Applications réfractaires des poudres de verre
Un matériau réfractaire
est un matériau qui a une tolérance élevée de la température, et à haute température est résistant à la fissuration, la dégradation ou d’autres attaques chimiques. Le verre en poudre peut agir comme un composant dans la fabrication de matériaux réfractaires. Les secteurs de la production de fer et d’acier consomment 70 de l’offre mondiale de matériaux réfractaires (1). Les matériaux réfractaires viennent dans plusieurs classes ; acide, basique, oxyde-carbone ou spécialisé. En tant que principale source de silice(2), le verre moulu est donc un matériau réfractaire acide; la silice est la réfractaire la plus couramment utilisée(3). On estime qu’une plus de 200 millions de tonnes de déchets de verre sont produites chaque année(4), de sorte qu’il est impératif de réutiliser autant de ces déchets de verre. Comme il s’agit d’un déchet, il est très peu coûteux, et donc attrayant pour les utilisations industrielles.
La grande majorité du
verre moulu
provient de conteneurs à déchets et de verre plat(5). Les déchets de verre sont généralement recueillis au niveau municipal et font l’expérience d’une quantité de nettoyage avant d’être broyés en granulés appelés cullet. Cullet lui-même peut être fondu directement pour fabriquer plus de verre, ou il peut être broyé dans une poudre fine. L’identification du verre lui-même est cruciale - le verre à haute teneur en métal ou en métalloïde peut causer un manque d’uniformité dans le cullet lui-même, le cullet en poudre s’il est traité par cette voie, ou dans tout produit en verre futur.
La réutilisation du cullet de verre est importante en raison des déséquilibres de recyclage dans le système de déchets d’un pays particulier. Le Royaume-Uni, par exemple, ne peut pas traiter tout le verre vert (principalement à partir de bouteilles de vin) qu’il utilise et doit donc exporter le cullet en verre vert. Il serait avantageux d’utiliser le cullet localement plutôt que d’exporter.
Le verre moulu a été utilisé dans la fabrication de l’isolant en fibre de verre et comme un flux dans la fabrication de briques. Ceux-ci, cependant, ne sont pas des matériaux réfractaires à part entière. Un sous-ensemble de briques, cependant, ce que l’on appelle «briques de feu» sont.
Réfractaires
Les matériaux réfractaires sont produits par un processus séquentiel : traitement des matières premières, formation puis cuisson. Les briques de feu sont un exemple d’un matériau réfractaire contenant de la silice. Ils sont prisés pour leur résistance élevée à la température. Ces briques se trouvent dans les fours en acier et en verre et, au fil du temps, ont inclus le verre moulu contenu(6) comme composant majeur. D’autres utilisations au-delà des briques ont été démontrées, comme une doublure toundish et dans la céramique et les ciments.
Tundishes
Un tundish est un dispositif utilisé dans la fabrication continue de produits en acier qui agit comme un tampon entre le four et les moules de coulée. Pour la production efficace de l’acier, l’acier fondu ne commence pas à refroidir et à se solidifier ailleurs que dans le moule. Les tundishes sont donc isolés avec plusieurs couches de matériaux réfractaires(7). En plus des isolateurs, les tundishes sont de plus en plus utilisés pour aider à la purification de l’acier fondu afin d’absorber les impuretés non métalliques et de prévenir l’oxydation(8).
Lors de la sélection des matériaux réfractaires pour former des couches tundish, il est essentiel de considérer non seulement les propriétés du matériau lui-même, mais les propriétés déduites de la forme qu’il est po Les tundishes doublés de couches de briques réfractaires ont tendance à durer moins longtemps que les doublures faites de réfractaires simples versés(9) (moins de cinq chaleurs contre 30 pour le type plus monolithe). Une doublure tundish tôt était composée du silicate de sodium, lui-même formé de la réaction de la silice et de l’hydroxyde de sodium.
