[0001] La présente invention est relative à un procédé de moulage de pièces en matières
céramiques fondues à haute température.
[0002] L'invention s'applique particulièrement à l'obtention de pièces obtenues à partir
de matières céramiques qui sont liquides à une température supérieure à 1500°C, qui
présente un domaine de fusion pâteuse limité ou une fusion franche, et qui cristallisent
au cours du refroidissement. On peut citer, à titre d'exemples, la mullite formée
de 70% en poids de A.1
20
3 environ et 30% de Si0
2, qui fond vers 1800-1850°, et certains réfractaires à base de Si0
2-A1203-ZrO2 qui fondent vers 1750°C.
[0003] Ces matières céramiques fondues à haute température, à base de divers oxydes tels
que l'alumine la silice, la magnésie, la zircone, etc... se distinguent par une remarquable
résistance à la pression et ou à l'abrasion, ainsi que par leurs propriétés réfractaires.
[0004] Toutefois, l'obtention industrielle de produits fondus à des températures dépassant
2000°C exige, pour être rentable, l'emploi de fours de capacité relativement importante,
et, actuellement, on coule les matières céramiques fondues en grosses masses, par
exemple 0,60 x 1 x 3 mètres, qui sont ensuite découpées pour donner les pièces de
la forme et la dimension désirées. Ces gros blocs ont l'avantage de permettre sans
difficulté un refroidissement lent qui aboutit à une cristallisation convenable, mais,
en raison précisément des caractéristiques mécaniques du produit, le découpage ultérieur
est une opération longue, pénible et coûteuse en matériel et en énergie. Pour cette
raison, les pièces de petites dimensions en matière céramique fon= due à haute température,
et surtout celles qui sont de forme compliquée, sont encore peu répandues.
[0005] On pourrait évidemment penser à obtenir de telles pièces par moulage direct, mais
on se heurte à des difficultés qui tiennent à la matière dont doit être fait la moule
; en raison des températures de coulée et de la matière chimique des substances à
mouler, on doit utiliser un sable siliceux ou analogue, aggloméré avec un liant non
réducteur, c'est-à-dire non organique, par exemple du silicate de sodium, et le moule
doit être entouré de matière thermiquement isolante, Oh obtient ainsi des moules de
faible tenue mécanique, et qui résistent mal à une coulée directe, avec remplissage
du moule de haut en bas. Pour les mêmes raisons, une coulée en sources de type classique
avec un long chenal d'amenée de liquide pose des difficultés, notamment à cause du
refroidissement exagéré qui se produit dans le chenal.
[0006] On avait proposé,il y a près d'un demi-siècle, un procédé selon lequel on relie le
vide intérieur du moule, par sa partie inférieur, à un conduit d'alimentation dirigé
vers le bas, on fait pénétrer l'extrémité inférieure de ce conduit dans le bain li
quide, puis on établit dans le moule une dépression qui provoque la monté
edu liquide du bain dans le conduit et dans le moule. Le liquide du bain se solidifie
dans la cavité du moule, et lorsqu'on supprime le vide, le liquide en excès retourne
au bain. Pour éviter l'obstruction du conduit d'alimentatinn, celui-ci est chauffé
à la température de la matière en fusion. Le procédé résout certains des problèmes
précédents, mais il oblige à conserver le moule au-dessus du bain jusqu'à ce que le
produit soit solidifié sur l'épaisseur désirée, ce qui est peu compatible avec des
cadences industrielles.
[0007] Une autre raison pour laquelle le procédé n'est pas entré dans la pratique est qu'il
ne prévoit aucune précaution pour éliminer les crasses, écumes ou impuretés qui surnagent
presqu'inévitablement sur un bain de matière céramique liquide.Il ne prévoit pas non
plus, évidemment, la manière d'éliminer la couche d'oxydes pulvérulents qui recouvre
le bain lorsqu'on utilise cette manière de maintenir constante la quantité de matière
dans le four ou simplement de limiter les déperditions de chaleur. Il est à noter
d'ailleurs que cette manière d'opérer est de plus en plus à recommander à mesure que
le prix de l'énergie augmente.
[0008] Des tentatives ont été faites dans le passé pour résoudre ce problème par les méthodes
classiques, c'ést-à-dire un nettoyage provisoire avec un ringard. On aurait pu opérer
aussi en soufflant de l'air comprimé avec une lance dirigée obliquement. Ces tentatives
ont été vaines dans le cas de l'emploi d'un ringard; si on le déplace lentement, la
couche surnageante commence à se reformer avant qu'on ait pu introduire le conduit
d'aspiratinn, et on risque de briser celui-ci par rencontre avec le ringard, et si
on déplace le ringard très rapidement, on risque de faire des bulles dans le bain.
