Une introduction aux tundishes
La production de métaux modernes ne fonctionnerait tout simplement pas sans toundishes, où la production serait inefficace et plus coûteuse. Grâce à l’utilisation de toundishs tapissés de réfractaires, le processus de coulée métallique est grandement amélioré. Les composants de base des doublures toundish telles que la chromite et l’anthracite sont disponibles chez African Pegmatite - le fournisseur industriel préféré pour une multitude de réfractaires et de minéraux pour l’industrie de la fonderie.
Un toundish est un dispositif utilisé dans la coulée de métaux. Il s’agit de tout récipient à toit ouvert avec des trous dans le fond pour livrer le métal fondu à un rythme contrôlé dans les moules de coulée. Il est souvent utilisé entre la fonderie et la coulée pour assurer un flux cohérent et réglementé, tout en permettant le passage des moules de coulée si nécessaire. Les toundishes sont souvent en acier et sont doublés d’une sorte de doublure, qui est toujours un matériau réfractaire, souvent sous forme de briques. Ces matériaux réfractaires utilisés comme doublures tundish, ou de composants dans les doublures tundish, comprennent l’anthracite, la chromite et les poudres de verre, entre autres. Quelque 7 de tous les matériaux réfractaires en Europe sont utilisés pour les toundishes et dans la coulée continue(1,2), avec un respectable 5 de ce qui va à la décharge après utilisation(3). Les tundishes sont étroitement liés aux louches, qui sont utilisées pour transporter le métal fondu du four au toundish avant la coulée. Ces grands seaux tapissés réfractaire sont opérationnels très semblables aux toundishes et donc les principes pour la conception de doublure toundish et les matériaux s’appliquent en grande partie aux louches aussi bien.
La coulée continue représente un changement d’étape dans la production de métaux, assurant une plus grande efficacité basée sur des taux d’utilisation plus élevés de l’équipement et peu ou pas de dégradation en cours des matériaux fondus. Les techniques modernes de coulée continue utilisant des toundishes hautement optimisées peuvent se poursuivre au-delà de 1 000 coulées de louche avant que la doublure de la louche ne soit remplacée(4). Les toundishes ne sont qu’une partie d’un système très complexe qui apporte collectivement du minerai de métal jusqu’à un bloc de métal raffiné. Sans toundishes et leur impact sur la méthode de coulée continue, les fonderies modernes et les aciéries seraient moins efficaces, ce qui entraînerait des coûts plus élevés pour l’acheteur du métal.
Par conception, les toundishes ont tendance à être de formes géométriques simples - comme des auges allongées. Ceci est pour la facilité de fabrication, mais aussi la facilité d’appliquer et d’enlever les doublures toundish si nécessaire. La conception doit prendre en compte pour s’assurer que la maniabilité est maintenue - bien que des gradients simples peuvent être appliqués pour y parvenir.
Conception des doublures toundish
Les doublures tundish sont, dans de nombreux cas, des affaires superposées. La superposition de différents matériaux réfractaires à différentes épaisseurs est associée à la longévité de la plante en question(5). Un matériau réfractaire qui est en contact avec le métal fondu est souvent à base de magnésie et peut être de plâtre (pulvérisé) ou de forme de brique. Vient ensuite la « doublure de secours », qui est la plus grande doublure par épaisseur et masse et fournit la plupart des propriétés d’isolation thermique. Il est souvent basé sur l’alumine. Enfin, il existe une « doublure de sécurité » entre l’alumine et la coque extérieure en acier de la toundish pour s’assurer qu’elle n’atteint pas une température critique en matière de sécurité(6).
Les principales composantes des doublures de toundish sont souvent composées de briques réfractaires par opposition aux monolithes. C’est parce qu’une brique est plus facile /moins cher à produire qu’un monolithe, et ces briques peuvent être remplacées au besoin, mais dans l’ensemble un monolithe est plus durable qu’une brique. Les tundishes ne sont souvent pas très longs, et donc la nécessité d’utiliser un dispositif tel qu’un monolithe pour contourner un coin est un événement très rare. Les revêtements tundish doivent être capables de résister aux chocs thermiques, d’être résistants à la perte thermique et de résister à la corrosion/oxydation - pendant de longues périodes. Il est impératif que le métal fondu refroidisse et se solidifie dans le moule, c’est pourquoi les toundishes sont isolées avec plusieurs couches de réfractaires comme mentionné précédemment(7).
Dans l’ensemble, on peut dire qu’une doublure de tundish idéale aura les qualités suivantes :
- Capacité à résister à des températures supérieures à 1 500 °C
- Maintien de sa forme à haute température
- Résistance à l’attaque par des scories
- N’ont aucune interaction chimique ou physique avec le métal fondu
Matériaux utilisés pour les doublures toundish
Après un certain temps, un toundish devra être «deskulled». C’est-à-dire le résidu d’acier durci/slag qui se forme après de longues périodes de traitement au fond du toundish. Les matériaux de deskulled peuvent souvent être réintroduits à la phase antérieure de fusion ou de haut fourneau - les scories présentes ne poseront pas de problème ici.
Il est essentiel de tenir compte non seulement des propriétés du matériau lui-même lors de la sélection des réfractaires pour les doublures de toundish, mais aussi des propriétés qui découlent de la forme physique qu’il prend. Les toundishes tapissées de couches de briques réfractaires ont tendance à devoir être remplacées plus tôt que les revêtements fabriqués à partir de réfractaires monolithiques ou versés(8), les données montrant que les briques peuvent durer moins de cinq manches avant d’avoir besoin d’être remplacées ou reconditionnées, comparativement à plus de 30 pour un monolithe. Les doublures de tundish tôt ont été faites de silicate de sodium, formé de la réaction de la silice et de l’hydroxyde de sodium.
