mur de briques réfractaire

Réfractaires de poussière de charbon

La poussière de charbon, ou anthracite en poudre, est un matériau relativement peu coûteux et utile dans une variété de
paramètres réfractaires
tels qu’un composant dans les briques de feu et les applications de coulée de type greensand. Dans certains cas d’utilisation, la poussière de charbon est sacrificielle, avec ses produits de combustion offrant souvent des propriétés souhaitables. Comparativement à d’autres types de charbon, comme le lignite ou le charbon bitumeux, l’anthracite brûle relativement proprement; réduire les risques pour la santé des travailleurs de l’usine et avoir un profil environnemental légèrement meilleur. Les réfractaires de type carbone sont souvent utilisés dans la réduction des environnements(1).

Poussière de charbon dans les 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).

briques réfractaires faites
briques faites avec du ciment réfractaire

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.

Revêtements 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).

réfractaire-chromeflour

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).

réfractaire-charbonnière

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.

Greensand et fonderies: l'utilisation de la poussière de charbon dans les applications de coulée


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. Expérimentalement, l’anthracite(22) émet beaucoup moins de polluants dangereux que le charbon bitumeux(23). 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 la poussière 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 produits par la combustion de la poussière de charbon(24).

homme versant le métal fondu dans un moule

Autres utilisations

L’anthracite calciné a été utilisé en conjonction avec une hauteur résineuse pour produire une pâte réfractaire très efficace, utilisée dans les revêtements de pot de fonderie d’aluminium(25). Poursuivant le thème de la pâte réfractaire, il a été constaté que les résines riches en anthracite sont de loin supérieures en termes de résistance compressive à des températures élevées que les résines de type asphalte couramment utilisées(26). La poussière de charbon a trouvé une utilisation dans les ciments et les bétons réfractaires, avec l’inclusion dans la composante agrégée dans un mélange de béton dès les années 1910 et 1920(27,28). Bien que l’ajout de poussière de charbon ne contribue pas à l’activité pozzolanique de la dalle de béton résultante, l’inclusion augmente la performance thermique globale.

réfractaire-chromeflour

Sommaire

  • La poussière de charbon ou anthracite est un matériau utile que l’on trouve comme additifs dans les applications réfractaires, particulièrement attrayant en raison de sa nature relativement peu coûteuse et de son ubiquité.
  • Comme additif aux briques réfractaires, il fournit des propriétés améliorées en grande partie par l’augmentation de la porosité
  • Dans les revêtements de four, la poussière de charbon en tant que matériau réfractaire assure une résistance à long terme et des performances thermiques élevées; dans la production d’acier, il est utilisé pour aligner les zones à fort impact du four, offrant de longues durées de vie
  • Dans les applications de coulée, il est un additif commun au moulage de sable vert fournissant un processus plus efficace
  • Dans d’autres domaines, il est utilisé comme pâte réfractaire et dans les ciments/bétons offrant des caractéristiques de performance thermique plus élevées
coal_dust

Références:

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

2 S. W. Zhang, Adv. Sci. Tech. 2006, 45, 2246

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

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

5 K. Kasoya et coll., J. Phys. Chem. Ref. Données 1985, 14 947

6 M. D. Rahman et coll., Effect of percentage (mass ) of coal on the mechanical and thermal behavior of isulating fire bricks manufactured by burnout process in 9th International Forum on Strategic Technology, Cox’s Bazar, Bangladesh, 2014

7 G. R Eusner et J. T. Shapland, Permeability of Blast-Furnace Refractories in Sixteenth Meeting of the American Ceramic Society, Pittsburgh, 1958

8 Brevet américain 4307199, 1981, expiré

9 M. Sutan et coll., Ceram. Int., 2012, 38, 1033

10 P. Guite et coll., Ceram. Int., 1984, 2, 59

11 V. V. Tkach et coll., Glass Ceram., 1999, 56, 158

12 G. Bathan et coll., Int. J. Emerg. Sci. Eng., 2014, 2, 7

13 C. P. Bergmann et coll., Réfractaire. Ind. Ceram., 2008, 49, 320

14 O. Sassi et coll., MATEC Web Conf., 2018, 149, 1043

15 H. Hayashi et coll., J. Metals, 1968, 20, 63

16 G. Wilde et G. Lange, J. Metals, 1968, p. 20. 67

17 F. Vernilli et coll., Ironmaking and Steelmaking, 2005, 32, 459

18 S. A. Podkopaev, Réfractaires Ind. Ceram., 2004, 45, 235

19 S. Ge et coll., Metallurg. Mater. Trans. B, 1968, 20. 67

20 S. V. Olebov, Réfractaires, 1964, 5, 189

21 K. Andreev et coll., J. Eur. Ceram. Soc., 2014, 34, 523

22 G. Thiel et S. R. Giese, Am. Foundry Soc. Trans., 2005, 113, 471

23 J. Wang et F. S. Cannon, Study of pyrolysis of carbonaceous additives in green sand foundries in Seattle: The International Carbon Conference, 2007, Seattle

24 F. S. Cannon et coll., Environ. Sci. Tech., 2007, 41, 2957

25 M. M. F. Goncalves et coll., Fuel Energ. Abstr, c’est moi., 1998, 1, 55

26 Y. Li et coll., The Mechanical Performance Experiments of Blast Furnace Hearth Ramming Material and Carbon Brick Refractory Mortar in 2nd International Conference on Material Engineering and Application, Shanghai, 2015

27 Brevet américain US1854899, 1929, expiré

28 US Patent US1275354, 1917, expiré