Avec l'air comprimé envoyé obliquement, on se serait heurté aux mêmes difficultés
: ou bien nettoyage insuffisant, ou bien formation de bulles, et dans les deux cas
obtention de pièces défectueuses.
[0009] Pour ces raisons, le moulage de petites pièces en matière céramique fondue à haute
température
1 n'est pas utilisé aujourd'hui.
[0010] La présente invention a pour but de fournir un procédé et un dispositif qui permettent
l'obtention industrielle de pièces de matière céramique fondues à haute température,
ces pièces étant de petites dimensions et, éventuellement, de forme compliquée.
[0011] Plus précisément, l'invention fournit un procédé de moulage de pièces en matières
céramiques fondues, à partir d'un bain d'oxydes maintenu à l'état liquide dans un
four et recouvert en permanence d'une couche de matière première pulvérulente. Ces
fours sont les seuls fours utilisés actuellement, car la couche de matière première
pulvérulente qui surplombe le bain limite les déperditions d'énergie. Le four est
normalement du type "à autogarnissage" c'est-à-dire que ses parois et son fond, en
métal refroidi, sont séparés en permanence du liquide par une couche isolante et protectrice
de matière céramique solidifiée. Le chauffage est assuré, habituellement,par passage
de courant électrique à travers le bain,ce courant étant amené par des électrodes
plon- geables.dans la partie centrale du four, ces électrodes étant en métal réfractaire
et inerte par rapport au bain.
[0012] Dans le procédé selon l'invention, on relie le vide intérieur du moule, par sa partie
inférieure, à un conduit d'alimentation dirigé vers le bas et refroidi, on enlève
la matière pulvérulente sur une zone limitée de la surface du bain en la chassant
avec un jet de gaz dirigé de haut en bas, on descend alors le conduit d'alimentation
vers cette zone dépourvue de matière pulvérulente et on le fait pénétrer dans le bain
liquide, puis on établit dans le moule une dépression qui provoque la montée du liquide
du bain dans le conduit et dans le moule.
[0013] De préférence, on fait passer le jet de gaz par le conduit d'alimentation en créant
une surpression dans le moule au cours des phases de l'opération qui précèdent l'établissement
de la dépression.
[0014] Ainsi, le procédé concilie les avantages de la coulée directe, à savoir un conduit
d'alimentation court et rectiligne, et ceux de la coulée en source, à savoir une arrivée
paisible du liquide dans le moule sans risque pour les parois du moule. Le problème
que pose la traversée de la matière pulvérulente qui surmonte le bain, et qui risquerait
d'avoir pour cor- séquence l'entrée de matière non fondue dans le moule, est résolu
par la surpression d'air comprimé.
[0015] Le conduit d'alimentation fait son trou dans la couche pulvérulente, qui se referme
autour de lui pendant le moulage, ce qui limite au maximum les déperditions de chaleur.
[0016] On pourrait n'écarter le moule du four qu'après solidificatinn du produit dans le
moule, mais, pour limiter le temps d'immobilisation, il est préférable de ne pas attendre
si longtemps. Dans ce cas, on doit empêcher le produit de redescendre, et le moule
de se vider. Cela peut être obtenu par un obturateur placé sur le canal d'alimentation,
ou bien en maintenant la dépression pendant un temps convenable ; toutefois, il est
préférable d'opérer ainsi : en fin d'opération de remplissage du moule, on laisse
le produit se figer dans le canal d'alimentation, puis on soulève le moule, avec ledit
canal, en dehors du four.
[0017] Il est à noter que le procédé permet, de façon extrêmement simple, l'obtention de
corps creux, à paroi d'épaisseur constante ou variable ; pour cela, on interrompt
la dépression dans le moule avant que le liquide soit figé dans le canal, si bien
que le liquide se vide. On peut obtenir ainsi des pièces en forme de tube, de creuset,
etc...
[0018] En faisant varier les caractéristiques thermiques des parois du moule, on peut faire
varier localement l'épaisseur des parois.
[0019] Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention va être décrit en
s'aidant d'un exemple non limitatif de réalisation selon l'invention, illustré par
les figures parmi lesquelles :
fig. 1 est une vue d'ensemble du moule, en coupe axiale ;
fig. 2 est une vue de détail du canal d'alimentation, en coupe axiale.
