Rouleaux céramiques renforces pour fours. Reinforced ceramic rolls for ovens.
L'invention concerne les rouleaux céramiques pour fours à rouleaux.The invention relates to ceramic rollers for roller ovens.
Un four à rouleaux est un four à passage dont la sole est composée de rouleaux céramiques disposés parallèlement les uns aux autres et mis en rotation autour de leur axe central au moyen d'un système d'entraînement. Tous les rouleaux tournent dans le même sens et sensiblement à la même vitesse. Ce mouvement entraîne la charge à cuire à travers le four. Ces fours sont principalement employés pour la cuisson des carreaux céramiques utilisés pour le revêtement des sols et des murs . Les carreaux à cuire sont posés directement sur les rouleaux à l'entrée du four. Toutefois, les fours à rouleaux sont également utilisés pour cuire des pièces de forme complexe : articles de vaisselle, éléments de sanitaire, substrats pour l'électronique. Dans ce cas, les produits à cuire sont chargés sur des dalles formant supports, celles-ci étant alors posées sur les rouleaux..A roller oven is a passage oven whose bottom is made up of ceramic rollers arranged parallel to each other and rotated around their central axis by means of a drive system. All the rollers rotate in the same direction and at substantially the same speed. This movement causes the load to be cooked through the oven. These ovens are mainly used for firing ceramic tiles used for coating floors and walls. The cooking tiles are placed directly on the rollers at the entrance to the oven. However, roller ovens are also used to cook complex shaped items: tableware, sanitary fittings, electronics substrates. In this case, the products to be cooked are loaded onto slabs forming supports, these then being placed on the rollers.
Les rouleaux actuels ont une longueur de 1200 à 4000 mm et leur diamètre extérieur est compris entre 25 et 55 mm pour une épaisseur de parois de 5 à 6 mm.Current rollers have a length of 1200 to 4000 mm and their outside diameter is between 25 and 55 mm for a wall thickness of 5 to 6 mm.
Ils s'ont soumis à divers types de contraintes : D Contraintes mécaniques :They s' are subjected to various types of stress: D Mechanical Stresses:
" poids propre et charges provenant des produits à cuire ;"dead weight and loads from the products to be cooked;
• fatigue dynamique (rotation) . D Agressions chimiques :• dynamic fatigue (rotation). D Chemical attacks:
" par les vapeurs alcalines dégagées par les produits à cuire ; • par oxydation (dans le cas des rouleaux en SiC) .
α Gradients thermiques : entre la partie située à l'intérieur du four et les extrémités traversant les parois du four. π Chocs thermiques : m lors de l'introduction d'un rouleau neuf froid dans un four en fonctionnement pour remplacer un rouleau défaillant ;"by the alkaline vapors given off by the products to be cooked; • by oxidation (in the case of SiC rolls). α Thermal gradients: between the part located inside the oven and the ends passing through the walls of the oven. π Thermal shocks: m when a cold new roller is introduced into an operating oven to replace a faulty roller;
" lors des mises en veilleuse ou arrêts pour entretien. II existe trois types de rouleaux sur le marché :"during standby or maintenance shutdowns. There are three types of rollers on the market:
- les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base d'oxydes cuits à température modérée (< 1500°C) , tels que les matériaux alumine-mullite-cordiérite (comme le matériau Siroll LP commercialisé par la Société Nuova Sirma, Italie) ; - les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température (>1500°C) ;- rollers formed of refractory materials based on oxides baked at moderate temperature (<1500 ° C), such as alumina-mullite-cordierite materials (such as the Siroll LP material sold by the company Nuova Sirma, Italy); - rolls based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at very high temperature (> 1500 ° C);
- les rouleaux formés de matériaux réfractaires à base de carbure de silicium et/ou de nitrure de silicium et/ou d'oxynitrure de silicium et/ou de sialon (appelés ci-après matériaux à base d'au moins un composé du silicium), tels que les matériaux formés de grains de Sic liés par un liant nitrure de silicium (tel que le matériau Advancer commercialisé par la Société Norton) , le carbure de silicium recristallisé (tel que le produit Crystar de Norton) , ou les matériaux à base de carbure de silicium imprégnés de silicium.- rollers formed of refractory materials based on silicon carbide and / or silicon nitride and / or silicon oxynitride and / or sialon (hereinafter called materials based on at least one silicon compound) , such as materials formed from Sic grains bound by a silicon nitride binder (such as the Advancer material sold by the company Norton), recrystallized silicon carbide (such as the Norton Crystar product), or materials based of silicon carbide impregnated with silicon.
