Matériaux réfractaires classés


Les matériaux réfractaires
sont un terme large pour tout matériau qui tolère largement les températures élevées et qui résiste aux attaques chimiques à ces températures élevées.

Il existe de nombreuses classes de matériaux réfractaires, et un large éventail de matériaux qui entrent dans ces catégories. Ici, une variété de ces matériaux seront discutés et catégorisés en termes de composition chimique. Il existe de nombreuses autres façons de catégoriser les matériaux réfractaires, tels que la façon dont ils sont fabriqués et quelle forme physique ils prennent, par exemple monolithique ou en forme.

Beaucoup - mais pas tous - de matériaux réfractaires partagent une voie de production commune par un processus séquentiel : traitement des matières premières, formation puis cuisson. Tous les matériaux réfractaires ne sont pas utilisés au sens conventionnel du terme, certains sont incorporés dans d’autres matériaux, qu’ils soient réfractaires ou non. Plus de 70 % de toutes les réfractaires produites sont utilisées dans l’industrie de la production de métaux(1).

La classification ici n’inclut pas tous les matériaux réfractaires, dans le but de la brièveté. Il convient également de noter que l’utilisation de certains matériaux réfractaires pour des applications en dehors de leurs catégories se fait en vertu de certaines qualifications et raisons. La principale raison de la classification par composition chimique est que dans chaque catégorie, de nombreuses réfractaires se comporteront en grande partie de la même façon pour les projets les plus courants, en raison de la façon dont ils réagissent ou ne réagissent pas avec l’atmosphère en cours ou les scories produites. Quelques exemples de chaque classe seront détaillés.

Les trois classes les plus larges de matériaux réfractaires - par composition chimique - sont acides, basiques et neutres.

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processus à l’aide de toundishes

acide

Les réfractaires acides sont ces réfractaires qui réagissent facilement avec des bases à des températures élevées. Les exemples les plus courants de réfractaires acides sont l’argile de feu et la silice. D’autres exemples incluent des aluminosilicates et des zirconia. Les réfractaires acides sont les plus adaptés à l’endroit où les scories/atmosphères sont acides elles-mêmes, car cela signifie qu’il n’y aura pas d’attaque ou de réactivité, assurant une longue vie réfractaire(2).

silice

La silice est le matériau réfractaire le plus commun. Avec un point de fusion de 2 230 °C, son utilisation est répandue (3). Prisées pour leur longévité et leur résistance à certaines des températures les plus élevées, les briques de feu sont un exemple d’un matériau principalement réfractaire à la silice. D’autres utilisations au-delà des briques ont été démontrées, comme une doublure toundish et dans la céramique et les ciments.

Argile de feu

Populaire pour la formation de creusets et toute une gamme d’outils de métallurgie, l’argile de feu est une argile composée principalement d’hydrous silicates d’aluminium, souvent avec de la silice présente aussi.

Verre moulu


Le verre moulu,
bien qu’il ne soit pas un véritable réfractaire à part entière, offre des propriétés améliorées à des matériaux réfractaires plus larges. Semblable à la silice, son composant principal, le verre moulu se comporte comme un réfractaire acide. Une caractéristique particulièrement utile lors de l’utilisation du verre moulu dans le cadre d’une toundish ou d’une doublure de four réfractaire est qu’il est capable d’enlever l’oxyde de fer du fer fondu et de l’acier(4). Il a été signalé que lorsqu’il est utilisé comme composant dans une doublure réfractaire, le verre moulu peut agir comme un flux. Cela aide à purifier le métal fondu(5). Des avantages en aval tels que l’amélioration de la machinabilité peuvent également être observés.

Le verre moulu a également été utilisé comme composant dans d’autres réfractaires de type acide tels que les briques de feu en silice, où de telles briques se trouvent dans les fours de fabrication d’acier et de verre(6).

briques réfractaires faites
couloir d'arche fait de briques réfractaires

basique

Complémentaires à l’idée de réfractaires acides sont des réfractaires de base. Ceux-ci réagissent souvent avec des acides à des températures élevées. Le magnésie, la zirconia et la dolomite sont des exemples largement utilisés. Les réfractaires de base, par conséquent, sont les plus adaptés à quand les scories / atmosphère produite sera de base aussi. Les cas d’utilisation typiques pour les réfractaires de base sont pour les opérations métallurgiques non ferreux. Les réfractaires de base sont souvent les réfractaires de température les plus élevés - mais cela signifie un coût accru(7).

zircone

Zirconia est un réfractaire de base qui est thermiquement stable jusqu’à 15.000 °C, souvent utilisé pour les fours en verre et autres fours où les températures les plus élevées sont nécessaires. De façon attrayante, il ne réagit pas avec les métaux liquides et tel est un matériau largement utilisé.

