BE373180A - - Google Patents

Description

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 EMI1.1 
 



  Compesi tien réfractaire et son procédé de fa.brication 
Cette invention vise des perfectionnements aux compositions réfractaires et à leurs procédés de fabrication et elle se propose de réaliser selon un bon rendement une production synthétique économique d'un composé à base d'alumine et de silice possédant une valence autrement dit un équilibre chimique sensiblement parfait et d'une utilisation particulièrement heureuse pour la fabrication des produits réfractaires. 

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   On sait qu'en faisant fondre 72% en poids d'oxyde   d'aluminium   avec 28 % en poids de silice on donne naissance à un composé qui approche d'aussi près que possible l'équilibre chimique parfait de trois molécules   d'alumine   pour deux molécules de silice. Cette union représente le composé connu sous le nom de mullite que, du reste, on ne trouve que rarement à l'état naturel. 



   Or s'il est théoriquement possible de produire de la mullite en faisant fondre un mélange d'oxyde   d'aluminium   et de silice dans les proportions sus- indiquées on se heurte dans la pratique à de nombreuses difficultés pour y parvenir. Dans les conditions in-   dustrielles,   toute la masse fondue ne se transforme pas en mullite par cristallisation; une certaine partie forme des cristaux de corindon tandis qu'une autre partie forme du verre siliceux dans lequel se concentrent la plupart des impuretés présentes dans la matière première. Il en résulte que la mullite synthétique obtenue par la fusion de l'alumine et de la silice renferme le plus souvent un pourcentage de cristaux de corindon et de verre siliceux qui suffit à abaisser notablement et même dans certains cas à dé- truire ses propriétés 'réfractaires. 



   La présente invention se propose précisément d'ob- vier à cette difficulté et d'abaisser le coût de pro- duction de la mullite artificielle . Elle permet de produire à bas prix une composition   fondue,   par voie électrique ayant¯pratiquement une teneur en mullite aussi élevée qu'on le désire. 

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   Dans la réalisation industrielle du procédé, objet de   l'invention,   selon tous ses détails   opé-   ratoires, on peut ohoisir à même diverses sources des matières premières ayant une teneur élevée en si- licate d'aluminium comme par   exemple   de l'andalousite, du cyanite, de la sillimanite ou des minerais ana-   logues.   On peut également partir de cyanite ou dist'iènc associé à de la   pyrophyllite   comme source d'alumine et de silice.

   Chacun de ces minerais constitue une source d'alumine et de silice combinées dans la proportion approximative   d'une   molécule   d'alumine  e pour une molécule de silice.   L'analyse   chi- mique de l'andalousite, du cyanite ou de la sillima- nite révèle une proportion approximative (en poids) de 63 % d'alumine pour 37% de   silice.   Lorsque de la pyrophyllite est associée au minerai; la teneur en alumine est quelque peu inférieure tandis que la teneur en silice est légèrement supérieure au pour- centage qui vient   d'être   indiqué.

   Pour donner lieu à un produit fini dans lequel la   pr oportion   de l'alumine par rapport à la silice soit d'approxima-   tivement   72 % à 28 % en poids, il est nécessaire d'ajouter une certaine quantité d'alumine à l'état sensiblementpur de façon à parfaire la quantité initiale d'alumine fournie par la   patière   première. 



  Cet  apport   d'aluminepeut êtreréalisé effectivement par l'emploi d'oxyde d'aluminium   à   l'état fondu ou   cristallisé.   On   :peut,   du reste, avoir recours au corindon n aturel pour remplacer l'oxyde d'aluminium lorsqu'on peut se le procurer à l'état sensiblement 

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 pur c'est-à-dire sel on un état pour lequel la quantité totale. des fondants tels que l'oxyde de fer,le titane, la magnésie, la chaux et les alcalis représentent moins de 2 % du total.

