Propriétés clés des matériaux réfractaires: comprendre la conductivité thermique, la résistance à la compression et la porosité
La façon dont il fonctionne à des températures élevées est cruciale pour l’identité du matériau réfractaire lui-même - mais ce n’est pas le seul domaine où un réfractaire doit exceller. Certaines applications nécessitent des niveaux élevés de résistance à la compression et des profils de porosité spécifiques. La conception des processus de fonderie contemporains s’appuie fortement sur la compréhension de ces facteurs pour assurer un système robuste et productif.
Introduction
Les matériaux réfractaires (réfractaires) sont des matériaux qui, par leur composition chimique, sont très résistants aux températures élevées, ce qui en fait des outils essentiels dans la production de métaux ferreux et non ferreux, de pièces moulées de haute précision et de diverses applications de fusion. Se classant en trois grandes catégories par nature chimique - acide, basique et neutre - et classées par taille et forme, le large choix de matériaux réfractaires signifie qu’ils trouvent les applications les plus larges dans le monde entier. La production de réfractaires suit généralement la séquence «traitement, formage puis cuisson des matières premières» avec une variété de types de formage disponibles.
Un aperçu général de certains matériaux réfractaires courants et de leurs températures de service normales et des informations sur la résistance à la compression est présenté ci-dessous (5L, M, N)
| Matériel | Température de service (°C) | Résistance à la compression (MPa) |
| Brique d’argile à feu (dense) | 1 400 max. | 15 - 60 |
| Brique d’argile à feu (60% poreuse) | 1,400 - 1,600 | 10 - 20 |
| Magnésie-chromite 60/40 (porosité 13 - 22 %) | 1,600 | 30 - 80 |
| Silice (sable, porosité de 23 %) | 1,630 | 10 |
| magnésite | 1,600 - 1,800 | 35 - 60 |
| Chromite (14-21% poreux) | 1,650 | 25 - 95 |
| Magnésie-chromite 35/65 (porosité de 25 à 60 %) | 1,650 | 25 - 60 |
| Argile carbure de silicium | 1,700 | 80 |
| Forstérite (porosité de 20 %) | 1,730 | 22 |
| Haute alumine (porosité de 18 %) | 1,800 + | 55 |
Conductivité thermique
Peut-être que le «chiffre principal» en ce qui concerne les matériaux réfractaires est à quelle température ils peuvent résister et à quelle quantité de chaleur ils peuvent absorber afin de ne pas endommager d’autres outils (par exemple dans le cas des revêtements de tundish pour la fusion de l’aluminium)(5C).
La conductivité thermique est influencée par plusieurs facteurs, mais parmi eux figurent le point de fusion (qui est dicté par la composition chimique du réfractaire lui-même) et la porosité (plus bas). La chromite et la zircone sont des exemples courants de matériaux réfractaires largement utilisés et ont un point de fusion de 1 700 à 2 000 °C et bien supérieur à 2 000 °C respectivement. La résistance mécanique ou à la compression contribue rarement à la conductivité thermique.
D’autres classifications des matériaux réfractaires sont par les températures de service, qui sont informées par la porosité, dans l’ensemble:
Résistant à la chaleur jusqu’à 1 100 °C ou jusqu’à 1 100 °C
Réfractaire jusqu’à 1 400 °C ou jusqu’à 1 400 °C
Réfractaire élevé jusqu’à 1 700 °C ou égal à 1 700 °C
Ultra réfractaire Plus de 1 700 °C
Les équivalents cônes pyrométriques (PCE) sont des mesures de la quantité de ramollissement d’une céramique à température, mais pas sous charge. Les réfractaires peuvent être regroupés par valeur PCE, du super droit au droit élevé et intermédiaire au service faible, correspondant à des valeurs de 33-38, 30-33, 28-30 et 19-28 respectivement. Une faible valeur PCE signifie que le réfractaire a une température plus basse à laquelle il peut fonctionner avant de se déformer et de risquer de se fissurer. Une discussion détaillée des valeurs PCE dépasse le cadre de cet article.
Résistance à la compression
Comme pour tout processus industriel, la quantité d’entretien requise d’un système est une considération cruciale parallèlement à la longévité. Il va de soi que tout matériau physiquement plus résistant (en termes de résistance à la compression ou autre) durera plus longtemps sans se casser, réduisant ainsi les besoins de maintenance et améliorant la durée de vie du système(5B). Certains matériaux réfractaires étant relativement coûteux, devoir suspendre une opération de coulée de métal, par exemple, pour la maintenance est une tâche qui ajoute du temps, des coûts et de la complexité.
La résistance à la compression varie avec la température, c’est donc l’un des principes directeurs de la sélection réfractaire. Les essais de «fluage» sont effectués depuis longtemps sur des matériaux réfractaires, les essais appliquant une pression à des températures élevées sur des matériaux réfractaires. Le «fluage» dans ce sens fait référence à la notion d’expansion ou de contraction (et donc d’élasticité, mais la résistance à la flexion dépasse le cadre de cet article), plus de mouvement étant largement indicatif d’un affaiblissement à une température ou une pression particulière. Les résultats des essais montrent que les briques réfractaires à la silice de haute pureté sont surpassées par certains types de briques de feu fabriquées à partir d’argile de feu dans des essais à température modérée jusqu’à 1 000 °C (5A).
Comme on peut le voir dans les exemples du tableau ci-dessus, la résistance à la compression a peu d’influence sur la réfractaire.