magnésite

Magnesite, MgCO3, est un réfractaire principalement utilisé pour les cas avec des scories très basiques ou riches en fer, avec lequel il ne réagit pas, mais leur réfractivité n’est pas la plus élevée. Le magnésium-chrome et le chrome-magnésium (nommés en conséquence avec le contenu du matériau prédominant) sont des réfractaires mixtes. Généralement utilisé pour les sorties à haute température des fours et des revêtements de four. Les réfractaires mixtes magnesite et chrome offrent une excellente résistance au spalling (8).

briques de ciment réfractaires chaudes rouges

Réfractaires neutres

Beaucoup de membres de la classe «neutre» des réfractaires tombent dans deux sous-catégories, les oxydes et le carbone. Les oxydes neutres sont prisés pour leur manque de réactivité avec les acides et les bases, et sont souvent considérés comme des réfractaires supérieurs pour leur large utilité et leur performance sur un grand nombre d’applications.

Les réfractaires neutres sont utilisés dans de nombreuses applications, car ils sont tolérants aux atmosphères et scories acides et de base. Les réfractaires de type carbone sont souvent utilisés dans les environnements réducturables(9).

Anthracite

Contre-intuitivement, l’anthracite a longtemps été utilisé comme réfractaire. À titre d’exemple de matériau réfractaire neutre, son inclusion signifie qu’il n’y a pas de réactivité avec des atmosphères ou des scories acides ou de base. L’anthracite calciné (CA) est une version traitée à la chaleur de l’anthracite qui est plus forte et significativement plus poreuse que l’anthracite non traité.

Pendant la calcination - qui peut se faire par un processus de chauffage électrique, produisant de l’anthracite calciné électriquement, ECA - l’anthracite commence à subir une graphitisation à environ 2 200 °C(10). En effet, en raison de la graphitisation, le graphite synthétique est formé par ECA(11). Le graphite lui-même est un matériau réfractaire.

Pour les réfractaires coulés, CA a des pores de petite taille et de taille constante. D’une utilité particulière pour la production de métaux ferreux, l’anthracite calciné trouve une utilisation intensive dans les réfractaires graphitiques castrables monolithiques(12).

Dans les applications de fusion, ca/ECA ont des profils de résistance électrique intéressants(13), tandis que l’anthracite est un conducteur pauvre, CA/ECA est un bon conducteur. Les électrodes produites par CA/ECA pour les applications de fusion ont un taux lent d’oxydation, une résistance mécanique élevée et une faible conductivité thermique. Les électrodes sont formées à partir de monolithes d’ECA, de demi-monolithes ou d’un processus de compression impliquant des résines performantes collant ensemble de plus petites sections monolithes(14).

CA et ECA sont des choix réfractaires populaires en raison de leur nature peu coûteuse, de bons niveaux de pureté découlant de l’anthracite de haute qualité, et de l’applicabilité large.

Poussière de charbon

En tant qu’additif dans la production de briques réfractaires,
la poussière de
charbon est utilisée depuis longtemps(15). Il a été démontré que la plupart des briques de feu à base d’argile qui avaient été dopées avec des quantités variables de poussière de charbon, de différentes tailles de mouture, se sont trouvées très efficaces en tant qu’isolateurs thermiques(16), élevant l’argile conventionnelle au statut réfractaire de matériau.

métal fondu étant versé dans le moule avec des sables de remplissage

Chromite

La chromite est le minerai naturel du chrome. Il a un point de fusion de 2 040 °C et est « presque chimiquement inerte »(17). Sous forme de brique réfractaire, la chromite est thermiquement stable bien au-delà de 1 900 °C, tout en conservant une résistance mécanique(18). L’un des nombreux avantages des réfractaires à la chromite est leur résistance à la déformation, c’est-à-dire qu’ils maintiennent un volume constant à des températures élevées.


La farine
chromée est une poudre finement moulue de chromite de fer et est largement utilisée à côté du magnésium réfractaire de base pour former des briques
réfractaire magnesite-chrome et chrome-magnésium
(19,20), largement utilisées dans la construction de fours et de fours. En outre, les briques réfractaires peuvent également être fabriquées à l’aide principalement de chromite(21) ou avec l’alumine réfractaire neutre collègues, qui peut être ajoutée sous sa forme de bauxite non raffinée, améliorant considérablement la force mécanique(22).

métal fondu étant versé dans des moules avec des sables de remplissage

Autres méthodes de classification réfractaire(23)

Outre la composition chimique, il existe trois autres méthodes de classification majeures pour les réfractaires. Les descriptions dans chaque catégorie conduisent à la façon dont le réfractaire fini sera utilisé. Par exemple, un réfractaire castable (forme) castable (méthode) non chiqué peut être utilisé dans une application de fusion d’aluminium.