Les rouleaux à base d'oxyde cuits à température modérée ont l'inconvénient de ne supporter que des charges modestes: ainsi, les meilleurs rouleaux à base d'alumine-mullite- cordiérite sont limités à des charges maximales telles que la contrainte de flexion totale (charge + poids propre) , soit inférieure à 50 kg/cm2 pour une température maximale d'emploi inférieure ou égale à 1250°C. Ceci limite fortement leur utilité pour certaines applications. Les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à très haute température supportent des contraintes de flexion pouvant atteindre 80 kg/cm2 pour des
températures d'emploi maximales inférieures ou égales à 1300-1350°C, mais leur coût est très supérieur à celui des rouleaux cuits à basse température.Rollers based on oxide baked at moderate temperature have the disadvantage of only supporting modest loads: thus, the best rolls based on alumina-mullite-cordierite are limited to maximum loads such as the total bending stress (load + self-weight), i.e. less than 50 kg / cm 2 for a maximum working temperature less than or equal to 1250 ° C. This greatly limits their usefulness for certain applications. Rolls based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at very high temperatures withstand bending stresses of up to 80 kg / cm 2 for maximum working temperatures less than or equal to 1300-1350 ° C, but their cost is much higher than that of rolls baked at low temperature.
Par contre, les rouleaux formés d'un matériau à base d'au moins un composé du silicium supportent des contraintes de flexion de 200 à 500 kg/cm2, pour une température limite d'emploi pouvant atteindre 1600°C, mais leur coût est de 7 à 20 fois celui des rouleaux à base d'oxydes.On the other hand, the rollers formed from a material based on at least one silicon compound withstand bending stresses of 200 to 500 kg / cm 2 , for a limit temperature of use which can reach 1600 ° C., but their cost is 7 to 20 times that of the oxide-based rollers.
Il serait donc très utile à l'industrie de disposer de rouleaux présentant des propriétés améliorées par rapport aux rouleaux à base d'oxydes classiques, tout en étant moins onéreux que les rouleaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite frittes à très haute température ou à base d'au moins un composé du silicium actuellement commercialisés.It would therefore be very useful for industry to have rollers having improved properties compared to rollers based on conventional oxides, while being less expensive than rollers based on alumina, alumina-mullite or mullite. very high temperature frits or based on at least one silicon compound currently sold.
L'invention vise à satisfaire ce besoin. Plus précisément, l'invention concerne un rouleau composite pour fours à rouleaux comprenant un rouleau extérieur creux en un matériau céramique réfractaire à base d'oxydes et un élément de renforcement en un matériau réfractaire présentant un module d'élasticité à 1200°C plus élevé que celui du matériau du rouleau extérieur, disposé à l'intérieur du rouleau extérieur, la plus grande dimension de la section transversale de l'élément de renforcement étant légèrement inférieure au diamètre intérieur du rouleau extérieur.The invention aims to satisfy this need. More specifically, the invention relates to a composite roller for roller ovens comprising a hollow outer roller made of a refractory ceramic material based on oxides and a reinforcing element made of a refractory material having a higher modulus of elasticity at 1200 ° C. than that of the material of the outer roller, arranged inside the outer roller, the largest dimension of the cross section of the reinforcing element being slightly less than the inner diameter of the outer roller.
Avantageusement le module d'élasticité à 1200°C du matériau de l'élément de renforcement est égal à au moins 2 fois celui du rouleau extérieur et, de préférence, à au moins 3 fois. Le module de l'élément de renforcement peut être jusqu'à 20 fois, et même plus, supérieur à celui du matériau de l'élément extérieur.Advantageously, the modulus of elasticity at 1200 ° C. of the material of the reinforcing element is equal to at least 2 times that of the outer roller and, preferably, to at least 3 times. The modulus of the reinforcing element can be up to 20 times, and even more, than that of the material of the external element.
