COMPOSICIÓN DE BASE PARA LA FABRICACIÓN DE OBJETOS REFRACTARIOS ELABORADOS A BASE DE SIC Y PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN DE OBJETOS MOLDEADOS CORRESPONDIENTES.

Composición de base para la fabricación de productos elaborados refractarios a base de carburo de silicio SiC,

caracterizada porque contiene, en peso, - de 4 % a 8 % de un polvo de silicio metálico que tiene una granulometría inferior a 10 µm, preferentemente una granulometría media comprendida entre 6 µm y 7 µm, - al menos un 3 % de un polvo de aluminio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 45 µm, y - al menos un 85 % de un polvo de carburo de silicio α-SiC, representando la suma de estos tres constituyentes un 100 %, siendo como máximo el contenido global de posibles impurezas un 0,5 % en peso

La presente invención se refiere al campo de la fabricación de productos elaborados refractarios, más concretamente al de la fabricación de objetos refractarios a base de carburo de silicio SiC y especialmente al de la fabricación de ladrillos o baldosas moldeadas con un alto contenido en SiC, concretamente ladrillos o baldosas destinados a usarse en la fabricación de cubas electrolíticas como las que se utilizan en la fabricación de aluminio por vía electrolítica.

Tiene por objeto una composición de base, es decir, una premezcla en forma de polvo especialmente útil en la puesta en práctica de los procedimientos de fabricación de dichos objetos o productos elaborados, preferentemente moldeados, de SiC. Igualmente, tiene por objeto un procedimiento de fabricación de un objeto moldeado realizado a base de carburo de silicio así como a la utilización de los productos obtenidos en la industria, concretamente en la fabricación o revestimiento de las cubas electrolíticas que se utilizan en la fabricación de aluminio por vía electrolítica.

Durante dicho procedimiento, la reducción de la alúmina (Al2O3) a metal (Al) se lleva a cabo en cubas electrolíticas a las que se aplica una corriente continua. Dichas cubas por lo general están realizadas en forma de artesas de acero rectangulares con los laterales revestidos por ladrillos refractarios a base de SiC y en las que los bloques de carbono que constituyen el fondo de dichas cubas forman el cátodo. Contienen un electrolito en fusión en el que se disuelve la alúmina y que está constituido en su mayor parte por criolita (Na3AlF6) y por una cantidad mucho menor de fluorita (CaF2).

En los últimos años, los materiales cada vez más utilizados en el revestimiento lateral de las cubas de electrólisis han sido materiales refractarios a base de nitruro unido a SiC (Si3N4) en sustitución de los materiales tradicionales a base de SiC y/o de carbono.

En cualquier caso, la fase de nitruro de silicio (Si3N4) que actúa como aglutinante en los materiales conocidos de SiC resiste mal los efectos corrosivos de la criolita y de los gases agresivos, especialmente el NaAlF4, que se forman durante el procedimiento electrolítico y que son causa de un exceso de degradación de dichas paredes que necesitan operaciones laboriosas y costosas de reparación o sustitución.

Existe por tanto una necesidad real de proporcionar un material refractario que pueda moldearse como ladrillo, baldosa o análogo que permita fabricar paredes para cubas o un revestimiento para estas últimas que sea más resistente a los agentes químicos agresivos, en particular al flúor o a los derivados fluorados, y más concretamente a la criolita, presentes en los baños electrolíticos utilizados en la producción de aluminio presentando al mismo tiempo propiedades mecánicas suficientes, preferentemente al menos equivalentes y más preferentemente superiores, a las de los materiales conocidos así como que tengan costes de retorno aceptables.

Para responder a esta necesidad, el titular ha puesto a punto una composición de base específica en forma de polvo que permite obtener, gracias igualmente a un procedimiento de fabricación novedosos, un producto u objeto refractario moldeado con un elevado contenido en SiC y cuya resistencia a dichos agentes químicos mencionados se equipara en gran medida con la del mismo objeto realizado en SiC nitrurado conocido, y cuyas restantes propiedades físicas o mecánicas son al menos equivalentes, e incluso mejores, que las de los materiales empleados en la actualidad.

En particular, los productos según la invención presentan un contenido global en SiC (en forma de α y/o β) netamente superior al de los materiales conocidos, es decir, contenidos superiores al 95 % en peso frente a los contenidos habituales comprendidos entre 74 % y 78 % en peso para los SiC unidos al nitruro Si3N4.