   La quantité de silice dans le corindon ou l'alumine fondue peut s'élever jusqu'à 6 % sans que les résultats soient nuisibles; 
Comme matières premières il est préférable d'employer le minerai connu sous le nom de cyanite ou disthène étant donné que, soumis à un traitement' ther- mique, il donne de la mullite avec plus de facilité que les minerais qui l'accompagnent généralement : la   sillimanite   et.l'andalousite bien qu'évidemment il soit possible de substituer l'un ou l'autre de ces derniers au cyanite sans sortir pour cela du domaine de l'inven- tion.

   L'ordre à adopter de préférence est celui qui a été indiqué c'est-à-dire le cyanite,   'La   sillimanite   e't     l'andalousite   pour ce simple fait que le cyanite se concasse plus facilement, la sillimsnite ne venant qu'ensuite à cet égard tandis que   l'andalousite   est celui des trois minerais qui se concasse le plus difficilement. 



   Au cyanite,on mélange une quantité suffisante d'oxyde d'aluminium pour amener la composition de la masse traitée à la composition théorique de la mullite, à savoir : 72 A12   0   pour 28 Si 02. L'oxyde   d'aluminium   peut se présenter sous forme d'alumine pure telle que celle que donne une précipitation chimique opérée en partant de la bauxite ou encore être emprunté à des minerais riches en alumine tels que le diaspore,   'la   bauxite,   l'alunite¯ grillée   et lessivée ou même provenir - 

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 d'autres   sources   condition que les impuretés pré- sentes ne soient pas en proportion suffisante ou de composition telle qu'elles aient un effet nuisible sur le produit résultant. 



   Pour certaines applicati ons comme la fabrication de blocs réfractaires destinés à constituer le garnis- sage do cuves en verre, on a constate que la présence d'oxyde de potassium et de pentoxyde phosphoreux a une répercussion heureuse tandis que, par contre, il est extrêmement nuisible pour le produit s'il doit être   employé   comme grenaille pour la fabrication de matières réfractaires en général et notamment de bri- ques réfractaires destinées à constituer les garnis- sages de chaudières ou dos garnissages analogues. 



   Comme exemple de la façon dont on peut tirer parti de certaines impuretés telles que la potasse et le   pontoxyde   phosphoreux, on peut   s'appesantir   ici   sur   le rôle qu'ils jouent dans la fabrication des matières   réfrac   taires pour cuves en verre. Il est désirable d'avoir par avance la certitude que ces matières réfractaires auront une.porosité ou une capacité d'absorption très faible lorsqu'elles seront en contact avec un liquide de fusion visqueux tel que le verre commun, La grenaille de mullite pure est excessivement réfractaire et lorsqu'elle a été moulée, elle brûle avec une porosité naturelle élevée et avec une structure qui maintient les espaces formés par ses pores en communication mutuelle.

   Or ceci est à éviter le plus possible pour cette simple raison qu'une pareille structure est très facilement atta- 

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 quée et dissoute par le verre fondu par suite de la, facilité avec laquelle le verre fluide pénètre dans les pores. 



   Lorsque par contre la grenaille réfractaire est'pro- duite par le procédé perfectionné ici décrit qui se tra- duit par la formation dans la masse fondue d'un pourcen- tage élevé de cristaux de mullite, la composition de la masse traitée peut comprendre jusqu'à 3% de K2 0 et 0,25 % de P2 05 si l'équilibre de la composition est sensiblement assuré par de l'alumine et de la silice seulement, sans   qu'il   se manifeste d'effets nuisibles à condition que le produit doive être employé comme garnissage réfractaire pour résister à des verres d'émaux essentiellement à base de silicates alcalins. 



   Le rôle assigné aux fondants indiqués ci-dessus est de donner lieu à une structure ramassée, dense, pierreuse, remarquablement exempte de pores intercommu-   nicants   lorsque la grenaille est façonnée en blocs et   s,oumise   à la chaleur de la manière usuelle. 



   Pour la fabrication d'une pareille composition, il est préférable d'utiliser le résidu laissé comme sous-produit dans la récupération de la potasse à même.   l'alunite.   Ce résidu se compose principalement d'oxyde d'aluminium avec un faible pourcentage de silice et le plus souvent de 3   à 4 %   d'oxyde de potassium et 0, 3 à 0,5 % de peut oxyde phosphoreux parmi les autres impuretés.