[0020] Le moule proprement dit 1 est en sable de silice aggloméré au silicate de sodium;
Dans l'exemple décrit, on a utilisé un sable ayant une granulométrie de 50 à 120 micromètres,
aggloméré avec environ 3% de silicate de sodium, auquel on ajoute, avant la mise en
oeuvre, environ 5 à 6% d'un durcisseur organique du commerce. Les moules obtenus,
après cuisson à 400-500°C, ont une porosité de 35 à 43% environ, en volume. Il est
clair que la granulométrie du sable, la nature, le taux du liant et l'épaisseur du
moule dépendent de la matière première réfractaire utilisée et de la matière du produit
qu'on désire obtenir. En tous cas, il est généralement préférable de prévoir que le
moule soit armé d'un grillage métallique extérieur de façon à lui permettre de résister
à la pression hydrostatique. Une base 2, du même matériau, contient une partie de
raccordement 3 qui relie le vide intérieur du moule 1 à celui du canal d'alimentation
4. Un couvercle de moule 5 contient une cavité 6, qui communique avec le vide intérieur
du moule et qui est destinée à servir de masselotte. L'ensemble est soutenu par une
virole métallique 7, avec interposition d'une couche épaisse de Kieselguhr 8, destinée
à servir d'isolant thermique et à procurer un refroidissement aussi lent qu'on le
désire.
[0021] Un ressort 9 maintient en appui constant les uns sur les autres le couvercle 5, le
moule proprement dit 1 et la base 2.
[0022] La virole 7 est placée à l'intérieur d'une cloche démontable 10 constituant une enceinte
fermée et étanche, reliée par une canalisation 11 à une source de vide et de pressinn
de gaz, non représentée. On a constaté que la perméabilité du moule est suffisante
pour que la pression à l'intérieur du moule suive fidèlement les variations de pression
dans la cloche 10.
[0023] La figure 2 décrit plus en détail le canal d'alimentation ou "suceur" 4.
[0024] Celui-ci, dans sa partie principale, est formé d'un tube de cuivre 12, percé d'un
alésage tronconique axial qui s'élargit vers le haut. Un second tube concentrique
13 délimite avec le tube 12 une chambre à eau 14 divisée en deux parties concentriques
par une cloison cylindrique 15 qui ne descend pas jusqu'en bas de la chambre. Les
deux parties de la chambre à eau sont respectivement reliées à un conduit d'amenée
16 et un conduit d'évacuation 17 de l'eau de refroidissement. L'ensemble de ces pièces
est en cuivre. Le "suceur" est maintenu par un support 18, fixé sur la base de la
cloche 10, par l'intermédiaire de ressorts 19, qui le pressent vers le haut contre
la base 2 du moule, de façon à empêcher les sorties de liquide. Un joint souple 20
relie la base 2 de la cloche avec le tube 12, si bien que la cloche et le tube constituent
un ensemble étanche aux gaz, sans autre orifice que le tube 11 et l'alésage du tube
12 du suceur.
[0025] Le nez du suceur est une pièce annulaire 21 en molybdène qui se visse dans le tube
13 pour venir en appui sur le tube 12. Elle présente un alésage intérieur 22 qui est
tronconique et s'élargit vers le bas, son diamètre le plus faible est légèrement inférieur
à celui du tube 12 à l'endroit du contact, et la pièce 21 présente à cet endroit un
bord aigu. La raison de cette disposition est la suivante : après la sortie du suceur
hors du bain, il se forme une masse solidifiée qui comprend la matière qui se trouve
dans le tube 12 et le nez 21, ainsi qu'une certaine quantité de matière qui s'épanouit
sur l'extrémité inférieure du nez. L'enlèvement de cette masse solidifiée du suceur
poserait des difficultés, car elle est solidaire d'une part de la pièce moulée, et
d'autre part de la matière qui s'épanouit à l'entrée du nez. Ces difficultés sont
résolues par la disposition décrite : la forme de la pièce 21 crée, à l'endroit de
sa jonction avec le tube 12, une amorce de rupture au point le plus étroit de la masse
solidifiée, et celle-ci se rompt à cet endroit lors du dévissage de la pièce 21 ;
les'.deux tronçons peuvent alors être facilement séparés du suceur et de son nez du
fait de la conicité de ces pièces.
[0026] A titre d'exemple, on a utilisé des suceurs dont le diamètre minimal était de 20
ou 25 mm pour la mullite et de 17 mm pour un réfractaire à base de silice-alumine-zircone.
