirconia and silica Si0 2 .
  • the feedstock can comprise a powder of Y 2 O 3 particles in an amount of greater than 0.1%, preferably greater than 0.5%, or even greater than 0.9%, and / or less than 3%, of preferably less than 2%, or even less than 1.5% by weight based on the mass of the dry feedstock.
  • the feedstock may comprise a powder of CeO 2 particles in an amount of greater than 0.1%, preferably greater than 0.7%, preferably greater than 1.5%, and / or less than 3%, or less than 2.5%, by mass based on the mass of the dry feedstock.
  • the feedstock can comprise a powder of aluminosilicate particles, preferably a clay powder, in an amount of greater than 1%, preferably greater than 1.5% and preferably less than 3%.
  • the feedstock can comprise a silica powder, that is to say particles of SiO 2 , in an amount preferably greater than 0.5%, preferably greater than 1%, and / or less than 5% preferably less than 3% by weight based on the mass of the dry starting material.
  • a silica powder that is to say particles of SiO 2 , in an amount preferably greater than 0.5%, preferably greater than 1%, and / or less than 5% preferably less than 3% by weight based on the mass of the dry starting material.
  • no raw material other than those supplying ZrO 2 + HfO 2 , SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO and optionally Y 2 O 3 and / or CeO 2 , and their precursors is deliberately introduced into the feedstock, the other constituents present being impurities.
  • the feedstock may further comprise a solvent, preferably water, the amount of which is adapted to the shaping method of step d).
  • the feedstock is suitable for the shaping process of step d).
  • the shaping may in particular result from a gelling process.
  • a solvent preferably water, is added to the feedstock so as to effect a suspension.
  • the suspension preferably has a solids content by mass of between 50% and 70%.
  • the suspension may further comprise one or more of the following constituents:
  • a dispersant in a proportion of 0 to 10%, as a percentage by weight on the basis of the dry matter
  • a surface tension modifier at a rate of 0 to 3%, as a percentage by weight on the basis of the dry matter
  • gelling agent at a rate of 0 to 2%, as a weight percentage on the basis of the dry matter.
  • Dispersants, surface tension modifiers and gelling agents are well known to those skilled in the art. It is the same electrolytes adapted to react with a specific gelling agent.
  • dispersants the family of sodium or ammonium polymethacrylates, the family of sodium or ammonium polyacrylates, the family of polyacylic acids (sodium or ammonium salts), or other polyelectrolytes, the family of citrates, for example ammonium, the family of sodium phosphates, and the family of esters of carbonic acid;
  • organic solvents such as aliphatic alcohols
  • gelling agents natural polysaccharides, forming insoluble compounds in contact with divalent cation electrolytes, such as, for example, the Ca 2+ ion.
  • the oxide and / or precursor powders are preferably added to a mixture of water and dispersants / deflocculants in a ball mill. After stirring, water is added in which a gelling agent has previously been dissolved so as to obtain a suspension.
  • thermoplastic polymers or thermosetting polymers can be added to the feedstock.
  • step d any conventional shaping process used for the production of sintered particles, in particular sintered beads, can be implemented.
  • granulation processes for example using kneaders, granulators, fluidized bed granulators, or granulation disks,
  • drops of the suspension described above are obtained by flowing the suspension through a calibrated orifice.
  • the drops leaving the orifice fall into a bath of a gelling solution (electrolyte adapted to react with the gelling agent) where they harden after recovering a substantially spherical shape.
  • step e) the green particles obtained in the previous step are washed, for example with water.
  • step f) the green particles, possibly washed, are dried, for example in an oven.
  • step g) the green particles, possibly washed and / or dried, are sintered.
  • the sintering is carried out under air, preferably in an electric oven, preferably at atmospheric pressure.
  • Sintering in step g) is carried out at a temperature greater than 1450 ° C., preferably greater than 1475 ° C., preferably greater than 1480 ° C., preferably greater than 1490 ° C. and less than 1600 ° C. preferably below 1550 ° C, preferably below 1520 ° C.
  • a sintering temperature of 1500 ° C is well suited.
  • a sintering temperature of less than 1450 ° C. does not make it possible to obtain a particle having a total porosity less than or equal to 5%.
  • the sintering time is between 2 and 5 hours.
  • a sintering time of 4 hours is well suited.
  • the sintered particles obtained are preferably in the form of beads having a smaller diameter of between 0.005 mm and 10 mm.
  • the CaO content in the product obtained at the end of step g) can in particular be adjusted by the concentration of gelling agent in the starting feedstock in step c) and / or by the residence time of the particle. formed in the electrolyte in step d) and / or by the duration of the washing of the particles in step e).
  • to reduce the amount of corundum in the sintered particle decrease the amount of corundum in the feedstock and / or increase the sintering temperature; to increase the amount of zirconia in the sintered particle: to increase the amount of zirconia in the feedstock and / or to increase the amount of zircon in the feedstock;
  • to increase the amount of mullite in the sintered particle increase the amount of mullite in the feedstock and / or increase the amount of zircon and / or increase the sintering temperature to promote mullite formation in situ;
  • the sintered particles according to the invention are particularly well suited as grinding agents or as dispersing agents in a wet medium, as well as for the treatment of surfaces.
  • the invention therefore also relates to the use of a plurality of particles, in particular beads according to the invention, especially manufactured according to a process according to the invention, as grinding agents, or dispersing agents in a humid medium.
  • the wear resistance of the particles according to the invention is all the more remarkable that it is obtained thanks to the use of raw materials, in particular zircon, which makes it possible to reduce the cost.
  • the properties of the particles according to the invention in particular their mechanical strength, their density and their ease of production, may make them suitable for other applications, especially as proppants or heat exchange agents. or for the treatment of surfaces (by spraying the particles according to the invention in particular).
  • the invention therefore also relates to a device selected from a suspension, a grinder, a surface treatment apparatus and a heat exchanger, said device comprising a particle powder according to the invention.
  • the contents of the bowl are then washed on a sieve of 100 ⁇ so as to remove the residual silicon carbide and tearing material due to wear during grinding. After sieving through a sieve of 100 ⁇ , the beads are oven-dried at 100 ° C. for 3 h and then weighed (mass ⁇ ). Said beads (mass mi) are again introduced into one of the bowls with a suspension of SiC (same concentration and quantity as above) and undergo a new grinding cycle, identical to the previous one. The contents of the bowl are then washed on a sieve of 100 ⁇ so as to remove the residual silicon carbide and tearing material due to wear during grinding. After sieving through a sieve of 100 ⁇ , the beads are oven-dried at 100 ° C.
  • the planetary wear (UP) is expressed in percentage (%) and is equal to the mass loss of the balls reduced to the initial mass of the balls, ie: 100 (m 0 -m 3 ) / (m 0 ); the UP result is given in Table 1.
  • a planetary wear resistance at least equivalent to that of Example 1 for the particles according to the invention having an Al 2 O 3 content greater than 79%.
  • the crystallized phases present in the sintered particles according to the invention are measured by X-ray diffraction, for example by means of a device of the X'Pert PRO diffractometer type from the company Panalytical provided with a copper DX tube.
  • the acquisition of the diffraction pattern is carried out from this equipment, on an angular range 2 ⁇ between 5 ° and 80 °, with a pitch of 0.017 °, and a counting time of 60s / step.
  • the front optics have a fixed 1/4 ° programmable divergence slot, 0.04 rad Soller slots, a 10mm mask, and a 1/2 ° anti diffusion slot.
  • the sample is rotating on itself in order to limit the preferential orientations.
  • the rear optics include a fixed 1/4 ° programmable anti-diffusion slot, 0.04 rad Soller slots and a Ni filter.
  • the processing of the obtained diagram is carried out with High Score Plus software by Rietveld refinement, the mullite sheet being that of Al 4.5 Sii , 5 0 9 , 74 described in "Crystal structure and compressibility of 3: 2 mullite", Balzar and AL, American Mineralogist; December 1993; v. 78; no. 1-12; p. 1 192-1 196.
  • the various parameters are refined in order to minimize the value "R Bragg".
  • the amount of amorphous phase present in the sintered particles according to the invention is measured by X-ray diffraction, for example by means of a device of the X'Pert PRO diffractometer type from the company Panalytical provided with a copper DX tube.
  • the acquisition of the diffraction pattern is carried out from this equipment, in the same way as for the determination of the crystallized phases present in the particles.
  • the method applied consists in the addition of a known quantity of a totally crystallized standard, in this case zinc oxide, ZnO in a mass quantity equal to 20%, on the basis of the oxide mass zinc and sintered particle sample according to the invention.