Le rouleau extérieur sera habituellement réalisé en un matériau à base d'oxydes bon marché convenant à la fabrication de rouleaux de fours, par exemple en un matériau à base d'oxydes cuit à température modérée, tel qu'un matériau alumine-mullite cordiérite précité. Un tel matériau
a typiquement un module d'élasticité à 1200°C de 10 à 25 GPa. L'épaisseur de paroi du rouleau extérieur est typiquement de l'ordre de 5-6 mm, sans que ces valeurs aient une importance critique. L'élément de renforcement intérieur peut présenter diverses formes, par exemple celle d'un cylindre creux ou celle d'un barreau creux à section hexagonale, carrée, triangulaire ou d'un profilé en forme de X.The outer roller will usually be made of an inexpensive oxide material suitable for the manufacture of oven rolls, for example an oxide material baked at moderate temperature, such as the aforementioned alumina-mullite cordierite material. . Such a material typically has a modulus of elasticity at 1200 ° C of 10 to 25 GPa. The wall thickness of the outer roller is typically of the order of 5-6 mm, without these values being of critical importance. The internal reinforcement element can have various shapes, for example that of a hollow cylinder or that of a hollow bar with hexagonal, square, triangular section or an X-shaped profile.
De préférence, pour des raisons d'économie de matière, de résistance mécanique et de facilité de fabrication, on utilisera un élément de renforcement cylindrique creux, c'est-à-dire en forme de tube, ayant une épaisseur de paroi de l'ordre de 1,5 à 4 mm.Preferably, for reasons of economy of material, mechanical strength and ease of manufacture, use will be made of a hollow cylindrical reinforcing element, that is to say in the form of a tube, having a wall thickness of the 1.5 to 4 mm.
L'élément de renforcement peut être réalisé, par exemple, en un matériau à base d'oxydes cuits à haute température, tel qu'un matériau à base d'alumine, d'alumine- mullite ou de mullite ou un matériau à base d'au moins un composé du silicium tel que ceux mentionnés ci-dessus, entre autres. Les matériaux à base d'alumine, d'alumine-mullite ou de mullite cuits à haute température ont typiquement un module d'élasticité à 1200°C de 50 à 200 GPa, tandis que les matériaux à base d'au moins un composé du silicium ont typiquement un module d'élasticité à 1200°C de 150 à 400 GPa. L'élément de renforcement intérieur présente avantageusement une longueur inférieure ou égale à 0,9 fois celle du rouleau extérieur à renforcer. Pour des raisons d'économie de matière, on préfère employer un élément de renforcement de longueur substantiellement inférieure à celle du rouleau extérieur, par exemple d'une longueur représentant 0,15 à 0,65 fois celle du rouleau extérieur. Par exemple, pour un rouleau extérieur de 3 m de long, l'élément de renforcement a de préférence une longueur de 0,5 à 2 m environ. La dimension maximale de la section transversale de l'élément de renforcement doit être légèrement inférieure à celle du diamètre intérieur du rouleau extérieur pour
permettre à l'élément de renforcement d'être mis en place et d'exercer son action dès que le rouleau extérieur fléchit un peu sous une charge. Par exemple un jeu de 0,1 à 0,5 mm est habituellement satisfaisant sans que ces valeurs soient critiques.The reinforcing element can be made, for example, of a material based on oxides baked at high temperature, such as a material based on alumina, alumina-mullite or mullite or a material based on at least one silicon compound such as those mentioned above, among others. Materials based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at high temperature typically have a modulus of elasticity at 1200 ° C of 50 to 200 GPa, while materials based on at least one compound of silicon typically have a modulus of elasticity at 1200 ° C from 150 to 400 GPa. The internal reinforcement element advantageously has a length less than or equal to 0.9 times that of the external roller to be reinforced. For reasons of economy of material, it is preferred to use a reinforcing element of length substantially less than that of the outer roller, for example of a length representing 0.15 to 0.65 times that of the outer roller. For example, for an external roller 3 m long, the reinforcing element preferably has a length of approximately 0.5 to 2 m. The maximum dimension of the cross section of the reinforcing element should be slightly less than that of the inside diameter of the outside roller to allow the reinforcing element to be put in place and exert its action as soon as the outer roller bends a little under a load. For example, a clearance of 0.1 to 0.5 mm is usually satisfactory without these values being critical.
