Poussière de charbon dans des briques réfractaires
Une brique réfractaire - également connue sous le nom de brique de feu - est celle qui a un maintient une force physique et chimique élevée et la structure à des températures sensiblement élevées, sans fissuration. Ils sont utilisés pour tapisser les fours et les fours, fournissant l’isolation et la protection à la structure extérieure de la chambre de chauffage. Les briques réfractaires contenant du
carbone,
comme celles contenant de la poussière de charbon, ont été largement utilisées dans la fabrication du fer et de l’acier en raison de leur adaptabilité et de leur résilience(2).
La poussière de charbon comme additif dans la production de briques réfractaires est utilisée depuis près de cent ans(3). Dans un travail souvent cité(4), principalement des briques de feu à base d’argile avec des quantités variables de poussière de charbon, dans diverses tailles de mouture, ont été faites. Dans tous les cas, des niveaux élevés d’isolation thermique ont été observés. Les auteurs ont conclu que la conductivité thermique diminuait tandis que les niveaux de résistance et de porosité compressifs augmentaient avec une augmentation globale du pourcentage de poussière de charbon utilisée. En ce qui concerne la taille du broyage, il a été constaté qu’avec une mouture plus fine (petites particules), la force compressive et les niveaux de porosité ont augmenté, tandis que la conductivité thermique a diminué. Naturellement, l’équilibre de la conductivité thermique et de la force compressive sont la clé d’une brique de feu réussie. La porosité contribue à l’isolation thermique, car l’air est un conducteur de température médiocre(5), bien que les auteurs aient noté que les niveaux excessifs de porosité peuvent contribuer à un manque de caractéristiques de force mécanique. La composition en pourcentage attribuée au charbon variait de 38 à 68, et la taille de la mouture variait de 20 à 500 m. Une autre étude a examiné la même question, bien qu’avec des ajouts en pourcentage plus faibles de poussière de charbon (5 à 20 par masse), les auteurs ont déclaré qu’avec l’augmentation de la teneur en charbon, la force mécanique a augmenté et la conductivité thermique diminue(6).
La porosité est directement liée à la perméabilité, et il est dit que la perméabilité est le facteur de gouvernance dans la longévité des matériaux réfractaires(7). La porosité est créée par la combustion de matériaux ajoutés au matériau principal de formation de briques(8). Les pores sont créés après que le matériau brûle, et la forme des pores est liée à l’identité du matériau(9), dans un processus connu sous le nom de «burnout». Lorsque la poussière de charbon brûle, elle laisse généralement une forme de pores sphérique(10). La conductivité thermique - et donc l’efficacité en tant que réfractaire - dépend également de la forme des pores, en plus des niveaux globaux de porosité(11). En règle générale, plus la taille des particules de l’additif est grande, plus la taille des pores sera réalisée.
La poussière de charbon est utilisée comme additif dans la production de briques très thermiquement stables à partir de boue d’argile rouge dans les pays en développement(12), avec des niveaux élevés de résistance et de porosité compressives, et une faible rétention d’eau.
En plus de la poussière de charbon, les déchets de cendres de charbon des centrales thermoélectriques ont été utilisés dans la fabrication de briques conventionnelles et réfractaires(13), avec des performances similaires à celles des briques disponibles dans le commerce. Il a été signalé que la fabrication de briques à partir de poussière de charbon et de cendres de charbon est une méthode de production plus écologique(14) car elle réduit/réutilise les déchets.
Bien qu’elle ne contribue pas à l’activité pozzolanique du béton (la résistance offerte par le processus de durcissement - cela peut être influencé par d’autres facteurs et additifs, également disponibles à partir de Pegmatite africaine), la poussière de charbon a été utilisée comme additif dans le béton réfractaire depuis au moins 1910. Les performances thermiques sont augmentées par son ajout, ce qui en fait un choix idéal pour les environnements à haute température et ceux dans des endroits constamment chauds.