Une caractéristique particulièrement utile de la silice - et donc du verre moulu - est qu’elle est capable d’enlever l’oxyde de fer de l’acier fondu, à la fois dans le toundish et lorsqu’il est directement injecté dans l’acier fondu(10). Lorsqu’il est utilisé directement dans un acier fondu tué en aluminium, le verre moulu remplace le besoin de silicide de calcium nécessaire pour convertir les particules errantes d’alumine. Le silicide de calcium est inflammable et peut s’enflammer spontanément dans l’air. Des études ont montré qu’il n’est nécessaire que d’aussi peu que 122 g par tonne d’acier fondu. Dans le cadre de la doublure, le cullet peut être utilisé et agit comme un flux, aidant à purifier le métal fondu(11) et en offrant potentiellement des avantages en aval tels que l’amélioration de la ductilité et de la machinabilité.
Céramique
Cullet moulu a trouvé application dans la production de céramique aux
côtés
de kaolin et d’argile, ces céramiques sont très tolérantes aux changements de température, apparemment en raison de la présence de la silice réfractaire dérivée du verre moulu(12), et sont considérées comme des candidats pour une utilisation dans des environnements difficiles en raison de leur résistance chimique(13). Avec le traitement du kaolin et de l’argile de cette façon, le verre moulu peut être transformé en une céramique synthétique wollastonite(14), elle-même utilisée comme un isolant dans la laine de roche, et pour une incorporation plus poussée dans la céramique avec une exigence de haute thermique Performance.
En tant que composant dans la fabrication de frits en céramique renouvelables à partir de déchets, le verre moulu s’est avéré utile aux côtés des boues de céramique pour former des engobes, qui peuvent ensuite être transformés en produits de tuiles thermiquement stables(15). Non seulement la composition était résistante au chauffage à 1450 oC, mais elle était beaucoup moins chère que la production de frits et d’engobes à partir de nouveaux matériaux. Un engobe est une fine couche de matériaux principalement à base d’argile utilisés sur et avec des céramiques pour fournir des propriétés mécaniques. L’un des nombreux avantages de l’utilisation du verre moulu dans l’engobe est une économie d’énergie nécessaire à la production - car il se comporte comme un flux dans le processus de fabrication. Dans la production de grès, la céramique peut être faite avec un grand pourcentage de verre moulu, entrelaçant à 1000 oC, avec une dureté et une force comparables à la porcelaine conventionnelle(16) - les chercheurs attribuent la force aux interactions entre le verre et l’argile, produisant plusieurs phases cristallines.
Ciments et briques
Dans la fabrication de ciments, le verre moulu a longtemps été utilisé comme agrégat. Sous forme de poudre, les chercheurs ont remarqué que le verre moulu offre une certaine activité pozzolanique. Autrement dit, plus la poudre de verre moulu est fine, plus l’activité pozzolanique est forte. Dans certains scénarios, une quantité de ciment Portland dans le mélange de béton peut être remplacée par du verre moulu(17). Le ciment réfractaire est analogue au ciment conventionnel, mais le ciment Portland est remplacé par divers aluminates de calcium. Il est utilisé lorsque la résistance à haute température est nécessaire, comme dans les revêtements du four(18).
Un autre avantage à utiliser le verre moulu dans le ciment réfractaire est sa capacité à réduire l’expansion de l’alcali-silice, bien qu’il soit noté que la taille des particules joue un rôle important(19). Les données rapportées dans la littérature montrent que si le verre à déchets est finement moulu, en particulier pour les grades de moins de 75 m, l’effet alcalin-silice ne se produit pas et la durabilité du mortier est préservée ou même améliorée(20). La prévention de cet effet prolonge la durée de vie du ciment réfractaire. De plus, l’utilisation de déchets de verre entraînera une réduction des coûts financiers et environnementaux de la production de ciment(21).
Dans une étude, il a été constaté que l’inclusion du verre de terre usé a amélioré les caractéristiques de performance de la brique réfractaire produite : le rétrécissement de tir a diminué, tandis que la densité en vrac et la force compressive ont augmenté avec une plus grande teneur en verre(22). À côté de l’oxyde de calcium, le verre moulu - comme source de silice - a été utilisé pour former des briques réfractaires à la silice(23), et à côté de la poussière de calcaire pour produire des briques avec des propriétés de résistance compressive améliorées(24). En outre, le verre moulu a été utilisé de concert avec la biomasse et l’argile pour produire une brique de feu efficace à partir de matériaux uniquement renouvelables(25).