  • the total porosity, in% is evaluated by the following formula:
  • dbiiies the density on unmilled balls obtained using a helium pycnometer (AccuPyc 1330 from Micromeritics®), according to a method based on the measurement of the displaced gas volume (in this case helium), and
  • - milled dynes is the powder density obtained from ball milling using an Aurec brand annular dry mill for 40 seconds followed by sieving to keep only the powder passing through a 160 m sieve .
  • Sintered beads were prepared from a zircon powder, having a specific surface area of the order of 8 m 2 / g and a median size equal to 1.5 ⁇ , of a powder of alumina of equal purity. at 99.5% and median size less than 5 ⁇ , and, depending on the examples made, a clay powder having a median size of less than 53 ⁇ , having a loss on ignition at 1000 ° C. of between 10 % and 15% and having a total SiO 2 + Al 2 0 3 content greater than 82%, a Y 2 O 3 powder, a rare earth oxide purity of greater than 99.9% and a lower median size at 10 ⁇ , and a Ce0 2 powder with purity greater than 99.5% and median size less than 10 ⁇ .
  • a feedstock consisting of an aqueous suspension comprising, in percentages by weight on the basis of the dry matter, 1% of a carboxylic acid dispersant, 0.6% of a sodium phosphate dispersant and 0, 4% of a gelling agent, namely a polysaccharide of the family of alginates, was then prepared from this particulate mixture.
  • a ball mill was used for this preparation in order to obtain a good homogeneity of the starting charge: A solution containing the gelling agent was first formed. Successively the particulate mixture and dispersants were added to water. The solution containing the gelling agent was then added. The mixture thus obtained was stirred for 8 hours.
  • the size of the particles was controlled by sedigraphy using a sedigraph Sedigraph 5100 marketed by the company Micromeritics ® (median size ⁇ 0.4 ⁇ " ⁇ ), and water was added in a determined quantity to obtain a 66% aqueous suspension in dry matter and a viscosity, measured by the Brookfield viscometer using the mobile LV3 at a speed equal to 20 rpm, less than 5000 centipoise. The pH of the suspension was then about 8 .
  • the suspension was forced through a calibrated hole and at a flow rate to obtain after sintering beads of about 1.2 mm to 1.4 mm.
  • the suspension drops fell into an electrolyte-based gelling bath (divalent cation salt Ca 2+ ), reacting with the gelling agent.
  • the green beads were collected, washed, and then dried at 80 ° C to remove moisture.
  • the beads were then transferred to a sintering furnace where they were heated at a rate of 100 ° C / hr to the desired sintering temperature. At the end of a 4 hour stage at the temperature Tf, the temperature decrease was carried out by natural cooling.
  • the reference beads of the example “Ref. 1 ", outside the invention, are sintered beads commonly used in grinding applications.
  • the products according to examples 1, 2, 3, 4, 1 1 and 13, excluding the invention, which have a wear resistance UP% degraded relative to the product according to reference 1 contain 0.2%, 0.35%, 0.37%, 0.5%, 3.59% and 2.27% CaO, respectively.
  • the products according to Examples 5, 6, 7 and 8 which have improved wear resistance UP% relative to the product according to reference 1 contain 0.74%, 0.85%, 1.02% and 1.7%. % CaO, respectively.
  • Example 17 apart from the invention, illustrates that if the total porosity reaches 8.7%, the wear resistance UP% is significantly degraded compared to the product of reference 1.
  • Example 10 apart from the invention, shows that a zirconia + hafnia content of 23% degrades the wear resistance UP% by 36% compared to the product of reference 1. This product also illustrates the interest of a minimum mullite content for alumina contents of less than 79%.
  • the products according to Examples 5, 6 and 7 illustrate that for an Al 2 O 3 content equal to 73%, 73.1% and 72.8%, respectively, and a CaO content equal to 0.74% , 0.85% and 1.02%, respectively, a mullite content equal to 10% or 1 1% significantly increases the wear resistance UP% compared to the product of reference 1.
  • a comparison of the products of Examples 9 and 5 illustrates that the wear resistance UP% reaches a maximum value for a mullite content equal to 11%, for products having an Al 2 O 3 content equal to 73%. , 1% and 73%, respectively.
  • the product according to Example 12, apart from the invention, has a mullite content equal to 17% and a wear resistance UP% degraded by 26% relative to the product of reference 1.

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Abstract

Particule frittée élaborée à partir d'une charge de départ contenant 4%à 25%de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, et présentant: -la composition chimique suivante, en pourcentages en masse et pour un total de 100% : 70% ≤ Al2 O3,Al2 O3 constituant le complément à 100%; 3% ≤ ZrO2 +HfO2 ≤ 18%, avec HfO2 ≤ 1%;1 % ≤ SiO2 ≤ 10%; 0,3% ≤ CaO ≤2%, avec CaO ≥ 0,6% si Al2 O3 ≤ 79%; moins de5%d'autres constituants, et -les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base des phases cristallisées présentes: 65% ≤ corindon; le corindon constituant le complément à 100%; 3%≤ zircone + hafnie, éventuellement stabilisés ≤ 21%; mullite ≤ 16%; moins de 5% d'autres phases cristallisées, et -une porosité totale inférieure ou égale à 5%.

Description

Particule frittée à base d'alumine
Domaine technique
La présente invention se rapporte à de nouvelles particules frittées à base d'alumine, notamment sous forme de billes, à un procédé de fabrication de ces billes, et à l'utilisation de ces particules en tant qu'agents de broyage, agents de dispersion en milieu humide ou pour le traitement de surfaces.
Etat de la technique
L'industrie minérale ou minière met en œuvre des particules pour le broyage fin de matières éventuellement prébroyées à sec par des procédés traditionnels, notamment pour le broyage fin de carbonate de calcium, d'oxyde de titane, de gypse, de kaolin et de minerai contenant des métaux sous forme généralement combinées (oxydes, sulfures, silicates...), procédés qui peuvent également faire intervenir au préalable des méthodes de purification, par exemple par flottation.
Les industries des peintures, encres, colorants, laques magnétiques, composés agrochimiques utilisent par ailleurs des particules pour la dispersion et l'homogénéisation de constituants liquides et solides.
L'industrie du traitement de surfaces a enfin recours à des particules, notamment pour des opérations de nettoyage de moules métalliques (pour la fabrication de bouteilles par exemple), l'ébavurage de pièces, le décalaminage, la préparation d'un support en vue d'un revêtement, le traitement de pré-contraintes (« shot peening ») ou le conformage de pièces (« peen forming ») ...
Toutes ces particules sont classiquement sensiblement sphériques et d'une taille de 0,005 à 10 mm afin de servir l'ensemble des marchés décrits ci-dessus. Pour qu'elles puissent être utilisées dans ces trois types d'applications, elles doivent notamment présenter une bonne résistance à l'usure.
Notamment dans le domaine du microbroyage, on trouve sur le marché les différents types de particules suivants, en particulier sous la forme de billes :
■ Le sable à grains arrondis, comme le sable d'OTTAWA par exemple, est un produit naturel et bon marché, mais inadapté aux broyeurs modernes, pressurisés et à fort débit. En effet, le sable est peu résistant, de faible densité, variable en qualité et abrasif pour le matériel.
■ Les billes de verre, largement utilisées, présentent une meilleure résistance, une plus faible abrasivité et une disponibilité dans une gamme de diamètres plus large. ■ Les billes métalliques, notamment en acier, présentent une faible inertie vis-à-vis des produits traités, entraînant notamment une pollution des charges minérales, un grisaillement des peintures, une perturbation des étapes de séparation/purification par flottation, et une densité trop élevée nécessitant des broyeurs spéciaux. Elles impliquent notamment une forte consommation d'énergie, un échauffement important et une sollicitation mécanique élevée du matériel.
On connaît également des billes en matière céramique. Ces billes ont une meilleure résistance que les billes de verre, une densité plus élevée et une excellente inertie chimique.
On peut distinguer :
■ les billes céramiques fondues, généralement obtenues par fusion de composants céramiques, formation de gouttes sphériques à partir de la matière en fusion, puis solidification desdites gouttes, et
■ les billes céramiques frittées, généralement obtenues par un façonnage à froid d'une poudre céramique, puis une consolidation par cuisson à haute température.
A la différence des particules frittées, les particules fondues comportent le plus souvent une phase vitreuse intergranulaire très abondante qui vient remplir un réseau de grains cristallisés. Les problèmes rencontrés dans leurs applications respectives par les particules frittées et par les particules fondues, et les solutions techniques adoptées pour les résoudre, sont donc généralement différents. Par ailleurs, du fait des différences importantes entre les procédés de fabrication, une composition mise au point pour fabriquer une particule fondue n'est pas a priori utilisable telle quelle pour fabriquer une particule frittée, et réciproquement.
WO2005/075375 divulgue des billes de broyage comportant de la mullite, de la zircone stabilisée et de l'alumine, fabriquées à partir d'un mélange de matières premières pouvant comporter du zircon.