   Il est essentiel que les fondants à base de chaux et de'magnésie qui sont combinés représentent moins de 1 % du produit final; ils 

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 doivent donc se couver dans le résidu de l'alunite selon une proportion inférieure à 1   %.   On conçoit que ce résidu est employé en pareil cas pour amener la teneur totale en alumine de la masse combinée de cyanite et d'alumine dans la proportion de 73 à 78 qui a été décrite plus haut.

   S'il y a lieu de pré- férer le résidu d'alunite   c'est,   du reste, uniquement pour tirer parti de la potasse et du phosphère qui sont communément associés à l'alunite mais il doit demeurer entendu qu'on pourrait utiliser n'importe quelle autre source d'alumine en ajoutait la potasse et le phosphore pour autant que les impuretés nuisi- bles fussent maintenues dans les limites indiquées, et ce sans sortir du domaine de l'invention. 



   Pour produire une grenaille de mullite de grande pureté convenant à la fabrication d'objets réfractaires peuvent supporter de très lourdes charges aux températures élevée ou servir d'ingrédient princi- pal dans la fabrication des matières réfractaires qui doivent être extrêmement réfractaires tout en possédant une grande porosité par opposition avec l'hypothèse considérée plus haut où, au   contraire,   la porosité était à éviter,

   on a recours à un mélange de cyanite et d'oxyde d'aluminium pur précipité tel que celui qui sert de matière première dans la fabrication du métal aluminium.Il   est   essentiel ici que le cyanite ait une grande pureté en ce qui concerne les fondants bien que de la silice puisse   s'y   trouver en tant que minéral associé selon des quantités pouvant atteindre   20 %   sans que sa présence ait d'effets particulièrement 

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 nuisibles;   toutefois//S'il   ne s'en trouve   pas,   la production de mullite est plus grande si on a concentré le cyanite   jusqu'à   une pureté au moins égale à 95 %.

   Si l'on suppose que   c'est,   du cyanite à 95 % qu'on emploie et que sa teneur totale en impuretés de toute espèce est inférieure à 1 % , le rendement en mullite de cette compo-   sition   représentera 92 % ou davantage de la masse -fondue pour autant que l'opération soit bien conduite. 



   La description ayant porté jusqu'ici sur deux des diverses combinaisons qu'on peut faire avec   la.   matière première pour donner au produit final des carac- téristiques spéciales, la suite va maintenant porter sur la façon dont ces mélanges peuvent ^être transformés en mullite. Il n'a pas été question de toutes les variantes possibles d'application du principe de combinaison du cyanite et de l'alumine mais il doit être   ent'endu   que par l'emploi d'un silicate combiné tel que le cyanite il devient possible de produire une masse de mullite fondue riche en cristaux de mullite nonobstant la pré- sence de fondants qui rendent si difficile .le contrôle des masses fondues renfermant du sable et de l'alumine ou de   l'argile   et de l'alumine en ce qui concerne la teneur en verre. 



   Il est préférable de broyer le minerai ou concentrât de cyanite jusqu'à une finesse au moins égale à celle d'un crible à maillage Nô 40 car pour cette finesse la presque totalité de la gangue ou du quartz mêlé à lui est débarrassé des cristaux de cyanite. Au   surplus,   ce broyage fin permet un meilleur mélange avec   l'alumine   qu'on ajoute. Celle-ci doit également être buoyée jus- 

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 qu'à une   finesse 8A   moins égale à celle d'un crible à maillage No 40 en vue de son mélange avec le cyanite. 



   Il est même avantageux de broyer finement le tout ensemble si cela n'entraîne pas à une trop grande dépense. Après le mélangeage et le malaxage destinés à fournir une composition contenant 72 A12 03 pour 28 Si   02,   il est préférable de mouler la poudre brute en briquettes grossières ou de l'agglomérer sous forme de petits rognons ou nodules en ajoutant une petite quantité d'eau mélassée fluide après quoi la charge se présentant désormais sous forme de rognons ou de briquettes est mise à sécher avant son enfournement, 
Le four à utiliser de préférence pour la transfor- mation en auestion est du type classique à geulard ouvert ou à creuset et chauffé électriquement par le jaillisse- ment d'un arc entre des électrodes en charbon ou en graphite et le bain constitué par la charge liquéfiée renfermée dans un bac en acier.