L'élément de renforcement sera avantageusement centré par rapport aux appuis du rouleau sur les paliers du four supportant le rouleau, ou encore par rapport aux charges supportées par le rouleau en service, de façon que le rouleau extérieur à base d'oxydes se trouve renforcé mécaniquement dans la zone où règne, en service, la contrainte de flexion maximale.The reinforcing element will advantageously be centered with respect to the supports of the roller on the bearings of the oven supporting the roller, or also with respect to the loads supported by the roller in service, so that the external oxide-based roller is reinforced. mechanically in the area where the maximum bending stress prevails in service.
L'expérience a montré qu'il n'était pas nécessaire d'interposer du feutre céramique ou une couche de colle ou de ciment entre l'élément de renforcement et le rouleau extérieur. Au cours de l'assemblage, l'élément de renforcement peut être maintenu en place par un peu de colle organique. Lors de la mise en service, celle-ci brûle et l'élément de renforcement sera maintenu en place dans la position choisie par l'effet de flèche.Experience has shown that it is not necessary to interpose ceramic felt or a layer of glue or cement between the reinforcing element and the outer roller. During assembly, the reinforcing element can be held in place with a little organic glue. During commissioning, it burns and the reinforcing element will be held in place in the position chosen by the arrow effect.
Sur le dessin, la figure unique est une vue, en coupe longitudinale, d'un rouleau composite conforme à l'invention.In the drawing, the single figure is a view, in longitudinal section, of a composite roller according to the invention.
Sur la figure, la référence 1 désigne le rouleau extérieur à base d'oxydes, la référence 2 un élément de renforcement en forme de tube et de longueur inférieure à celle du rouleau extérieur, la référence 3 désigne les zones où le rouleau sera, en service, en appui sur des paliers, et la référence 4 désigne la partie du rouleau qui saillera du four et recevra des moyens d'entraînement du rouleau, par exemple une roue dentée (non représentée) .In the figure, the reference 1 designates the exterior oxide-based roller, the reference 2 a reinforcing element in the form of a tube and of length shorter than that of the exterior roller, the reference 3 designates the areas where the roller will be, in service, supported on bearings, and the reference 4 designates the part of the roller which will project from the oven and will receive means for driving the roller, for example a toothed wheel (not shown).
L'exemple non limitatif suivant est donné dans le but d'illustrer l'invention. E X E M P L E On a réalisé des rouleaux composites du type de celui représenté sur la figure dont le rouleau 1 était réalisé en SIROLL LP (matériau du type Alumine-Mullite-Cordiérite
commercialisé par la Société Nuova Sirma) et présentait les caractéristiques suivantes :The following nonlimiting example is given for the purpose of illustrating the invention. EXAMPLE Composite rollers of the type shown in the figure were produced, the roller 1 of which was produced from SIROLL LP (material of the Alumina-Mullite-Cordierite type) marketed by the Nuova Sirma Company) and had the following characteristics:
- rayon extérieur 20 mm- outside radius 20 mm
- rayon intérieur 15 mm - longueur 3 m- internal radius 15 mm - length 3 m
- module d'Young à 1200°C 22000 Mpa- Young's modulus at 1200 ° C 22000 Mpa
- coefficient de dilatation 5,2 x ÎO"6-."1 - coefficient of expansion 5.2 x ÎO "6 -. " 1
- masse volumique 2360 kg/m3 L'élément de renforcement 2 était réalisé en ADVANCER (grains de Sic liés par un liant nitrure de silicium commercialisé par la Société Norton) et présentait les caractéristiques suivantes :- density 2360 kg / m 3 The reinforcing element 2 was made of ADVANCER (Sic grains bound by a silicon nitride binder sold by the company Norton) and had the following characteristics:
- rayon extérieur 14,5 mm- outer radius 14.5 mm
- rayon intérieur 12,5 mm - longueur 0,5 m- internal radius 12.5 mm - length 0.5 m
- module d'Young à 1200°C 225000 Mpa- Young's modulus at 1200 ° C 225000 Mpa
- coefficient de dilatation 4,8 x ÎO^K'1 - coefficient of expansion 4.8 x ÎO ^ K '1
- masse volumique 2820 kg/m3 Les rouleaux ainsi produits ont été montés dans un four à rouleaux destiné à la cuisson de carreaux céramiques à une température de l'ordre de 1200°C.- density 2820 kg / m 3 The rollers thus produced were mounted in a roller oven intended for firing ceramic tiles at a temperature of the order of 1200 ° C.