Afin d'augmenter le rendement des opérations de broyage, c'est-à-dire la quantité de broyât pour un coût déterminé, les particules de broyage doivent être de plus en plus résistantes à l'usure.
Un but de l'invention est de répondre, au moins partiellement, à ce besoin. Résumé de l'invention
L'invention concerne une particule frittée, de préférence sous forme d'une bille, élaborée à partir d'une charge de départ contenant 4 % à 25 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, ladite particule frittée présentant :
la composition chimique suivante, en pourcentages en masse :
70 % < Al203, AI2O3 constituant le complément à 100 % ; 3 % < Zr02+Hf02 < 18 %, avec Hf02 < 1 % ;
1 % < SiO2 < 10 % ;
0,3 % < CaO < 2 %, avec CaO≥ 0,6 % si Al203≤ 79 % ;
moins de 5 % d'autres constituants, et
- les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées :
65 % < corindon; le corindon constituant le complément à 100 % ;
3 % < zircone + hafnie, éventuellement stabilisés < 21 % ;
mullite < 16 % ;
moins de 5 % d'autres phases cristallisées, et
- une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, les inventeurs ont découvert, de façon inattendue, que cette combinaison de caractéristiques améliore les propriétés de résistance à l'usure.
Les particules selon l'invention, notamment les billes, sont ainsi particulièrement bien adaptées à des applications de dispersion en milieu humide, de microbroyage et de traitement de surfaces.
Une particule frittée selon l'invention peut encore présenter une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, suivant toutes les combinaisons possibles :
- la teneur en CaO est supérieure à (4,55 - 0,05.AI2O3(%)) % si 79 % < Al203≤ 85 % (autrement dit, la teneur en CaO est supérieure à 4,55 % moins 0,05 fois la teneur massique en Al203, en pourcentage si ladite teneur massique en Al203 est supérieure à 79 % et inférieure ou égale à 85 %) ;
la particule frittée comporte plus de 0,1 % de Y203 ; De préférence, la teneur en Y203 est supérieure à 0,5 %, voire supérieure à 0,9 %, et/ou inférieure à 3,0 %, de préférence inférieure à 2,0 %, voire inférieure à 1 ,5 %, en pourcentages en masse ;
la particule frittée comporte plus de 0,1 % de Ce02 ; De préférence, la teneur en Ce02 est supérieure à 0,7 %, de préférence supérieure à 1 ,5 %, et/ou inférieure à 3,0 %, voire inférieure à 2,5 %, en pourcentages en masse ;
- la teneur en « autres constituants » autres que Y203 et Ce02 est inférieure à 3,0 %, de préférence inférieure à 2,5 %, de préférence inférieure à 2,0 %, voire inférieure à 1 ,5 %, en pourcentages en masse ;
les « autres constituants » autres que Y203 et Ce02 sont des impuretés ;
les oxydes d'une particule frittée selon l'invention représentent plus de 95%, de préférence plus de 97%, de préférence plus de 99 %, voire plus de 99,5 %, voire sensiblement 100 % de la masse totale de ladite particule frittée, le complément à 100% étant de préférence constitué d'impuretés ;
au moins une partie, voire la totalité de la mullite est créée lors du frittage, c'est-à-dire n'était pas présente dans la charge de départ ;
- la teneur en « autres phases cristallisées », en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées, est inférieure à 4 %, voire inférieure à 3 %, voire inférieure à 2 % ;
de préférence, les « autres phases cristallisées » sont, pour plus de 90%, plus de 95%, voire sensiblement 100% en masse, le zircon ZrSi04 et/ou l'anorthite et/ou le quartz et/ou la cristobalite et/ou la tridymite ;
la quantité massique de phase amorphe, c'est-à-dire vitreuse, en pourcentage en masse par rapport à la masse de la particule, est inférieure à 20 %, inférieure à 15 %, inférieure à 10 %, voire inférieure à 7 %, voire inférieure à 5 % ;
la porosité totale est inférieure à 4,5 %, voire inférieure à 4 %, voire inférieure à 3 %, voire inférieure à 2 % ;
la particule frittée présente une taille inférieure à 10 mm et/ou supérieure à 0,005 mm ; la particule frittée est une bille ;
la particule frittée présente une sphéricité supérieure à 0,7, de préférence supérieure à 0,8, de préférence supérieure à 0,85, voire supérieure à 0,9 ;
- la densité de la particule frittée est supérieure à 3,60 g/cm3, voire supérieure à 3,70 g/cm3, voire supérieure à 3,80 g/cm3, voire supérieure à 3,85 g/cm3, voire supérieure à 3,90 g/cm3 et/ou inférieure à 4,20 g/cm3, voire inférieure à 4,10 g/cm3.
Les caractéristiques optionnelles ci-dessus peuvent être, le cas échéant, appliquées aux premier et deuxième modes de réalisation particuliers décrits ci-dessous.
Dans un premier mode de réalisation particulier, la charge de départ contient 15 % à 25 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, et la particule frittée présente :
la composition chimique suivante, en pourcentages en masse:
70 % < Al203, AI2O3 constituant le complément à 100 % ;
13 % < Zr02+Hf02 < 18 %, avec Hf02 < 1 % ;
5 % < Si02 < 9 % ;
0,6 % < CaO < 2 % ;
moins de 5 % d'autres constituants, et
- les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées :
65 % < corindon; le corindon constituant le complément à 100 % ; 10 % < zircone + hafnie, éventuellement stabilisés : < 21 % ;
4 % < mullite < 16 % ;
moins de 5 % d'autres phases cristallisées, et
- une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
De préférence, dans ce premier mode de réalisation particulier, une particule frittée selon l'invention comporte encore une, et de préférence plusieurs, des caractéristiques optionnelles suivantes :
la charge de départ contient 20 % à 25 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche ;
la teneur en Al203 est supérieure à 72 % et/ou inférieure ou égale à 79%, inférieure à
78 %, de préférence inférieure à 76 %, de préférence inférieure à 75 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en Zr02 +Hf02 est supérieure à 15 % et/ou inférieure à 17 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en Si02 est supérieure à 6 %, de préférence supérieure ou égale à 7 % et/ou inférieure à 8,5 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en CaO est supérieure à 0,7 % et/ou inférieure à 1 ,8 %, de préférence inférieure à 1 ,5 %, de préférence inférieure à 1 ,3 %, de préférence inférieure à 1 ,1 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en corindon (phase Al203), en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées est supérieure à 68 %, de préférence supérieure à 70 % et/ou inférieure ou égale à 84%, inférieure à 82 %, de préférence inférieure à 80 %, de préférence inférieure à 78 % ;
- la teneur en zircone (phase Zr02) + hafnie (phase Hf02), éventuellement stabilisés, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées, est supérieure à 1 1 %, voire supérieure à 12 % et/ou inférieure à 19 %, voire inférieure à 17 % ;
la teneur en mullite, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées, est supérieure à 5 %, de préférence supérieure à 7 %, de préférence supérieure à 8 %, et/ou inférieure à 14 %, de préférence inférieure à 12 %, de préférence inférieure à 1 1 %.
Dans un deuxième mode de réalisation particulier, la charge de départ contient 4 % à 15 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, et la particule frittée présente :
la composition chimique suivante, en pourcentages en masse: 85 % < Al203, AI2O3 constituant le complément à 100 % ;
3 % < Zr02+Hf02 < 13 %, avec Hf02 < 1 % ;
1 % < Si02 < 6 % ;
0,3 % < CaO < 2 %,
moins de 5 % d'autres constituants, et
- les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées :
86 % < corindon; le corindon constituant le complément à 100 % ;
3 % < zircone + hafnie, éventuellement stabilisés : < 14 % ;
mullite < 6 % ;
moins de 5 % d'autres phases cristallisées, et
- une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
De préférence, dans ce deuxième mode de réalisation, une particule frittée selon l'invention comporte encore une, et de préférence plusieurs, des caractéristiques optionnelles suivantes :
la charge de départ contient 5 % à 15 % de zircon ;
la teneur en Al203 est supérieure à 87 %, de préférence supérieure à 89 % et/ou inférieure ou égale à 93%, ou inférieure à 91 %, en pourcentages en masse ;
- la teneur en Zr02 +Hf02 est supérieure à 5 % et/ou inférieure à 10 %, de préférence inférieure à 8 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en Si02 est inférieure à 4 %, de préférence inférieure à 3 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en CaO est supérieure à 0,5 %, de préférence supérieure à 0,7 % et/ou inférieure à 1 ,8 %, de préférence inférieure à 1 ,5 %, de préférence inférieure à 1 ,3 %, de préférence inférieure à 1 ,1 %, en pourcentages en masse ;
la teneur en corindon (phase Al203), en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées est supérieure à 88 % et/ou inférieure ou égale à 96%, inférieure à 94 %, de préférence inférieure à 92 % ;
- la teneur totale en zircone (phase Zr02) et hafnie (phase Hf02), éventuellement stabilisés, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées est supérieure à 4 % et/ou inférieure à 12 %, de préférence inférieure à 10 %, voire inférieure à 7 % ;
la teneur en mullite, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées, est inférieure à 4 %, de préférence inférieure à 2 %, de préférence sensiblement nulle ; L'invention concerne également une poudre de particules comprenant plus de 90 %, de préférence plus de 95 %, de préférence sensiblement 100 %, en pourcentages en masse, de particules selon l'invention.