Por tanto, la presente invención tiene por objeto una composición de base para la fabricación de

productos elaborados refractarios a base de carburo de silicio SiC, caracterizada porque contiene, en peso,

⎯ de 4% a 8% de un polvo de silicio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 10 µm,

⎯ al menos un 3 % de un polvo de aluminio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 45 µm,

⎯ al menos un 85 % de un polvo de carburo de silicio α-SiC, representando la suma de estos tres

constituyentes un 100 %, siendo como máximo el contenido global de posibles impurezas un 0,5 % en peso.

La invención igualmente tiene por objeto un procedimiento de fabricación de un objeto moldeado

realizado a base de carburo de silicio, caracterizado porque comprende esencialmente las etapas que consisten en: ⎯ poner a disposición una composición de base pulverulenta según la invención, ⎯ agregar a dicha composición de base pulverulenta, un compuesto aglutinante (preferentemente orgánico) carbonado líquido susceptible de transformar el silicio metálico de dicha composición en carburo de silicio SiC, preferentemente en β-SiC, durante el tratamiento térmico apropiado posterior, mezclar los componentes y dejar reposas la mezcla homogénea obtenida hasta la obtención de una mezcla pastosa apta para conformarse posteriormente por prensado, ⎯ transferir dicha mezcla pastosa a un molde y comprimir progresivamente dicha mezcla bajo una presión de compresión máxima comprendida entre 500 y 1500 kg/cm2, para obtener el objeto moldeado deseado, procedimiento por lo menos a un primer desgasificado cuando la presión de compresión alcanza 1/3 del valor de dicha presión máxima y a un segundo desgasificado cuando la presión de compresión alcanza 2/3 del valor de dicha presión máxima, ⎯ hornear el objeto comprimido obtenido a una temperatura comprendida entre 150 °C y 300 °C, durante al menos 4 horas, ⎯ someter el objeto calentado a un tratamiento térmico en atmósfera reductora o inerte a una temperatura de al menos 1350 °C con el fin de transformar la totalidad o la casi totalidad del silicio metálico en SiC por reacción con dicho compuesto orgánico carbonado.

La presente invención permite obtener un producto elaborado, en particular un ladrillo o baldosa refractaria moldeada, a base de carburo silicio susceptible de ser obtenido por la aplicación del procedimiento según la invención, caracterizado porque presenta:

⎯ un contenido total en SiC de al menos un 95 % en peso, ⎯ una densidad aparente superior a 2,50 g/cm3, ⎯ una porosidad inferior a 18 %, y ⎯ una resistencia al aplastamiento en frío de al menos 100 N/mm2.

El producto obtenido mediante la aplicación del procedimiento según la invención puede utilizarse para la fabricación de ladrillos o baldosas refractarios, en particular para la fabricación de ladrillos o baldosas refractarios útiles para la construcción de cubas electrolíticas empleadas en la fabricación de aluminio por electrólisis.

La invención se comprenderá mejor, gracias a la descripción que sigue, que se refiere a las realizaciones preferidas, dadas como ejemplos no limitantes.

Según la invención, la composición de base para la fabricación de productos elaborados refractarios a

base de carburo de silicio SiC, se caracteriza porque contiene, en peso, ⎯ de 4% a 8% de un polvo de silicio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 10 µm, ⎯ al menos un 3 % de un polvo de aluminio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 45 µm, y ⎯ al menos un 85 % de un polvo de carburo de silicio α-SiC, representando la suma de estos tres constituyentes un 100 %, siendo como máximo el contenido global de posibles impurezas un 0,5 % en peso.

En efecto, el demandante ha constatado de forma sorprendente e inesperada que la presencia de una cantidad específica de aluminio metálico en la composición de base permitiría obtener productos terminados a base de SiC que presentan las propiedades químicas y físicas buscadas a la vez que sigue siendo adecuada para una aplicación industrial práctica y económicamente rentable.

De forma ventajosa, el polvo de silicio metálico tiene una granulometría promedio comprendida entre 6 µm y 7 µm.