Concepts similaires
La silice de riz est un produit naturel dérivé de la mouture des enveloppes de riz, elle a une teneur élevée en silice et est semblable dans les propriétés au verre moulu ultra-fin.
Il a été utilisé pour produire du cordrite à des fins d’isolation thermique(26). L’utilisation du sable de silice dans la fabrication de briques réfractaires offre également des propriétés mécaniques améliorées, et des performances élevées à des températures typiques de brique de feu(27). Le sable de silice, comme la silice de riz, est une poudre fine qui est largement similaire au verre moulu.
Sommaire
- La classe au sol (cullet) est un produit peu coûteux qui est en grande partie mis en décharge s’il n’est pas recyclé. C’est une source viable de silice.
- Il est utilisé dans la production d’acier et de verre pour la doublure des fours, souvent dans le cadre d’un ciment réfractaire.
- Le verre moulu est utilisé dans les tundishes dans la fabrication de l’acier, assurant un flux stable d’acier fondu tout en éliminant les impuretés.
- Dans la céramique réfractaire et la grès, le verre moulu est utilisé pour remplacer une partie de la matière argileuse et, ce faisant, augmente les capacités thermiques et la force.
- Dans le cadre de ciments réfractaires, le verre moulu peut être ajouté pour remplacer une partie de l’agrégat, du ciment ou des deux - offrant des améliorations de la résistance à la résistance à la chaleur.
- Dans les briques réfractaires, l’ajout de verre moulu a amélioré certaines caractéristiques de performance mécanique.
- Dans l’ensemble, le verre moulu est un matériau viable pour une utilisation dans des applications réfractaires.
Références
1 A. Muan et E. F. Osborne, Phase Equilibrium among Oxides in Steelmaking, Addison Wesley, Reading, États-Unis, 1965
2 M. H. Rahman et coll., Int. J. Sust. Construit. Env., 2017, 6, 37
3 A. Muan et S. Somiya, J. Am. Ceram. Soc., 1959, 42, 603
4 Q. Ma, et coll., C'est Constr. Construire. Mater. 2015, 93, 371
5 R. K. Dhir OBE et coll., Sustainable Construction Materials: Glass Cullet, Woodhead, Duxford, Royaume-Uni, 2018
6 Brevet américain US3360387A, 1967, expiré
7 Brevet américain US3963815A, 1974, expiré
8 S. Aminorroya et coll., Basic Tundish Powder Evaluation for Continuous Casting of Clean Steel, dans AIS Tech - The Iron and Steel Technology Conference and Exposition, Cleveland, 2006
9 Y. V. Materikin et V. A. Molochkov, Refractories, 1983, 24, 108
10 E. T. Turkdogan, Ironmaking and Steelmaking, 2004, 31, 131
11 Us Patents US5366535A, 1992, expiré et US617437B1, 1996, expiré
12 M. R. Sahar et coll., Int. J. Mine Metallurgy Mat., 2018, 25, 350
13 K. Okada, Eur. J. Ceram. Soc., 2004, 24, 2367
14 W. Zhang et H. Liu, Ceram. Int., 2013, 39, 1943
15 A. P. N. Oliveira et coll., J. Cleaner Prod., 2015, 86, 461
16 E. Bernardo, J. Am. Ceram. Soc., 2008, 91, 2156
17 C. Shi et coll., Concr ciment. Res., 2005, 35, 987
18 N. Black et coll., Adv. Appl. Ceram., 2010, 109, 253
19 W. Li et coll., Int. J. Struct en béton. Mater., 2018, 12, 67
20 A. Monterro et coll., Waste Management, 2005, 25, 197
21 I. B. Topçh et M. Canbaz, Concr ciment. Res., 2004, 34, 267
22 H. H. Abdeen, thèse de maîtrise, Université islamique-Gaza, 2016
23 G. Almarahle, Suis. J. Appl. Sci., 2005, 2 465
24 P. Turgut, Mater. et Struct., 2008, 41, 805
25 M. Vlasova et coll., Sci. Frittage, 2011, 43, 81
26 S. Sembling et coll., Ceram. Int., 2016, 42, 8431
27 C. Sadik, J. Mater. Env. Sci., 2013, 4 987
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