L'invention concerne également un procédé de fabrication de particules frittées selon l'invention, notamment de billes frittées, comprenant les étapes successives suivantes : a) si nécessaire, broyage d'une ou de plusieurs poudres de matières premières, de préférence par cobroyage, de manière que leur mélange, à l'étape c), conduise à un mélange particulaire présentant une taille médiane inférieure à 0,6 μηη,
b) optionnellement, séchage dudit mélange particulaire,
c) préparation d'une charge de départ à partir dudit mélange particulaire, optionnellement séché, la composition de la charge de départ étant adaptée de manière à obtenir, à l'issue de l'étape g), des particules frittées présentant une composition conforme à celle d'une particule frittée selon l'invention, ladite charge de départ comportant de 4% à 25% de particules de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, d) mise en forme de la charge de départ sous la forme de particules crues, e) optionnellement, lavage,
f) optionnellement, séchage,
g) frittage à une température de frittage supérieure à 1450°C et inférieure à 1600°C de manière à obtenir des particules frittées.
La charge de départ peut contenir moins de 15%, moins de 10%, moins de 5%, moins de 2%, voire sensiblement pas de mullite, en pourcentage massique sur la base de la charge de départ sèche. Dans le premier mode de réalisation particulier, une partie, voire la totalité de la mullite peut être formée lors du frittage.
L'invention concerne enfin l'utilisation d'une poudre de particules, notamment de billes, selon l'invention, en particulier fabriquées suivant un procédé selon l'invention, en tant qu'agents de broyage ; agents de dispersion en milieu humide ; agents de soutènement, en anglais « propping agents », notamment pour empêcher la fermeture des fractures géologiques profondes créées dans les parois d'un puits d'extraction, en particulier de pétrole ; agents d'échange thermique, par exemple pour lit fluidisé ; ou pour le traitement de surfaces.
Définitions
- Par « particule », on entend un produit solide individualisé dans une poudre.
- Une particule frittée est « élaborée à partir d'une charge de départ » lorsqu'elle résulte d'un frittage d'une particule crue obtenue par mise en forme de cette charge de départ. - On appelle « frittage » la consolidation par traitement thermique à plus de 1 100°C d'une particule crue (agglomérat granulaire), avec éventuellement une fusion, partielle ou totale, de certains de ses constituants (mais pas de tous ses constituants, de sorte que la particule crue n'est pas transformée en une masse liquide).
- Par « bille », on entend une particule présentant une sphéricité, c'est-à-dire un rapport entre son plus petit diamètre et son plus grand diamètre, supérieure à 0,6, quelle que soit la façon par laquelle cette sphéricité a été obtenue.
- On appelle « taille » d'une bille (ou d'une particule) la moyenne de sa plus grande dimension dM et de sa plus petite dimension dm : (dM+dm)/2.
- On appelle « taille médiane » d'une poudre de particules, généralement notée D50, la taille divisant les particules de cette poudre en première et deuxième populations égales en masse, ces première et deuxième populations ne comportant que des particules présentant une taille supérieure, ou inférieure respectivement, à la taille médiane. La taille médiane peut par exemple être évaluée à l'aide d'un granulomètre laser.
- Par « bille frittée », ou plus largement « particule frittée », on entend une bille (ou particule) solide obtenue par frittage d'une particule crue.
- Par « impuretés », on entend les constituants inévitables, introduits nécessairement avec les matières premières. En particulier, les composés faisant partie du groupe des oxydes, nitrures, oxynitrures, carbures, oxycarbures, carbonitrures et espèces métalliques de sodium et autres alcalins, fer, vanadium et chrome peuvent être des impuretés. A titre d'exemples, on peut citer Fe203, Ti02 ou Na20. Le carbone résiduel fait partie des impuretés de la composition des particules selon l'invention.
- Lorsqu'il est fait référence à Zr02 ou à (Zr02+Hf02), il y a lieu de comprendre Zr02 et des traces de Hf02. En effet, un peu de Hf02, chimiquement indissociable du Zr02 et présentant des propriétés semblables, est toujours naturellement présent dans les sources de Zr02 à des teneurs généralement inférieures à 3 %, en pourcentage massique sur la base de Zr02+Hf02. L'oxyde d'hafnium n'est pas considéré comme une impureté.
- Par « précurseur » d'un oxyde, on entend un constituant apte à fournir ledit oxyde lors de la fabrication d'une particule selon l'invention.
Dans un souci de clarté, on utilise les termes « Zr02 », « Hf02 » et « Al203 » pour désigner les teneurs de ces oxydes dans la composition, et « zircone », « hafnie » et « corindon » pour désigner des phases cristallisées de ces oxydes constituées de Zr02, de Hf02 et de Al203, respectivement. Ces oxydes peuvent cependant être également présents sous d'autres phases, en particulier sous forme de zircon (ZrSi04), ou de mullite. Tous les pourcentages relatifs aux compositions chimiques sont des pourcentages en masse sur la base de la masse de la particule, sauf indication contraire.
Tous les pourcentages relatifs aux phases cristallisées sont des pourcentages en masse sur la base de la masse totale des phases cristallisées présentes dans la particule, sauf indication contraire.
Par « contenant un », « comprenant un » ou « comportant un », on entend « comportant au moins un », sauf indication contraire.
Description détaillée
Pour fabriquer des particules frittées selon l'invention, on peut procéder suivant les étapes a) à g) décrites ci-dessus et détaillées ci-dessous.
A l'étape a), les poudres de matières premières peuvent être broyées individuellement ou, de préférence, cobroyées, si leur mélange dans des proportions adaptées pour préparer la charge de départ, à l'étape c), ne conduit pas à un mélange particulaire présentant une taille médiane inférieure à 0,6 μηη. Ce broyage peut être un broyage humide.
De préférence, un broyage ou un cobroyage est effectué de manière que la taille médiane dudit mélange particulaire soit inférieure à 0,5 μηη, de préférence inférieure à 0,4 μηη.
De préférence, les poudres utilisées, notamment les poudres de zircon ZrSi04, d'alumine Al203, de CaC03, d'un verre contenant CaO, de préférence un verre de silice contenant CaO, d'un feldspath calcique, de Y2O3, de Ce02, d'aluminosilicate comme une argile, de Zr02, et de mullite présentent chacune une taille médiane inférieure à 5 μηη, voire inférieure à 3 μηη, inférieure à 1 μηη, inférieure à 0,7 μηη, de préférence inférieure à 0,6 μηη, de préférence inférieure à 0,5 μηη, voire inférieure à 0,4 μηη. Avantageusement, lorsque que chacune de ces poudres présente une taille médiane inférieure à 0,6 μηη, de préférence inférieure à 0,5 μηη, voire inférieure à 0,4 μηη, l'étape a) est optionnelle.
De préférence, la poudre de zircon utilisée présente une aire spécifique avant broyage, calculée par la méthode BET, supérieure à 5 m2/g, de préférence supérieure à 8 m2/g, de préférence supérieure à 10 m2/g, et/ou inférieure à 30 m2/g. Avantageusement, le broyage à l'étape a), généralement en suspension, en est facilité.
De préférence, la poudre d'alumine utilisée présente une taille médiane inférieure à 7 μηη, de préférence inférieure à 6 μηη, voire inférieure à 3 μηη, voire inférieure à 2 μηη, voire inférieure à 1 μηη, voire inférieure à 0,5 μηη. Avantageusement, la formation de mullite à partir de ladite poudre d'alumine et de la silice présente dans le mélange particulaire ou créée lors de l'étape g) en est facilitée, ainsi que le frittage à l'étape g). A l'étape b), optionnelle, les poudres de matières premières broyées sont séchées, par exemple en étuve ou par atomisation, en particulier si elles ont été obtenues par broyage humide. De préférence, la température et/ou la durée de l'étape de séchage sont adaptées de manière à ce que l'humidité résiduelle des poudres de matières premières soit inférieure à 2 %, voire inférieure à 1 ,5 %. Les poudres obtenues peuvent être désagglomérées.