La variedad α-SiC utilizada como materia prima en la composición de base es realmente la más fácilmente accesible industrialmente y por tanto preferida incluso... [Seguir leyendo]

1. Composición de base para la fabricación de productos elaborados refractarios a base de carburo de

silicio SiC, caracterizada porque contiene, en peso, ⎯ de 4 % a 8 % de un polvo de silicio metálico que tiene una granulometría inferior a 10 µm, preferentemente una granulometría media comprendida entre 6 µm y 7 µm, ⎯ al menos un 3 % de un polvo de aluminio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 45 µm, y ⎯ al menos un 85 % de un polvo de carburo de silicio α-SiC,

representando la suma de estos tres constituyentes un 100 %, siendo como máximo el contenido global de posibles impurezas un 0,5 % en peso.

2. Composición de base según la reivindicación 1, caracterizada porque contiene, en peso, ⎯ 6 % de un polvo de silicio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 10 µm, ⎯ 3 % de un polvo de aluminio metálico que tiene una granulometría inferior o igual a 45 µm, y ⎯ 91 % de un polvo de carburo de silicio α-SiC, cuya granulometría está repartida de la siguiente forma, en peso: ⎯ 38 % de α-SiC que tiene una granulometría comprendida entre 1 mm (excluido) y 3 mm (incluido), ⎯ 27 % de α-SiC que tiene una granulometría comprendida entre 0,2 mm (excluido) y 1 mm (incluido), ⎯ 26 % de α-SiC que tiene una granulometría comprendida entre 0 mm (excluido) y 0,2 mm (incluido).

representando la suma de estos tres constituyentes un 100 %, siendo como máximo el contenido global de posibles impurezas un 0,5 % en peso.

3. Procedimiento de fabricación de un objeto moldeado realizado a base de carburo de silicio,

caracterizado porque comprende esencialmente las etapas que consisten en: ⎯ poner a disposición una composición de base pulverulenta según la reivindicación 1 o 2, ⎯ agregar a dicha composición de base pulverulenta, un compuesto aglutinante carbonado líquido susceptible de transformar el silicio metálico de dicha composición en carburio de silicio SiC, preferentemente en β-SiC, durante el tratamiento térmico apropiado posterior, mezclar los componentes y dejar reposar la mezcla homogénea obtenida hasta la obtención de una mezcla pastosa apta para conformarse posteriormente por prensado, ⎯ transferir dicha mezcla pastosa a un molde y comprimir progresivamente dicha mezcla bajo una presión de compresión máxima comprendida entre 500 y 1500 kg/cm kg/cm2, para obtener el objeto moldeado deseado, procediendo por lo menos a un primer desgasificado cuando la presión de compresión alcanza 1/3 del valor de dicha presión máxima y a un segundo desgasificado cuando la presión de compresión alcanza 2/3 del valor de dicha presión máxima, ⎯ hornear el objeto comprimido obtenido a una temperatura comprendida entre 150 °C y 300 °C, durante al menos 4 horas, ⎯ someter el objeto calentado a un tratamiento térmico en atmósfera reductora o inerte a una temperatura de 1.350 °C a 1.360 °C con el fin de transformar la totalidad o la casi totalidad del silicio metálico en SiC por reacción con dicho compuesto carbonado.

4. Procedimiento de la reivindicación 3 caracterizado porque el compuesto aglutinante carbonado líquido es una mezcla de una resina fenólica líquida, preferentemente una resina fenol-formaldehído del tipo conocido con la denominación «novolac» con al menos un agente de reticulación de dicho ligante, preferentemente hexametilentetraamina (HTMA).

5. Procedimiento de la reivindicación 4, caracterizado porque se agrega, mezclando en un primer momento, una primera resina fenólica líquida a dicha composición de base, posteriormente en un segundo momento el o los agentes de reticulación, eventualmente mezclados con una segunda resina fenólica compatible o idéntica a la primera, ambas en forma de polvo sólido, continuando con la mezcla de los restantes componentes.

6. Procedimiento de la reivindicación 5, caracterizado porque la primera resina fenólica es una resina conocida por el nombre comercial de «PREFERE 88 5912R» y porque la segunda resina que contiene el agente de reticulación se conoce por el nombre comercial de «PERACIT 8160R», siendo ambas distribuidas por la empresa DYNEA ERKNER GmbH (Alemania).

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque la presión de compresión máxima está entre aproximadamente 1000 kg/cm2 y porque el objeto moldeado se hornea durante al

menos 4 horas a una temperatura comprendida entre 150 °C y 170 °C con una subida de temperatura de 10 °C/hora.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado porque el 5 tratamiento térmico se realiza durante al menos una hora a una temperatura de 1360 °C y bajo atmósfera de argón.