[0027] Il est clair que le choix d'une forme apprc- priée pour le suceur dépend, notamment,
des propriétés physiques du matériau fondu, telles que sa viscosité.
[0028] Le mode opératoire est le suivant : le moule 1 est préparé avec son armature en grillage,
puis mis en place dans la virole 7, avec sa base 2 et son couvercle 5. La virole est
ensuite mise en place dans la la cloche 10 dans laquelle le conduit d'alimentation
4 est déjà en place. Les différentes pièces du moule et le conduit 4 sont alors serrés
les uns contre les autres par l'action des ressorts 9 et 19. La cloche est alors suspendue
par une chaine 23 dans laquelle est intercalé un peson 24, et on envoie, par l'intermédiaire
de la.-conduite 11, un léger débit d'air dans la cloche. Cet air passe à travers le
moule et sort par le suceur 4. On abaisse alors l'ensemble vers le bain de produit
fondu 25, qui se trouve dans un four électrique de type classique. Le débit d'air
chasse la matière pulvérulente 26 qui surplombe le bain, mettant à nu la surface du
bain sur une zone de faible étendue, puis le nez pénètre dans le bain lui- même.
[0029] A partir de ce moment, le débit d'air est interrompu,ce qui peut facilement être
contrôlé avec un débit-mètre (non représenté) placé sur la conduite 11. La matière
pulvérulente s'étale pour revenir jusqu'au contact du suceur, limitant ainsi les déperditions
thermiques.
[0030] La profondeur d'enfoncement du nez du suceur doit être suffisante pour atteindre
une zone où le bain est homogène et sans bulles, et pour empêcher toute aspiration
d'air au cours du remplissage du moule. Cependant,le suceur ne doit pas être enfoncé
trop profondément pour éviter un refroidissement local exagéré du bain.
[0031] Ensuite, la pression est retirée ét la conduite 11 est reliée à la source d'aspiration,
ces opérations se faisant de façon très progressive. La dépression finale doit être
telle que le bain liquide remonte au moins jusqu'au sommet de la cavité 6, pour constituer
la masselotte. Une dépression inférieure entraînerait un remplissage imparfait, mais
une dépression plus forte, de même qu'une dépression introduite trop brusquement,
peut entraîner le soulèvement du couvercle 5 par le liquide, en opposition au ressort
9.
[0032] Une fois le moule 1 rempli, il suffit de maintenir l'ensemble en place pendant quelques
instants et sous dépression pourvue le liquide se fige dans le conduit d'alimentation
4. On a en effet constaté que ce figeage ne se produit pas tant que le liquide circule
dans ce conduit pour remplir le moule, mais qu'il s'y solidifie avec une grande vitesse,
variable cependant selon les produits, dès que la circulation est interrompue. Le
remplissage du moule est constaté de façon sensible par le peson 24, qui donne le
poids de l'ensemble de la cloche du moule et du produit qui le remplit. On notera
que le contrôle du débit d'air à travers la conduite 11 serait trop peu précis en
raison de l'échauffement progressif de l'air qui se trouve dans la porosité du moule
et du Kieselguhr.
[0033] Une fois le moule rempli et le liquide figé dans le suceur, la cloche est élevée
au-dessus du bain puis entraînée à l'écart du four. Pendant cette période, il peut
être avantageux, s'il y a risque de formation de mélanges gazeux explosifs dans la
cloche (par exemple si le moule contient des matières organiques provenant du liant),
de prévoir un balayage continu de celle-ci, Cela peut être obtenu en maintenant la
dépression jusqu'au démontage de la cloche et en prévoyant dans la paroi de la cloche
un ou plusieurs passages d'air calibrés, assurant une circulation d'air avec un débit
et une répartition convenables. Cet orifice peut être muni à cette fin d'un clapet
taré. Le nez 21 est dévissé, et la cloche 10 est ouverte. On en extrait vers le haut
la virole 10 qui contient le moule 1 auquel reste accrochée une tige tronconique de
matière qui s'est solidifiée dans l'alésage du tube. On laisse refroidir le moule
jus
- qu'à solidification complète et retour à une température permettant son démontage,
cependant que la cloche peut être chargée avec une autre virole contenant un autre
moule pour une nouvelle opération.