A l'étape c), on prépare à température ambiante une charge de départ, comportant des poudres de ZrSi04, d'AI203, et optionnellement de CaC03 et/ou d'un verre contenant CaO, de préférence un verre de silice contenant CaO et/ou d'un feldspath calcique et/ou d'Y203 et/ou d'aluminosilicate et/ou de Zr02 et/ou de mullite.
Ces poudres peuvent également être remplacées, au moins partiellement, par des poudres de précurseurs de ces oxydes, introduits dans des quantités équivalentes.
En particulier, une partie, voire la totalité du zircon et/ou de la mullite d'une particule selon l'invention peuvent résulter de la présence, dans la charge de départ, de ces phases cristallisées.
Les poudres apportant les oxydes ou les précurseurs sont de préférence choisies de manière que, dans les particules frittées, la teneur totale en constituants autres que Zr02, Hf02, Si02, Al203 et CaO soit inférieure à 5 %, en pourcentage massique.
La charge de départ contient une poudre de zircon, c'est-à-dire de particules de ZrSi04, dans une quantité supérieure ou égale à 4 %, de préférence supérieure à 5 % et inférieure à 25 %, en masse sur la base de la masse de la charge de départ sèche. Dans le premier mode de réalisation particulier, la charge de départ contient une poudre de zircon en une quantité supérieure ou égale à 15 %, de préférence supérieure à 20 % et inférieure à 25 %, sur la base de la masse de la charge de départ sèche. Dans le deuxième mode de réalisation particulier, la charge de départ contient une poudre de zircon en une quantité supérieure ou égale à 4 %, de préférence supérieure à 5 % et inférieure ou égale à 15 %, sur la base de la masse de la charge de départ sèche.
De préférence, la charge de départ contient une poudre d'alumine, c'est-à-dire de particules de phase Al203, dans une quantité supérieure ou égale à 70 % et de préférence inférieure à 94 %, en masse sur la base de la masse de la charge de départ sèche. De préférence, ladite poudre d'alumine est une poudre d'alumine réactive et/ou une poudre d'alumine calcinée et/ou une poudre d'alumine de transition. De préférence ladite poudre d'alumine est une poudre d'alumine réactive. Dans le premier mode de réalisation particulier, la charge de départ contient de préférence une poudre d'alumine en une quantité supérieure à 72 %, de préférence supérieure à 74 % et inférieure ou égale à 79 %, de préférence inférieure à 77 %, sur la base de la masse de la charge de départ sèche. Dans le deuxième mode de réalisation particulier, la charge de départ contient de préférence une poudre d'alumine en une quantité supérieure à 85 %, de préférence supérieure à 87 % et de préférence inférieure ou égale à 93 %, sur la base de la masse de la charge de départ sèche.
La charge de départ peut contenir une poudre comportant CaO, de préférence choisie parmi CaC03, un verre contenant CaO, de préférence un verre de silice contenant CaO, un feldspath calcique, en une quantité adaptée pour que la teneur en CaO dans les particules frittées soit conforme à l'invention.
La charge de départ peut ne pas contenir de poudre comportant CaO, ledit oxyde étant par exemple apporté par l'électrolyte d'un bain de gélification qui réagit avec un agent de gélification introduit dans la charge de départ, ledit électrolyte pouvant être par exemple une solution de sel de calcium.
La charge de départ peut comporter moins de 7 %, moins de 5 %, moins de 2 % de zircone, c'est-à-dire de particules de Zr02, en pourcentage massique sur la base des phases cristallisées, voire ne pas en comporter. Une partie de la zircone, voire toute la zircone peut en effet provenir de la dissociation du zircon lors du frittage de l'étape g).
La charge de départ peut comporter moins de 10 %, moins de 5 % de mullite, en pourcentage massique sur la base des phases cristallisées, voire ne pas comporter de mullite. Une partie de la mullite, voire toute la mullite, peut être générée in situ lors du frittage de l'étape g), de préférence à partir de l'alumine et la silice provenant de la dissociation du zircon ZrSi04 en zircone Zr02 et en silice Si02.
La charge de départ peut comporter une poudre de particules de Y2O3, en une quantité supérieure à 0,1 %, de préférence supérieure à 0,5 %, voire supérieure à 0,9 %, et/ou inférieure à 3 %, de préférence inférieure à 2 %, voire inférieure à 1 ,5 % en masse sur la base de la masse de la charge de départ sèche.
La charge de départ peut comporter une poudre de particules de Ce02, en une quantité supérieure à 0,1 %, de préférence supérieure à 0,7 %, de préférence supérieure à 1 ,5 %, et/ou inférieure à 3 %, voire inférieure à 2,5 %, en masse sur la base de la masse de la charge de départ sèche.
La charge de départ peut comporter une poudre de particules d'aluminosilicate, de préférence une poudre d'argile, en une quantité supérieure à 1 %, de préférence supérieure à 1 ,5 % et de préférence inférieure à 3 %.
La charge de départ peut comporter une poudre de silice, c'est-à-dire de particules de Si02, en une quantité de préférence supérieure à 0,5 %, de préférence supérieure à 1 %, et/ou inférieure à 5 %, de préférence inférieure à 3 %, en masse sur la base de la masse de la charge de départ sèche. De préférence, aucune matière première autre que celles apportant Zr02+Hf02, Si02, Al203, CaO et optionnellement Y203 et/ou Ce02, et leurs précurseurs n'est introduite volontairement dans la charge de départ, les autres constituants présents étant des impuretés.
La charge de départ peut en outre comporter un solvant, de préférence de l'eau, dont la quantité est adaptée à la méthode de mise en forme de l'étape d).
Comme cela est bien connu de l'homme du métier, la charge de départ est adaptée au procédé de mise en forme de l'étape d).
La mise en forme peut en particulier résulter d'un procédé de gélification. A cet effet, un solvant, de préférence de l'eau, est ajouté à la charge de départ de manière à réaliser une suspension.
La suspension présente de préférence une teneur massique en matière sèche comprise entre 50 % et 70 %.
La suspension peut encore comporter un ou plusieurs de constituants suivants :
- un dispersant, à raison de 0 à 10 %, en pourcentage massique sur la base de la matière sèche ;
- un modificateur de tension de surface, à raison de 0 à 3 %, en pourcentage massique sur la base de la matière sèche ;
- un agent gélifiant, ou « agent de gélification », à raison de 0 à 2 %, en pourcentage massique sur la base de la matière sèche.
Les dispersants, modificateurs de tension de surface et agents gélifiants sont bien connus de l'homme du métier. Il en est de même des électrolytes adaptés pour réagir avec un agent gélifiant déterminé.
A titre d'exemples, on peut citer,
- comme dispersants, la famille des polyméthacrylates de sodium ou d'ammonium, la famille des polyacrylates de sodium ou d'ammonium, la famille des acides polyacyliques (sels de sodium ou d'ammonium), ou autres polyélectrolytes, la famille des citrates, par exemple d'ammonium, la famille des phosphates de sodium, et la famille des esters de l'acide carbonique ;
- comme modificateurs de tension de surface, les solvants organiques tels que des alcools aliphatiques ;
- comme agents gélifiants, des polysaccharides naturels, formant des composés insolubles au contact d 'électrolytes de cation divalent, comme par exemple l'ion Ca2+.
La plupart de ces éléments disparaissent pendant les étapes de fabrication ultérieures, en pouvant laisser toutefois subsister quelques traces. Les poudres d'oxydes et/ou de précurseurs sont de préférence ajoutées dans un mélange d'eau et de dispersants/défloculants dans un broyeur à billes. Après agitation, on ajoute de l'eau dans laquelle a été préalablement dissout un agent gélifiant de manière à obtenir une suspension.
Si la mise en forme résulte d'une extrusion, des polymères thermoplastiques ou des polymères thermodurcissables peuvent être ajoutés à la charge de départ.
A l'étape d), tout procédé conventionnel de mise en forme utilisé pour la fabrication de particules frittées, notamment de billes frittées, peut être mis en œuvre.
Parmi ces procédés, on peut citer :
- les procédés de granulation, mettant par exemple en œuvre des malaxeurs, des granulateurs, des granulateurs à lit fluidisé, ou des disques de granulation,
les procédés de gélification,
les procédés de moulage par injection ou extrusion, et
les procédés de pressage.
Dans un procédé de gélification, des gouttes de la suspension décrite ci-dessus sont obtenues par écoulement de la suspension à travers un orifice calibré. Les gouttes sortant de l'orifice tombent dans un bain d'une solution de gélification (électrolyte adapté pour réagir avec l'agent gélifiant) où elles durcissent après avoir recouvré une forme sensiblement sphérique.
A l'étape e), optionnelle, les particules crues obtenues lors de l'étape précédente sont lavées, par exemple à l'eau.
A l'étape f), optionnelle, les particules crues, éventuellement lavées, sont séchées, par exemple à l'étuve.