   Il y a avantage à emplo- yer un four triphasé pour cette raison que l'affinage qui va maintenant être décrit peut être opéré plus avan- tageusement si le bain de charge fondue est maintenu à   @   une tempé rature surchauffée et exempt de taches relati- vement   fraîches   ou froides. 



   Au début de l'opération, la charge ayant été préa- lablement mélangée, analysée et séchée est amenée dans le creuset du four jusqu'à ce que ce dernier soit rempli jusqu'au tiers de sa hauteur. Du coke concassé est alors placé selon une pile triangulaire sur cette charge. 



  Les électrodes sont ensuite abaissées jusqu'à ce que le contact soit établi et que l'arc jaillisse. Immédiatement 

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 une charge additionnelle est amenée autour de l'arc de façon à former les rives d'une masse de charge fondue. Dès que cette   masse:liquide   commence à se former, les électrodes doivent être   abaissées   rapide- ment jusqu'à ce qu'elles s'y trouvent submergées car la résistance de la composition fondue à base de mullite est si élevée qu'elle risquerait d'interrompre le passage du courant à moinsque le voltage ne soit anormalement élevé ou que les électrodes ne soient immergées dans le bain fondu. C'est de ce début opératoire et des deux heures qui suivent que dépend le succès ou l'insuccès de la chauffe.

   Il est à cet égard absolument essentiel que la formation d'une masse liquide profonde s'accomplisse aussi rapidement que possible au début car dans le cas contraire l'ar- rivée du courant tombe tellement bas que toute   forma-   tion d'une masse fondue à faible viscosité s'en trouve rendue impossible. Or   c'ést   de la fluidité du bain que dépend l'élimination du fer et du ferro- silicium hors de ladite masse fondue..

   Si donc   l'arri-   vée du courant est maintenue suffisamment élevée pour "faire pointe" pendant toute la   chauffe   le lingot qui se forme est sensiblement exempt de rognonsde ferro-silicium réduitt car le métal est   tombé   à travers le fluide mince jusqu'au fond dudit lingot duquel il est très facile de le séparer par   refnoi-     dissement   et concassage.

   Par   ailleu@s,   une puissante arrivée de courant et un bain très liquide présentent cet autre avantage de la facilité avec laquelle la croûte non fondue peut être.dégagée du lingot par 

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 suite de l'excellente cristallisation s'avançant   .   jusqu'à 25 mm environ de la croûte, laquelle confère à celle-ci une tendance naturelle à se détacher avec la partie externe représentant environ 12 à 13 mm cons-   tituée   par la partie demi-fondue ou mal cristallisée du lingot. 



   Le lingot résulta.nt de la fusion d'une masse de cyanite et d'alumine se révèle comme sensiblement constitué rien que par des cristaux de nullité de la partie supérieure de :la Liasse liquide jus qu'à 25 mm environ de la perle de   ferro-siliciura   qui se trouve au fond. Par ailleurs, lorsque la matière première est constituée par de l'alumine et du sable ou de l'alumine et de l'argile, on constate qu'il est nécessaire d'en séparer une quantité allant de un tiers à la moitié du poids total par suite de la cristallisation imparfaite. 



  Il se manifeste une tendance à la formation de carbure de silicium au fond du lingot   à   cause du fort pourcen- tage de silice libre qui se trouve dans la masse trai- tée et de la, nécessité où l'on se trouve d'employer une grande quantité de coke pour faire jaillir l'arc et donner naissance à la masse liquide au début. Au fur et à mesure   que la   fusion progresse en intéressant la masse de sable et   d'alumine.,   le sable fond avant l'alu- mine de sorte que le bain contient au début un verre siliceux fondu qui graduellement se dissout en entrai- nant avec lui l'oxyde d'aluminium libre qui se trouve dans la masse traitée. 