La distance entre les appuis de chaque rouleau sur les paliers du four était de 2,91 m et la longueur chargée était de 1,83 m. Première expérienceThe distance between the supports of each roller on the bearings of the oven was 2.91 m and the loaded length was 1.83 m. First experience
On a comparé la flèche prise par ces rouleaux composites à celle de rouleaux identiques en SIROLL LP non renforcés et à celle de rouleaux en Advancer de géométrie identique ayant une épaisseur de paroi de 5-6 mm. On constate que le poids des éléments de renforcement en Advancer entraîne à vide un accroissement de la flèche des rouleaux composites d'environ 1 mm, par rapport à celle des rouleaux en Siroll LP non renforcés. Par contre, en faisant circuler une charge dans le four, correspondant à une charge de 1,25 kg par rouleau répartie sur la portion centrale du rouleau, de longueur 1,83 m, on remarque que les rouleaux composites de l'invention présentent une flèche
environ 3 fois plus faible que celle des rouleaux non renforcés : 3,4 mm au lieu de 11,1 mm, tandis que la flèche des rouleaux en Advancer est de 2 mm. Deuxième expérience On a chargé les rouleaux en Siroll LP avec une charge de 3 kg par rouleau répartie sur une longueur de 1,83 m. La flèche mesurée est de 12 mm et la rupture survient très rapidement, après quelques heures de fonctionnement.The deflection taken by these composite rollers was compared with that of identical rollers in SIROLL LP unreinforced and that of Advancer rollers of identical geometry having a wall thickness of 5-6 mm. It can be seen that the weight of the Advancer reinforcement elements results in an increase in deflection of the composite rolls of about 1 mm when empty, compared to that of the rolls made of unreinforced Siroll LP. On the other hand, by circulating a load in the oven, corresponding to a load of 1.25 kg per roll distributed over the central portion of the roll, length 1.83 m, it is noted that the composite rollers of the invention have a arrow about 3 times lower than that of unreinforced rollers: 3.4 mm instead of 11.1 mm, while the deflection of the Advancer rollers is 2 mm. Second experiment The rolls were loaded with Siroll LP with a load of 3 kg per roll distributed over a length of 1.83 m. The deflection measured is 12 mm and the rupture occurs very quickly, after a few hours of operation.
Par contre, la flèche mesurée est de 6,0 mm pour les rouleaux composites de l'invention supportant la même charge.On the other hand, the deflection measured is 6.0 mm for the composite rollers of the invention supporting the same load.
La présente invention permet donc d'obtenir des performances en service très supérieures à celles des rouleaux à base d'oxydes standards pour un coût inférieur à celui des rouleaux en matériau cuit à haute température et très inférieur à celui des rouleaux à base d'au moins un composé du silicium. En effet, l'élément de renforcement utilisé dans l'invention présente un volume très inférieur à celui d'un rouleau réalisé entièrement en matériau à haute performance, du fait que son diamètre, son épaisseur de paroi et sa longueur peuvent être bien moindres.The present invention therefore makes it possible to obtain performance in service much higher than that of rolls based on standard oxides at a cost lower than that of rolls made of material baked at high temperature and much lower than that of rollers based on minus a silicon compound. Indeed, the reinforcing element used in the invention has a volume much lower than that of a roller made entirely of high performance material, because its diameter, its wall thickness and its length can be much less.
L'invention permet également d'exploiter la bonne rigidité à chaud des matériaux à base d'alumine, d'alumine- mullite ou de mullite cuits à haute température (surcuits) , sans risquer une rupture par choc thermique, lors de leur introduction dans un four en marche. En effet, le rouleau extérieur, très résistant au choc thermique constitue une enveloppe protectrice pour l'élément de renforcement intérieur, sensible au choc thermique. II va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et l'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention.
The invention also makes it possible to use the good hot stiffness of materials based on alumina, alumina-mullite or mullite baked at high temperature (overcooked), without risking rupture by thermal shock, when they are introduced into an oven on. Indeed, the outer roller, very resistant to thermal shock, constitutes a protective envelope for the internal reinforcement element, sensitive to thermal shock. It goes without saying that the embodiment described is only an example and it could be modified, in particular by substitution of technical equivalents, without departing from the scope of the invention.