A l'étape g), les particules crues, éventuellement lavées et/ou séchées, sont frittées. De préférence, le frittage s'effectue sous air, de préférence dans un four électrique, de préférence à pression atmosphérique.
Le frittage à l'étape g) est effectué à une température supérieure à 1450°C, de préférence supérieure à 1475°C, de préférence supérieure à 1480°C, de préférence supérieure à 1490°C et inférieure à 1600°C, de préférence inférieure à 1550°C, de préférence inférieure à 1520°C. Une température de frittage égale à 1500°C est bien adaptée. Une température de frittage inférieure à 1450°C ne permet pas d'obtenir une particule présentant une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
De préférence, la durée de frittage est comprise entre 2 et 5 heures. Une durée de frittage égale à 4 heures est bien adaptée. Les particules frittées obtenues se présentent de préférence sous la forme de billes présentant un plus petit diamètre compris entre 0,005 mm et 10 mm.
La teneur en CaO dans le produit obtenu à l'issue de l'étape g) peut notamment être ajustée par la concentration en agent gélifiant dans la charge de départ à l'étape c) et/ou par le temps de résidence de la particule formée dans l'électrolyte à l'étape d) et/ou par la durée du lavage des particules à l'étape e).
Les règles suivantes, bien connues de l'homme du métier, peuvent être mises en œuvre de manière à obtenir une particule frittée selon l'invention :
pour augmenter la quantité de corindon dans la particule frittée : augmenter la quantité de corindon dans la charge de départ et/ou diminuer la température de frittage afin de limiter la formation de mullite in situ ;
pour diminuer la quantité de corindon dans la particule frittée : diminuer la quantité de corindon dans la charge de départ et/ou augmenter la température de frittage ; pour augmenter la quantité de zircone dans la particule frittée : augmenter la quantité de zircone dans la charge de départ et/ou augmenter la quantité de zircon dans la charge de départ ;
pour augmenter la quantité de mullite dans la particule frittée : augmenter la quantité de mullite dans la charge de départ et/ou augmenter la quantité de zircon et/ou augmenter la température de frittage afin de favoriser la formation de mullite in situ ;
pour diminuer la quantité de mullite dans la particule frittée : diminuer la quantité de mullite dans la charge de départ et/ou diminuer la quantité de zircon et/ou diminuer la température de frittage afin de limiter la formation de mullite in situ ;
pour diminuer la porosité totale de la particule frittée à charge de départ définie : rapprocher la température de frittage du domaine de températures de frittage préféré et/ou augmenter la quantité de poudre de silice dans la charge de départ et/ou augmenter la quantité de poudre d'aluminosilicate dans la charge de départ ; pour augmenter la quantité de CaO dans la particule frittée : augmenter la quantité de la matière première apportant CaO dans la charge de départ et/ou augmenter la quantité d'agent gélifiant dans la charge de départ et/ou augmenter le temps de résidence de la particule dans l'électrolyte à l'étape d) et/ou diminuer la durée du lavage à l'étape e). Les particules frittées selon l'invention sont particulièrement bien adaptées comme agents de broyage ou comme agents de dispersion en milieu humide, ainsi que pour le traitement de surfaces. L'invention concerne donc également l'utilisation d'une pluralité de particules, notamment de billes selon l'invention, notamment fabriquées suivant un procédé selon l'invention, en tant qu'agents de broyage, ou agents de dispersion en milieu humide.
La résistance à l'usure des particules selon l'invention est d'autant plus remarquable qu'elle est obtenue grâce à l'utilisation de matières premières, notamment le zircon, permettant une diminution du coût.
On peut noter cependant que les propriétés des particules selon l'invention, notamment leur résistance mécanique, leur densité, ainsi que leur facilité d'obtention, peuvent les rendre aptes à d'autres applications, notamment comme agents de soutènement ou d'échange thermique, ou encore pour le traitement de surfaces (par projection des particules selon l'invention en particulier).
L'invention concerne donc encore un dispositif choisi parmi une suspension, un broyeur, un appareil de traitement de surfaces et un échangeur thermique, ledit dispositif comportant une poudre de particules selon l'invention.
Exemples
Les exemples non limitatifs suivants sont donnés dans le but d'illustrer l'invention.
Protocoles de mesure
Les méthodes suivantes ont été utilisées pour déterminer certaines propriétés de différents mélanges de billes frittées. Elles permettent une excellente simulation du comportement réel en service dans l'application de microbroyage.
Pour déterminer la résistance à l'usure dite « planétaire », 20 ml (volume mesuré à l'aide d'une éprouvette graduée) de billes à tester de taille comprise entre 1 ,2 et 1 ,4 mm, sont pesées (masse m0) et introduites dans un des 4 bols revêtus d'alumine frittée dense, de contenance de 125 ml, d'un broyeur planétaire rapide du type PM400 de marque RETSCH. Sont ajoutés dans le même bol contenant déjà les billes, 2,2 g de carbure de silicium de marque Presi (présentant une taille médiane D50 de 23 μηη) et 40 ml d'eau. Le bol est refermé et mis en rotation (mouvement planétaire) à 400 tr/min avec inversion du sens de rotation toutes les minutes pendant 1 h30. Le contenu du bol est ensuite lavé sur un tamis de 100 μηη de manière à enlever le carbure de silicium résiduel ainsi que les arrachements de matière dus à l'usure lors du broyage. Après un tamisage sur un tamis de 100 μηη, les billes sont séchées à l'étuve à 100 °C pendant 3h puis pesées (masse ΓΤΗ). Lesdites billes (masse m-i) sont à nouveau introduites dans un des bols avec une suspension de SiC (même concentration et quantité que précédemment) et subissent un nouveau cycle de broyage, identique au précédent. Le contenu du bol est ensuite lavé sur un tamis de 100 μηη de manière à enlever le carbure de silicium résiduel ainsi que les arrachements de matière dus à l'usure lors du broyage. Après un tamisage sur un tamis de 100 μηη, les billes sont séchées à l'étuve à 100 °C pendant 3h puis pesées (masse m2). Lesdites billes (masse m2) sont à nouveau introduites dans un des bols avec une suspension de SiC (même concentration et quantité que précédemment) et subissent un nouveau cycle de broyage, identique au précédent. Le contenu du bol est ensuite lavé sur un tamis de 100 μηη de manière à enlever le carbure de silicium résiduel ainsi que les arrachements de matière dus à l'usure lors du broyage. Après un tamisage sur un tamis de 100 μηη, les billes sont séchées à l'étuve à 100 °C pendant 3h puis pesées (masse m3).
L'usure planétaire (UP) est exprimée en pourcentage (%) et est égale à la perte de masse des billes ramenée à la masse initiale des billes, soit : 100(m0-m3) / (m0) ; le résultat UP est donné dans le tableau 1 .
On considère que les résultats sont particulièrement satisfaisants si les produits présentent :
- une amélioration de la résistance à l'usure planétaire (UP) d'au moins 10 % par rapport à celle de l'exemple Référence 1 pour les particules selon l'invention présentant une teneur en Al203 inférieure ou égale à 79%, et
une résistance à l'usure planétaire (UP) au moins équivalente à celle de l'exemple Référence 1 pour les particules selon l'invention présentant une teneur en Al203 supérieure à 79%.
Les phases cristallisées présentes dans les particules frittées selon l'invention sont mesurées par diffraction X, par exemple au moyen d'un appareil du type diffractomètre X'Pert PRO de la société Panalytical pourvu d'un tube DX en cuivre. L'acquisition du diagramme de diffraction est réalisée à partir de cet équipement, sur un domaine angulaire 2Θ compris entre 5° et 80°, avec un pas de 0,017°, et un temps de comptage de 60s/pas. L'optique avant comporte une fente de divergence programmable utilisée fixe de 1/4°, des fentes de Soller de 0,04 rad, un masque égal à 10mm et une fente anti diffusion fixe de 1/2°. L'échantillon est en rotation sur lui-même afin de limiter les orientations préférentielles. L'optique arrière comporte une fente anti diffusion programmable utilisée fixe de 1/4°, des fentes de Soller de 0,04 rad et un filtre Ni. Le traitement du diagramme obtenu est réalisé avec le logiciel High Score Plus par affinement Rietveld, la fiche de la mullite étant celle de Al4,5Sii,509,74 décrite dans "Crystal structure and compressibility of 3:2 mullite", Balzar et AL, American Mineralogist; December 1993; v. 78; no. 1 1 -12; p. 1 192-1 196. Les différents paramètres sont affinés dans le but de réduire au maximum la valeur « R Bragg ». La quantité de phase amorphe présente dans les particules frittées selon l'invention est mesurée par diffraction X, par exemple au moyen d'un appareil du type diffractomètre X'Pert PRO de la société Panalytical pourvu d'un tube DX en cuivre. L'acquisition du diagramme de diffraction est réalisée à partir de cet équipement, de la même manière que pour la détermination des phases cristallisées présentes dans les particules. La méthode appliquée consiste en l'ajout d'une quantité connue d'un étalon totalement cristallisé, dans le cas présent de l'oxyde de zinc, ZnO en une quantité massique égale à 20%, sur la base de la masse d'oxyde de zinc et d'échantillon de particules frittées selon l'invention.