   Lorsqu'on utilise du cyanite et de   l'alumine,   le premier produit qui se forme est de la mullite parce 

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 que  c'est   le   compose   qui résulte du chauffage du cyanite, l'excès de silice qui s'y trouve se   vitri-   fiant. Il y a lieu toutefois de noter que dans ce cas beaucoup de verre réagira avecl'alumine libre puisque précisément quand on chauffe la masse traitée ici c'est de la mullite qui se forme en premier lieu tandis qu'aveo des mélanges de sable et d'alumine le premier produit qui se forme est du verre siliceux. Dans ce dernier cas, il n'y a rien dans la masse fondue qui exerce une action   "mûrissante"   qui favoriss la crois- sance de cristaux supplémentairesde composition analogue.

   Au contraire, avec la masse traitée ici,le premier produit qui se forme est de la mullite qui précisément est le produit qu'on se propose d'obtenir. 



  Il se manifeste donc une tendance "mûrissante" marquée   @   sur la masse fondue de sorte que les lingots de cyanite et d'alumine fournissent une proportion régulière   ap-     proximative   de 90 % de cristal de qualité A à faible teneur en verre et forte teneur en mullite tandis que les lingots de sable et d'alumine fournissent plus de 60 % de cristal   de'qualité     A   qui fréquemment a une forte teneur en verre. 



   Comme le prix de revient du produit est naturel- lement proportionnel au rendement en produit marchand par tonne de charge brute et par kilowatt-heure d'é- nergie électrique dépensée, on conçoit que le procédé perfectionné ici décrit permet de réaliser des écono- mies importantes qui représentent effectivement 40 % par rapport aux anciens   procédés.   

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   En outre., la aleur du produit final se mesure eu fonction de sa teneur en mullite, cette valeur 's'élevant rapidement à mesure que la teneur en verre- corindon baisse et que celle en mullite s'élève. 



   L'emploi d'un four triphasé est à préférer car il procure une meilleure répartition de la chaleur et facilite le maintien d'un bain très fluide. A cet égard il n'a pas été possible de répéter les résultats fournis par un four triphasé avec un four monophasé par suite de la tendance que manifestait le bain à se soli- difier partiellement à une faible distance des élec-   trodes.   



   Revendications : - :-:-:-:-:-:-:-:-:-: 
1.- Un procédé de fabrication de produits réfrac- taires consistant essentiellement à traiter par la chaleur un mélange comprenant une matière fibreuse de même nature que le cyanite et de l'alumine précipitée dans des conditions propres à assurer la formation d'une matière ayant les caractéristiques de la mullite et   pbssédant   un grand degré de pureté.

Claims (1)

1. 2.- Un procédé selon la revendication 1 dans lequel la matière de même nature que le cyanite possède une grande pureté quant aux fondants.

   3.- Un procédé selon la revendication 1.comportant l'utilisation de la matière fibreuse en tant que concentrat ayant une pureté approximative de 95 % les impuretés étant maintenues à moins de 1 %, le reste étant de la silice.

   4.- Un procédé selon la revendication' 1 comportant <Desc/Clms Page number 14> la mise du mélangeflous; forme de briquettes.

   5.- Un procédé selon la revendication 1 compor- tant l'emploi dans le fondant d'un alcali et de pentoxyde phosphoreux avec une prédominance marquée du premier sur le second.

   6.- Un procédé selon la revendication 1 comportant l'emploi dans le fondant d'oxyde de potas- sium et de pentoxyde phosphoreux selon des quantités approximatives de 3 % pour le premier et 0,25% pour le second, la teneur en substance alcalino-terreuses étant maintenue au-dessous de 1 %.

   7.- Un procédé selon la revendication 1 consistant à enfourner la charge, à la faire fondre et à maintenir la fluidité du bain à un degré tel que les constituants lourds du bain se précipitent d'eux-mêmes au fond de la masse fondue et puissent "etre aisément éliminés.

   8.- Un procédé selon la revendication 1 comportant un chauffage de la charge dans un four polyphasé.