[0034] Si l'on désire faire un produit creux, on peut utiliser le même matériel ; toutefois,
la cavité 6 du couvercle, qui est destinée à former une masselotte, n'est plus nécessaire
et le couvercle 5 peut, éventuellement, être supprimé pour faciliter la re- descente
du liquide. On opère de la même manière que ci-dessus ; toutefois, on interrompt la
dépression après le remplissage du moule à la hauteur voulue mais avant la solidification
du matériau dans le suceur. Le liquide s'écoule alors vers le bain, en laissant une
couche solidifiée d'une épaisseur qui peut être déterminée avec précision par des
essais préalables fixant la durée de séjour du liquide dans le moule.
[0035] Si le produit a tendance à se figer rapidement dans le suceur, on peut combattre
cette tendance par des alternances de pression et dépression qui s'opposent à la stagnation
du liquide. Le même procédé peut aussi être utilisé pour le cas où le produit présente
un fort retrait à la solidification et où la masselotte 6 est insuffisante à réalimenter
le moule.
[0036] Le liquide ne doit pas monter jusqu'au couvercle, si celui-ci est conservé, car il
se former rait alors sur la surface intérieure de celui-ci une couche solidifiée,
peu ou pas perméable, qui s'opposerait à l'interruption de la dépression, et donc
à la redascente du liquide.
[0037] Suivant une autre modalité de l'invention, on obtient des objets creux de faible
épaisseur en utilisant un suceur qui fonctionne à la façon d'un pulvérisateur à peinture
; ce suceur comporte un alésage de faible diamètre pour le liquide et, en outre, de
préférence, une entrée d'air, par exemple des ajutages disposés de façon annulaire,
et de débit contrôlé. On produit la dépression de façon très brusque, et il se forme
alors une pulvérisation du liquide sous forme de fines gouttelettes qui viennent revêtir
la paroi du moule et s'y solidifier en couche mince.
1. Procédé de moulage de pièces en matière céramique fondue, à partir d'un bain d'oxydes
maintenu à l'état liquide dans un four et recouvert en permanence d'une couche de
matière première pulvérulente, procédé comportant les étapes suivantes :
a) relier le vide intérieur du moule, par sa partie inférieure, à un conduit d'alimentation
dirigé vers le bas,
b) faire pénétrer l'extrémité inférieure du- dit conduit dans le bain liquide,
c) établir dans le moule une dépression qui provoque la montée du liquide du bain
dans le conduit et dans le moule,
d) laisser le produit se figer dans le conduit ;
e) soulever le moule, avec le conduite et le transporter au..delà du four,
f) laisser le produit se solidifier complè- tement dans le moule.
2. Procédé selon la revendication.l, et permettant l'obtention de produits creux,
caractérisé en ce qu'on prévoit un orifice de faible diamètre sur le conduit d'alimentation,
et en ce que l'établissement de la dépression est faite de façon brusque, si bien
que le liquide est pulvérisé et projeté contre les parois du moule à partir dudit
orifice.
3. Procédé selon la revendication 1, carcté- risé en ce qu'on enlève la matière pulvérulente
sur une zone limitée de la surface du bain en la chassant avec un jet de gaz dirigé
de haut en bas, et on descend alors le conduit d'alimentation en créant une . surpression
dans le moule au cours des phases de l'opération qui précèdent l'établissement de
la dépression.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise un premier récipient
étanche au gaz et relié à une source de dépression, ce premier récipient contenant
un second récipient non étanche et qui contient le moule et la matière isolante qui
l'entoure, le moule et la matière isolante étant perméables au gazet en ce que le
conduit d'alimentation, refroidi par une circulation de liquide, communique avec l'intérieur
du moule et traverse de façon étanche le premier récipient.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les organes de pesée sont
intercalés entre le premier et le second récipient et permettent de connaître le degré
de remplissage du moule.
7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit d'amenée est
formé de deux pièces démontables, ayant des sections intérieures tronconiques, la
jonction des deux pièces se trouvant dans le plan de section minimale de conduit,
en ce qu'après solidification complète du produit dans le moule on sépare les deux
pièces du conduit d'amenée et on brise le culot de matière qui s'est solidifié dans
le conduit au niveau de la zone de section minimale, après quoi les deux parties de
ce culot sont facilement enlevées du moule ou de la pièce inférieure du conduit d'amenée.
8. Procédé selon la revendication 5,caractérisé en ce que le premier récipient est
relié à une source de pression de gaz.
9..Procédé selon la revendication 5,caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour
créer un." balayage gazeux dans le premier récipient même après le remplissage du
moule.
10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moule et le conduit
d'amenée sont maintenus en appui l'un sur l'autre par des ressorts.