La porosité totale, en %, est évaluée par la formule suivante :
Porosité totale = 100.(1 -(dbiiies dbiiies broyées)), avec
dbiiies, la densité sur billes non broyées obtenues à l'aide d'un pycnomètre hélium (AccuPyc 1330 de la société Micromeritics®), selon une méthode basée sur la mesure du volume de gaz déplacé (dans le cas présent l'Hélium), et
- dynes broyées est la densité sur poudre provenant du broyage des billes réalisé avec un broyeur à sec de type annulaire de marque Aurec pendant 40s et suivi d'un tamisage pour ne conserver pour la mesure que la poudre passant à travers un tamis de 160 m.
Protocole de fabrication
Des billes frittées ont été préparées à partir d'une poudre de zircon, présentant une aire spécifique de l'ordre de 8 m2/g et une taille médiane égale à 1 ,5 μηη, d'une poudre d'alumine de pureté égale à 99,5 % et de taille médiane inférieure à 5 μηη, et, en fonction des exemples réalisés, d'une poudre d'argile de taille médiane inférieure à 53 μηη, présentant une perte au feu réalisée à 1000°C comprise entre 10 % et 15 % et présentant une teneur totale Si02 + Al203 supérieure à 82 %, d'une poudre d'Y203, de pureté en oxydes de terres rares supérieure à 99,9 % et de taille médiane inférieure à 10 μηη, et d'une poudre de Ce02 de pureté supérieure à 99,5 % et de taille médiane inférieure à 10 μηη.
Ces poudres ont été mélangées puis cobroyées en milieu humide jusqu'à obtention d'un mélange particulaire présentant une taille médiane supérieure à 0,4 μηη, à l'aide de billes en zircone yttriée, dont la teneur massique en Y203 était égale à 5,2%. Ce broyage peut être une source de zircone et d'oxyde d'yttrium, de par l'usure desdites billes lors du broyage des poudres. Le mélange particulaire a ensuite été séché.
Une charge de départ consistant en une suspension aqueuse comportant, en pourcentages en masse sur la base de la matière sèche, 1 % d'un dispersant de type acide carboxylique, 0,6 % d'un dispersant de type phosphate de sodium et 0,4 % d'un agent gélifiant, à savoir un polysaccharide de la famille des alginates, a ensuite été préparée à partir de ce mélange particulaire.
Un broyeur à billes a été utilisé pour cette préparation de manière à obtenir une bonne homogénéité de la charge de départ : Une solution contenant l'agent gélifiant a d'abord été formée. Successivement on a ajouté dans de l'eau, le mélange particulaire et les dispersants. La solution contenant l'agent gélifiant a ensuite été ajoutée. Le mélange ainsi obtenu a été agité pendant 8 heures. La taille des particules a été contrôlée par sédigraphie à l'aide d'un sédigraphe Sedigraph 5100 commercialisé par la société Micromeritics® (taille médiane < 0,4μη"ΐ), et de l'eau a été ajoutée en une quantité déterminée pour obtenir une suspension aqueuse à 66 % en matière sèche et une viscosité, mesurée au viscosimètre Brookfield à l'aide du mobile LV3 à une vitesse égale à 20 tours/minutes, inférieure à 5000 centipoises. Le pH de la suspension était alors d'environ 8.
La suspension a été forcée à travers un trou calibré et à un débit permettant d'obtenir après frittage des billes d'environ 1 ,2 mm à 1 ,4 mm. Les gouttes de suspension tombaient dans un bain de gélification à base d'un électrolyte (sel de cation divalent Ca2+), réagissant avec l'agent gélifiant. Les billes crues ont été collectées, lavées, puis séchées à 80°C pour éliminer l'humidité. Les billes ont ensuite été transférées dans un four de frittage où elles ont été portées, à une vitesse de 100°C/h, jusqu'à la température de frittage Tf voulue. A la fin d'un palier de 4 heures à la température Tf, la descente en température a été effectuée par refroidissement naturel.
Résultats
Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 1 suivant.
Figure imgf000020_0001
hors invention nd : non déterminé ableau 1
Les billes de référence de l'exemple « Réf. 1 », hors invention, sont des billes frittées couramment utilisées dans les applications de broyage.
Les exemples montrent que, de façon surprenante, les billes selon l'invention testées présentent des performances remarquables par rapport aux billes de référence.
Une comparaison des produits selon les exemples 1 à 8, 1 1 et 13 présentant sensiblement la même teneur en mullite et sensiblement la même analyse chimique hors CaO, avec une teneur en Al203 inférieure à 79%, montre l'influence de CaO sur la résistance à l'usure des billes : les produits selon les exemples 1 , 2, 3, 4, 1 1 et 13, hors invention, qui présentent une résistance à l'usure UP% dégradée par rapport au produit selon la référence 1 contiennent 0,2 %, 0,35 %, 0,37 %, 0,5 %, 3,59 % et 2,27 % de CaO, respectivement. Les produits selon les exemples 5, 6, 7 et 8 qui présentent une résistance à l'usure UP% améliorée par rapport au produit selon la référence 1 contiennent 0,74 %, 0,85 %, 1 ,02 % et 1 ,7 % de CaO, respectivement.
Le produit selon l'exemple 17, hors invention, illustre le fait que si la porosité totale atteint 8,7 %, la résistance à l'usure UP% est nettement dégradée par rapport au produit de la référence 1 .
Le produit selon l'exemple 10, hors invention, montre qu'une teneur en zircone + hafnie de 23% dégrade de 36% la résistance à l'usure UP% par rapport au produit de la référence 1 . Ce produit illustre également l'intérêt d'une teneur minimale en mullite pour des teneurs en alumine inférieures à 79%.
Les produits selon les exemples 5, 6 et 7 illustrent le fait que pour une teneur en Al203 égale à 73 %, 73,1 % et 72,8 %, respectivement, et une teneur en CaO égale à 0,74 %, 0,85 % et 1 ,02 %, respectivement, une teneur en mullite égale à 10 % ou 1 1 % augmente significativement la résistance à l'usure UP% par rapport au produit de la référence 1.
Une comparaison des produits des exemples 9 et 5 illustre le fait que la résistance à l'usure UP% atteint une valeur maximale pour une teneur en mullite égale à 1 1 %, pour des produits présentant une teneur en Al203 égale à 73,1 % et 73 %, respectivement. Le produit selon l'exemple 12, hors invention, présente une teneur en mullite égale à 17% et une résistance à l'usure UP% dégradée de 26 % par rapport au produit de la référence 1.
Les produits selon les exemples 14 à 16 et 19, selon l'invention, présentant une teneur en Al203 égale à 88,2 %, 87,6 %, 92,8 % et 94,7%, respectivement, montrent une amélioration de la résistance à l'usure UP(%) égale à 17 %, 9 %, 7 % et 17 %, respectivement. Le produit de l'exemple 18, selon l'invention, présentant une teneur en Al203 égale à 94,7 % et une porosité totale égale à 4,9 %, montre une usure UP(%) comparable à celle du produit de la référence 1 .
Les produits des exemples 5, 6 et 7 sont les produits préférés.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples et modes de réalisation décrits ci- dessus. En particulier, d'autres systèmes de gélification conviennent pour fabriquer une bille céramique selon l'invention. Ainsi, US 5,466,400, FR 2 84 24 38 et US 4,063,856 décrivent des procédés sol-gel applicables. FR 2 84 24 38 et US 4,063,856 utilisent un système de gélification proche de celui décrit ci-dessus (à base d'alginate) alors que US 5,466,400 décrit un système de gélification très différent.
Le procédé décrit dans US 2009/0036291 et les procédés de formation de billes par pressage ou par granulation sont également envisageables.
Les différents modes de réalisation peuvent être combinés.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Particule frittée, élaborée à partir d'une charge de départ contenant 4 % à 25 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, ladite particule frittée présentant :
la composition chimique suivante, en pourcentages en masse :
70 % < Al203, AI2O3 constituant le complément à 100 % ;
3 % < Zr02+Hf02 < 18 %, avec Hf02 < 1 % ;
1 % < SiO2 < 10 % ;
0,3 % < CaO < 2 %, avec CaO≥ 0,6 % si Al203≤ 79 % ;
moins de 5 % d'autres constituants, et
- les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées :
65 % < corindon; le corindon constituant le complément à 100 % ;
3 % < zircone + hafnie, éventuellement stabilisés < 21 % ;
mullite < 16 % ;
moins de 5 % d'autres phases cristallisées, et
- une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
2. Particule frittée selon la revendication précédente, comportant plus de 0,1 % d'Y203.
3. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en Y203 est supérieure à 0,5 % et inférieure à 3,0 %.
4. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plus de 0,1 % de Ce02.
5. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en Ce02 est supérieure à 0,7 % et inférieure à 3,0 %.
6. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la teneur en « autres constituants » autres que Y203 et Ce02 est inférieure à 3,0 %.
7. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en « autres constituants » autres que Y203 et Ce02 est inférieure à 2,0 %.
8. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les oxydes représentent plus de 95 % de la masse totale de ladite particule.
9. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle les oxydes représentent plus de 99 % de la masse totale de ladite particule.
10. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle une partie de la mullite est créée lors du frittage.
1 1 . Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la totalité de la mullite est créée lors du frittage.
12. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une teneur en « autres phases cristallisées » inférieure à 4%, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
13. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en « autres phases cristallisées » est inférieure à 3%, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
14. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une quantité massique de phase amorphe, en pourcentage en masse par rapport à la masse de la particule, inférieure à 20%.
15. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la quantité massique de phase amorphe, en pourcentage en masse par rapport à la masse de la particule, est inférieure à 15%.
16. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la quantité massique de phase amorphe, en pourcentage en masse par rapport à la masse de la particule, est inférieure à 10%.
17. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une porosité totale inférieure à 4,5%.
18. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une porosité totale inférieure à 4%.
19. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une porosité totale inférieure à 3%.
20. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une taille inférieure à 10 mm et supérieure à 0,005 mm.
21 . Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une sphéricité, c'est-à-dire un rapport entre son plus petit diamètre et son plus grand diamètre, supérieure à 0,7.
22. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une sphéricité supérieure à 0,8.
23. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une sphéricité supérieure à 0,85.
24. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, présentant une densité supérieure à 3,6 g/cm3 et inférieure à 4,20 g/cm3.
25. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, élaborée à partir d'une charge de départ contenant 15 % à 25 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, ladite particule frittée présentant :
la composition chimique suivante, en pourcentages en masse :
70 % < Al203, AI2O3 constituant le complément à 100 % ;
13 % < Zr02+Hf02 < 18 %, avec Hf02 < 1 % ;
5 % < Si02 < 9 % ;
0,6 % < CaO < 2 % ;
moins de 5 % d'autres constituants, et
- les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées :
65 % < corindon; le corindon constituant le complément à 100 % ;
10 % < zircone + hafnie, éventuellement stabilisés : < 21 % ;
4 % < mullite < 16 % ;
moins de 5 % d'autres phases cristallisées, et
- une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
26. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la charge de départ contient 20 % à 25 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche.
27. Particule frittée selon l'une quelconque des deux revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en Al203 est supérieure à 72 % et/ou inférieure à 78 %, en pourcentages en masse.
28. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en Al203 est inférieure à 76 %,en pourcentages en masse.
29. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en Al203 est inférieure à 75 %, en pourcentages en masse.
30. Particule frittée selon l'une quelconque des cinq revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en Zr02 +Hf02 est supérieure à 15 % et/ou inférieure à 17 %, en pourcentages en masse.
31 . Particule frittée selon l'une quelconque des six revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en Si02 est supérieure à 6 % et/ou inférieure à 8,5 %, en pourcentages en masse.
32. Particule frittée selon l'une quelconque des sept revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en CaO est supérieure à 0,7 % et/ou inférieure à
1 ,8 %, en pourcentages en masse.
33. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en CaO est inférieure à 1 ,5 %, en pourcentages en masse.
34. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en CaO est inférieure à 1 ,3 %, en pourcentages en masse.
35. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en CaO est inférieure à 1 ,1 %, en pourcentages en masse.
36. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 25 à 35, présentant une teneur en corindon supérieure à 68 % et/ou inférieure à 82 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
37. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une teneur en corindon supérieure à 70 % et/ou inférieure à 80 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
38. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une teneur en corindon inférieure à 78 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
39. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 25 à 38, présentant une teneur en zircone + hafnie, éventuellement stabilisés, supérieure à 1 1 % et/ou inférieure à 19 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
40. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une teneur en zircone + hafnie, éventuellement stabilisés, supérieure à 12 % et/ou inférieure à 17 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
41 . Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 25 à 40, présentant une teneur en mullite supérieure à 5% et/ou inférieure à 14%, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
42. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en mullite est supérieure à 7% et/ou inférieure à 12%.
43. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en mullite est supérieure à 8% et/ou inférieure à 1 1 %.
44. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, élaborée à partir d'une charge de départ contenant 4 % à 15 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche, la particule frittée présentant :
la composition chimique suivante, en pourcentages en masse :
85 % < Al203, AI2O3 constituant le complément à 100 % ;
3 % < Zr02+Hf02 < 13 %, avec Hf02 < 1 % ;
1 % < Si02 < 6 % ;
0,3 % < CaO < 2 % ;
moins de 5 % d'autres constituants, et
- les phases cristallisées suivantes, en pourcentages en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées :
86 % < corindon; le corindon constituant le complément à 100 % ;
3 % < zircone + hafnie, éventuellement stabilisés : < 14 % ;
mullite < 6 % ;
moins de 5 % d'autres phases cristallisées, et
- une porosité totale inférieure ou égale à 5 %.
45. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la charge de départ contient 5 % à 15 % de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche.
46. Particule frittée selon l'une quelconque des deux revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en Al203 est supérieure à 87 % et/ou inférieure à 91 %, en pourcentages en masse.
47. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en Al203 est supérieure à 89 %, en pourcentages en masse.
48. Particule frittée selon l'une quelconque des quatre revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en Zr02+Hf02 est supérieure à 5 % et/ou inférieure à 10 %, en pourcentages en masse.
49. Particule frittée selon l'une quelconque des cinq revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en Si02 est inférieure à 4 %, en pourcentages en masse.
50. Particule frittée selon l'une quelconque des six revendications immédiatement précédentes, dans laquelle la teneur en CaO est supérieure à 0,5 % et/ou inférieure à 1 ,8 %, en pourcentages en masse.
51 . Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en CaO est supérieure à 0,7 % et/ou inférieure à 1 ,5 %, en pourcentages en masse.
52. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en CaO est inférieure à 1 ,3 %, en pourcentages en masse.
53. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en CaO est inférieure à 1 ,1 %, en pourcentages en masse.
54. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 44 à 53, présentant une teneur en corindon supérieure à 88 % et/ou inférieure à 94 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
55. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une teneur en corindon inférieure à 92 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
56. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 44 à 55, présentant une teneur en zircone + hafnie, éventuellement stabilisés, supérieure à 4 % et/ou inférieure à 12 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
57. Particule frittée selon la revendication précédente, présentant une teneur en zircone + hafnie, éventuellement stabilisés, inférieure à 10 %, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
58. Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 44 à 57, présentant une teneur en mullite inférieure à 4%, en pourcentage en masse sur la base de la quantité totale de phases cristallisées.
59. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en mullite est inférieure à 2%.
60. Particule frittée selon la revendication précédente, dans laquelle la teneur en mullite est sensiblement nulle.
61 . Particule frittée selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, dans laquelle la teneur en CaO est supérieure à (4,55 - 0,05.AI2O3) % si 79 % < Al203≤ 85 %.
62. Poudre comprenant plus de 90% en pourcentages en masse, de particules selon l'une quelconque des revendications précédentes.
63. Procédé de fabrication de particules frittées selon l'une quelconque des revendications 1 à 61 , comprenant les étapes successives suivantes : a) si nécessaire, broyage d'une ou de plusieurs poudres de matières premières, de préférence par cobroyage, de manière que leur mélange, à l'étape c), conduise à un mélange particulaire présentant une taille médiane inférieure à 0,6 μηη, b) optionnellement, séchage dudit mélange particulaire,
c) préparation d'une charge de départ à partir dudit mélange particulaire, optionnellement séché, la composition de la charge de départ étant adaptée de manière à obtenir, à l'issue de l'étape g), des particules frittées présentant une composition conforme à celle d'une particule frittée selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite charge de départ comportant de 4% à 25% de particules de zircon, en pourcentage massique sur la base de la masse de la charge de départ sèche,
d) mise en forme de la charge de départ sous la forme de particules crues, e) optionnellement, lavage,
f) optionnellement, séchage,
g) frittage à une température de frittage supérieure à 1450°C et inférieure à 1600°C.
Dispositif choisi parmi une suspension, un broyeur, un appareil de traitement de surfaces et un échangeur thermique, ledit dispositif comportant une poudre de particules selon la revendication 62.
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