   9.- Un procédé selon la revendication 1 consistant à enfourner la charge dans un four triphasée à la recouvrir de coke, à faire jaillir un arc pour la faire fondre tout en enfournant de nouvelles quantités autour de l'arc de façon à former un talus autour de sa partie déjà fondue, à submerger rapidement les électrodes dans la masse liquide de charge fondue, et à maintenir cette charge fondue selon une grande fluidité de façon à faciliter la séparation des impuretés.

   10.- Un procédé selon la revendication 1 consistant à faire fondre la partie principale de la charge et à tirer parti de la fluidité de la masse fondue pour <Desc/Clms Page number 15> éliminer la partie non fondue eu croûte à même le lingot produit.

   11.- Un procédé selon la revendication 1 consistant à faire fondre la charge dans des condi- tions favorisant la formation d'un lingot constitua sensiblement rien que par des cristaux de mullite.

   12.- Un procédé selon la revendication 1 consistant à faire fondre la charge dans des conditions favorisant la formation d'un lingot à forte teneur en cristaux ayant la nature de la. mullite et à faible teneur en verre.

   13.- Un procédé selon la revendication 1 consis- tant à constituer la charge à l'aide d'un silicate d'aluminium fibreux de :la nature du cyanite et à faciliter par là même la formation de mullite tout en réduisant dans la masse résultante le pourcentage de verre et de corindon qui sont indésirables et en grande proportion lorsque la mullite n'est obtenue qu'en faible quantité.

   14.- Le procédé de traitement par la, chaleur de matériaux réfractaires consistant à enfourner une charge de ces matériaux dans un four électrique, à faire jaillir un arc multiple de façon à donner nais- sance à une masse fondue dans la zone desservie par les électrodes et hors de cette zone sur une distance sensiblement uniforme pour produire un lingot homogène.

   15.- Un procédé selon la revendication 1 consistant à constituer la charge à l'aide d'un seul constituant : un silicate d'aluminium dont pratiquement toute l'alumine et toute la silice soient chimiquement combinées <Desc/Clms Page number 16> ce qui facilite 11 formation de mullite tout en réduisant dans le produit résultant le pourcentage de verre et de corindon indésirables qui s'y trouvent en grandes proportions lorsque la mullite n'est ob- tenue qu'en faible quantité.

   16.- De la mullite synthétique comprenant de l'alumine et de la silice fondues et présentant un équilibre chimique sensiblement parfaite sensiblement exempte de cristaux de corindon et de verre siliceux.

   17.- Une composition céramique constituée par un mélange d'argile et de mullite synthétique sensible- ment exempte de cristaux de corindon et de verre siliceux.

   18.- Le procédé de production de mullite syn- thétique consistant à mélanger un minerai renfermant de l'alumine et de la silice dans la. proportion ap- proximative d'une molécule d'alumine pour une molécule de silice avec une matière supplémentaire renfermant de l'alumine et susceptible de fournir suffisamment d'alumine additionnelle pour réaliser dans l'intégra- lité du mélange une proportion approximative de 72% d'alumine pour 28 % de silice en poidset à faire fondre ce mélange.

   19. - Le procédé de production de mullite synthé-. tique consistant à faire fondre des minerais de caté- gorie renfermant de l'alumine et de la silice et présentant une proportion en poids d'alumine et de silice approximativement égale à 63 % pour 37% avec une matière renfermant de l'alumine et susceptible de réaliser dans l'intégralité du mélange. une propor tion <Desc/Clms Page number 17> approximative de 72/% d'alumine pour 28 % de silice, et à faire fondre ce mélange.

   20.- Le procédé de production de mullite synthé- tique consistant à mélanger un minerai renfermant de l'alumine et de la silice avec une substance propre à réaliser un apport d'un de ces deux ingrédients cons- titutifs du minerai de façon à donner lieu à une masse contenant uniformément approximativement 3 molécules d'alumine pour 2 molécules de silice, à réduire cette masse à l'état pulvérulent, à mettre cette masse pulvérulente sous forme de briquettes et enfin à faire fondre la matière constitutive des briquettes.