En examinant des exemples où
les réfractaires comprennent la poussière
de charbon - comme de nombreuses briques de feu, il a été déclaré que la conductivité thermique diminue avec l’augmentation de la résistance à la compression et de la taille des pores (c’est-à-dire plus poreux) (5H). Lorsque l’on considère les liants réfractaires (c’est-à-dire les matériaux qui maintiennent ensemble le matériau réfractaire avant la cuisson), l’utilisation de l’anthracite en tant que tel liant est de loin supérieure en termes d’ajout de résistance à la compression qu’une matière organique résineuse ou fibreuse (5K).
La résistance à la compression est également importante dans la fabrication du réfractaire, pas seulement lorsque le réfractaire est déployé. Des considérations doivent être prises en compte en ce qui concerne la résistance à la compression si la méthode de pressage de formage de briques réfractaires est utilisée. Il y a peu ou pas de risque de problèmes pendant le processus de pressage si le matériau réfractaire est lui-même résistant aux pressions les plus élevées.
Porosité
La porosité est la mesure de la porosité d’un matériau, c’est-à-dire du nombre de petits canaux présents dans la majeure partie d’un matériau qui peuvent permettre aux liquides ou aux gaz de passer. Les matériaux très poreux sont prisés dans de nombreux domaines industriels, notamment en catalyse où les zéolithes hautement poreuses sont considérées comme l’un des catalyseurs les plus productifs, mais où la porosité a également un rôle précieux à jouer dans la conception et la mise en œuvre du matériau réfractaire.
En règle générale, plus le niveau de porosité d’un matériau est élevé, moins il est dense et plus il est pauvre en conducteur thermique. Ces deux phénomènes s’expliquent par les trous dans le matériau en vrac remplis d’air (ou d’un autre gaz - les gaz sont de mauvais conducteurs de chaleur). Il va donc de soi que plus de trous signifie plus d’air, ce qui signifie une conductivité thermique plus faible (5I). Ceci, lorsqu’il est combiné avec un matériau qui a déjà une tolérance très élevée à la température, en fait un excellent matériau réfractaire. Un autre avantage des matériaux plus poreux est que les coûts de transport sont réduits, en raison de leur poids inférieur par unité de volume donnée.
Les revêtements Tundish sont d’excellents exemples de cas où la porosité est importante, où souvent les structures surélevées doivent ne pas être si lourdes qu’elles peuvent s’effondrer sous la charge. Les
réfractaires chromés de magnésie courants
sont utilisés ici pour cette raison, entre autres raisons (5D). Leurs structures poreuses aident à la purification du métal fondu, empêchant l’oxydation et absorbant les impuretés non métalliques lors du passage du métal fondu(5F). La porosité est également un facteur important pour le plâtre réfractaire, qui ne peut pas être lourd ou très dense, sinon il ne fonctionnera tout simplement pas bien comme une «colle» pour lier ensemble les briques réfractaires ou réparer les réfractaires fissurées (5E).
En outre, dans le cas des pièces moulées au sable vert, la porosité du
matériau réfractaire
à base de chrome est cruciale pour permettre aux gaz accumulés de s’échapper (5G) - ne pas y parvenir pourrait entraîner des défauts de surface ou un mouillage. La porosité, comme mentionné, contribue à l’isolation thermique, car l’air est un conducteur à mauvaise température. De plus, il est largement reconnu que la porosité est directement liée à la perméabilité. La perméabilité est l’un des principaux facteurs déterminants de la longévité des matériaux réfractaires(5J).
Pour résumer, un réseau de pores uniformes, petits et uniformément répartis est avantageux et offre la conductivité thermique la plus faible.
Réfractaires idéalisés
En combinant les connaissances ci-dessus, une conclusion peut être tirée sur ce que pourrait être un matériau réfractaire idéalisé. Certes, le matériau devrait être chimiquement composé d’un matériau à point de fusion élevé; être excellent pour résister aux poids lourds et aux fortes pressions exercées sur elle sans se briser; et être relativement poreux, de manière à dissiper efficacement la chaleur.
Il convient de noter que le choix du réfractaire en fonction de l’identité chimique, de la résistance à la compression et de la porosité doit être fait parallèlement à la nature du réfractaire (acide, basique, neutre) et si la forme du réfractaire convient à l’ensemble du processus. Heureusement, les techniques de production modernes permettent une grande diversité de matériaux dans pratiquement toutes les formes et tailles, de sorte qu’ils soient parfaitement adaptés à une tâche industrielle donnée à température élevée.
Résumé
- Le choix des matériaux réfractaires dépend de nombreux facteurs, y compris, mais sans s’y limiter, la résistance thermique, la résistance à la compression et la porosité.
- Ces facteurs sont souvent interdépendants et doivent être pris en compte dans leur ensemble lors du choix d’un matériau réfractaire ou d’un matériau réfractaire composé.
- Les matériaux hautement résistants à la chaleur sont le premier choix évident pour un matériau réfractaire, car il s’agit d’un environnement à haute température dans lequel presque tous les réfractaires fonctionnent
- Les matériaux avec des valeurs de résistance à la compression élevées sont utiles car ils peuvent être utilisés pour pratiquement n’importe quel processus (en particulier dans la coulée de métal) où de grandes forces de poids sont placées sur le réfractaire - une capacité accrue pour des charges extrêmes signifie que le matériau ne se brisera pas avec le temps, offrant une longévité
- Les matériaux très poreux sont prisés en raison de leur faible rapport poids/volume, et le fait d’être poreux lui-même signifie que le matériau est un conducteur plus pauvre (c’est-à-dire un meilleur isolant de la chaleur).
Références
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