Formulaire

Comme nous l’avons mentionné, les deux grandes classifications des matériaux réfractaires sont « façonnées » et « non façonnées ». Les réfractaires « façonnés » sont mieux connus sous le nom de briques réfractaires, tandis que les réfractaires « non façonnés » sont mieux connus sous le nom de monolithes.

Méthode de fabrication

Les réfractaires peuvent être faits par plusieurs méthodes, dont la plupart ont tendance à être d’accord avec le «traitement des matériaux, la formation et la mise à feu » mentionnés précédemment. Des exemples de méthodes de production réfractaire incluent le pressage à sec, le moulage fondu et le moulage à la main. Les masses de ramming, le gunning, la pulvérisation et les processus castables tendent à être associés aux formes non coupées.

réfractaire-charbonnière

Températures de fusion

La température de fusion se réfère à la plage de température à laquelle les réfractaires sont évalués. Les réfractaires «normaux» fonctionnent dans la gamme de ca. 1 500 à 1 800 °C; réfractaires «élevés» de ca. 1 800 à 2 000 °C; et super réfractaires supérieurs à 2 000 °C. Les exemples typiques sont l’argile de feu/brique, la chromite/chromite-magnésium et la zirconia respectivement.

Résumé

  • Par composition chimique, les matériaux réfractaires sont regroupés en classes acides, de base et neutres
  • Les réfractaires acides sont ceux qui sont résistants aux scories/environnements acides, par exemple la silice et le verre moulu
  • Inversement, les réfractaires de base sont ceux qui tolèrent les scories/environnements de base, tels que la zirconia et le magnésium
  • Les réfractaires neutres ne réagissent pas avec les scories de base ou acides, et en tant que tels ils ont un plus large champ d’utilisation, mais dans certains cas, leur réfractivité peut ne pas être aussi élevée. Par exemple, la chromite et l’anthracite/anthracite calciné
  • Il existe d’autres méthodes pour catégoriser les réfractaires, y compris par forme, méthode de fabrication et température de fusion
Sable chromé
Farine de chromite dans un pot
coal_dust
glass_powder

Références

1 A.M. Garbers-Craig, J. S. Afr. Inst. Min. Metallurg., 2008, 108, 1

2 J. A. Bonar et coll., Suis. Ceram. Soc. Bull., 1980, 59, 4

3 A. Muan et S. Somiya, J. Am. Ceram. Soc., 1959, 42, 603

4 E. T. Turkdogan, Sidérurgie et Sidérurgie, 2004, 31, 131

5 E. T. Turkdogan, Sidérurgie et Sidérurgie, 2004, 31, 131

6 Brevet américain US3360387A, 1967, expiré

7 M. L. Van Dreser et W. H. Boyer, J. Am. Ceram. Soc., 1963, 46, 257

8 C. G. Aneziris et coll., Interceram., 2003, 6, 22

9 E.M.M. Ewais, J. Ceram. Soc. Japon, 2004, 112, 517

10 A.B. Garcia et coll., Fuel Process. Tech., 2002, 79, 245

11 C. E. Burgess-Clifford et coll., Processus de carburant. Tech., 2009, 90, 1515

12 P. Jelínek et J. Beţo, Arc. Fonderie. Eng., 2000, 8, 67

13 I.M Kashlev et V.M. Strakhov, Coke and Chemistry, 2008, 61, 136

14 B. Chatterjee, Application of Electrodes in Ferro Alloy Furnaces, dans: 4th Refresher Course on Ferro Alloys, Jamedpur, Inde, 1994

15 H.B Simpson, J. Am. Ceram. Soc. 1932, 15, 520

16 M. H. Rahman et coll., Procedia Eng., 2015, 105, 121

17 J. O. Nriagu et E. Nieboer (éd.), Chrome in the Natural and Human Environments, Wiley-Interscience, New York, 1988

18 E. Ruh et J. S. McDowell, J. Am. Ceram. Soc., 1962, 45, 189

19 Brevet américain US4366256A, 1982, expiré

20 W. E. Lee et W.M. Rainforth, Ceramic Microstructures - Property Control by Processing, Chapman and Hall, Londres, 1994

21 K. Matusmoto, Chem. Abst., 1963, 59, 3626

22 T. R. Lyman et W. J. Rees, Trans. Ceram. Soc. 1937, 36, 110

23 C. Schacht, Refractories Handbook, CRC Press, Boca Raton, États-Unis, 2004 (pour toute la section)