Doublures réfractaires et poussière de charbon/anthracite
En plus de la brique, la poussière d’anthracite/charbon peut être utilisée dans le cadre de revêtements réfractaires - dans les cas où elles font partie d’une structure monolithe, par exemple. Les doublures carbonées des pots pour la fonte de l’aluminium sont populaires depuis un certain temps(15), avec des combinaisons d’anthracite et de coke/calcinéant l’utilisation de la recherche. Les doublures monolithiques dérivées de l’anthracite et de la poussière de charbon sont souhaitables en raison de leur faible teneur en cendres et de leur stabilité à long terme. En outre, dans l’espace de production d’aluminium, des cathodes utilisées au stade de l’électrolyse ont été produites qui contiennent jusqu’à 45 anthracite calcinée; tout en maintenant la stabilité à haute température et aucune perte de conductivité électrique. en plus des réglages plus conventionnels de mise en pot assurant que le métal fondu est maintenu à température constante(16).
En ce qui concerne les revêtements réfractaires pour la production de fer et d’acier, dans le haut fourneau, un monolithe durci comprenant 80 anthracite a été utilisé(17). Il est essentiel qu’un haut fourneau soit bordé d’un réfractaire efficace et durable afin d’assurer une production soutenue et fiable(18). Dans le haut fourneau moderne, l’usure de la doublure est particulièrement concentrée au fond de la chambre, le foyer. Ici, le débit de métal liquide est élevé, ce qui signifie turbulence et un niveau d’usure inégale sur la doublure. Les réfractaires à base d’anthracite ont prouvé leur valeur avec des niveaux élevés de résistance à la température, même jusqu’à plusieurs cycles de chauffage de plus de 1 000 oC, des essais de choc thermique, des essais de résistance chimique et de l’oxydation. Dans ce cas, l’anthracite monolithique est prisée pour sa stabilité de volume en vrac(19). Les revêtements réfractaires de type carbone des hauts fourneaux sont généralement de l’ordre de 700 à 750 mm d’épaisseur, avec des longueurs d’environ 2 mètres(20).
Considérant le service à long terme d’une doublure particulière, aucun matériel n’est à l’abri de l’échec. En général, plus il y a de cycles de chauffage et de refroidissement, plus tôt le réfractaire tombera en panne. Il est à noter, cependant, qu’un réfractaire plus fragile échouera plus tôt; les réfractaires de poussière de charbon/anthracite sont connus pour leur suppléité relative(21). Il convient de noter la taille des pores orientés vers l’extérieur dans tout réfractaire à base de carbone; si la taille des pores est trop grande, de petites quantités de métal fondu peuvent s’y accumuler et refroidir, produisant ce qu’on appelle des « fouets ». Ces phénomènes peuvent avoir un impact sur l’efficacité globale du réfractaire.
Dans les applications de revêtement de fonderie, l’anthracite/calcinite et le pas résineux peuvent être utilisés pour former une pâte réfractaire, qui peut effectivement combler les lacunes entre les briques réfractaires, les panneaux ou les monolithes(22). La résistance compressive supérieure est conférée par l’anthracite présent dans ces pâtes, en particulier aux gammes de température plus élevées souvent vécues par ces pâtes, surtout par rapport à l’asphalte de génération précédente ou les résines à base de carbone bituminous.
Greensand et fonderies: l’utilisation de la poussière de charbon dans les applications de moulage
La poussière
de charbon est un additif commun dans le processus de moulage de sable vert, comme un additif carboné que sous les combustions et les oxydas. Dans la coulée de sable vert moderne, l’anthracite remplace le charbon bitumeux, qui brûle au chauffage et libère des polluants dangereux tels que le benzène, le xylène et le toluène. Il est impératif que le charbon bitumeux soit remplacé par un matériau carboné tout aussi performant, mais avec un profil moins dommageable pour l'environnement. À titre expérimental, l’anthracite(23) émet des polluants beaucoup moins dangereux que le charbon bitumeux(24). L’utilisation de la poussière de charbon diminue les défauts brûlés, améliore la finition de surface et diminue la pénétration des métaux. En outre, il inhibe le mouillage, un processus par lequel le métal fondu adhère au sable dans le moule et laisse des défauts sur la surface du produit. L’utilisation de poussières de charbon prévient également des phénomènes tels que la « combustion », où l’oxyde de fer est produit à la surface en raison des composés organiques volatils déclenchés par la combustion de la poussière de charbon(25).
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