Les matériaux communs de doublure de toundish pour la coulée d’acier incluent la silice, la magnésie et l’alumine. L’une des préoccupations concernant l’utilisation de réfractaires purs à la silice pour les revêtements toundish est qu’elle est capable d’oxyder certains matériaux dans l’acier fondu, par exemple le manganèse dans l’acier Hadfield(9). Les rapports suggèrent que dans certaines conditions, une couche d’oxyde de manganèse pourrait se former à l’interface en acier fondu-tundish, dévalorisant ainsi l’acier et réduisant l’efficacité du toundish lui-même.
D’autres composants largement utilisés des doublures de tundish - et des additifs pour - sont discutés ci-dessous.
Verre
Dans la toundish, la silice et/ou le verre moulu peuvent être utilisés pour enlever l’oxyde de fer du fer fondu ou de l’acier. En supprimant cet oxyde de fer, il peut empêcher les incursions en aval et les contributions à la production excessive de scories qui peuvent être nocifs pour les réfractaires toundish plus tard. La silice est capable d’enlever l’oxyde de fer de l’acier, de la toundish et de l’acier fondu lui-même(10) - c’est une caractéristique superbement utile. Le verre moulu partage ce comportement. Dans l’aluminium tué la production d’acier, l’utilisation de verre moulu nie la nécessité d’utiliser le silicide de calcium qui serait inclus pour convertir les particules errantes d’alumine dans la fonte. Les quantités de l’ordre de 122 g de verre moulu par tonne de métal fondu sont suffisantes. Le silicide calcique est hautement inflammable et est connu pour sa combustion spontanée dans l’air. La production d’acier tuée par l’aluminium utilise beaucoup de verre moulu car elle est capable de remplacer le silicide de calcium pour la conversion des restes d’aluminium et d’oxyde d’aluminium dans l’acier fondu. Dans le cadre du revêtement toundish, l’abattage en verre moulu peut être utilisé et se comporte comme un flux, aidant à purifier le métal fondu(11), offrant des avantages thermiques et offre des avantages en aval, y compris l’amélioration de la ductilité et de la machinabilité.
Poussière de charbon/Anthracite en poudre
Le carbone magnesia est un matériau réfractaire qui est fait de magnésium et une source de carbone, comme la
poussière de charbon,
l’anthracite ou le graphite(12). L’un des principaux avantages de la magnésie-carbone est que le carbone présent module l’expansion de la magnésie à des températures élevées, ce qui en fait un matériau à long terme plus stable. Il a également été signalé que le spalling thermique (fissuration de la surface réfractaire à température, avec possibilité de rupture de pièces) est diminué avec l’augmentation de la teneur en graphite/anthracite(13). On dit aussi que le module du matériau des Jeunes est augmenté avec du carbone supplémentaire(14). Dans la production de fer et d’acier, la dégradation de la muqueuse toundish en carbone magnesia peut être accélérée par l’oxydation du carbone par l’oxyde de fer(15), dont l’impact peut être réduit par l’ajout de petites quantités d’aluminium. L’anthracite peut être incluse dans des quantités allant jusqu’à 15.
Sable chromé
Le chrome magnésique est un choix populaire de réfractaire pour les doublures de toundish pour les métaux ferreux et non ferreux. Il est composé de magnésium et de
sable chromé
qui ont été durcis en une brique réfractaire poreuse, avec l’ajout de chromite étant responsable des propriétés améliorées de conductivité thermique par rapport au magnésium pur. Les doublures toundish elles-mêmes sont souvent faites à partir de chrome contenant des matériaux réfractaires - ce sont en fait le choix le plus utilisé des doublures en raison de la tolérance supérieure de la chaleur du matériau chromé, la stabilité et aussi - surtout - la résistance à l’attaque chimique(16). Couramment utilisé dans le cadre de briques réfractaires chrome magnesia, le chrome présent ajoute plus de chaleur, de chimie et de tolérance aux chocs à la brique de manganèse déjà performante. D’autres utilisations courantes et connexes dans le cadre réfractaire et toundish incluent le plâtre réfractaire (très semblable au ciment réfractaire mentionné précédemment), qui est appliqué pour combler les lacunes entre les briques et les lacunes entre les monolithes plus petits si un grand monolithe ne doit pas être employé. Le plâtre réfractaire est généralement un plâtre lourd en manganèse et, dans de nombreux cas, il suffit à lui seul. L’ajout de chrome augmente la tolérance à la chaleur du plâtre et réduit la capacité du plâtre à être pénétré par la silice ou d’autres composants nocifs qui peuvent surgir des scories..
En plus des briques et des doublures réfractaires conventionnelles, le chrome trouve l’utilisation dans l’espace de coulée continue dans le cadre du plâtre magnésia amélioré. Ce plâtre est souvent appliqué comme couche supérieure (en contact avec du métal fondu) au sommet d’un réfractaire «conventionnel», ou pour couvrir les articulations entre les briques réfractaires. Il est traditionnellement composé principalement de magnésie poreuse, qui a tendance à être détruite par la présence d’oxyde de calcium ou de silice dans les scories à haute chaleur. Dans le plâtre moderne et amélioré, de grandes quantités de magnésie sont remplacées par de la chromite et de l’olivine, dans une moindre mesure. La présence de chromite diminue l’écart de base, empêchant ainsi la pénétration du plâtre réfractaire avec des scories(17). Les performances réfractaires globales sont augmentées en utilisant le chrome, tout comme la durée de vie de la doublure toundish elle-même.
Sécurité en ce qui concerne les réfractaires basés sur Chrome
Le chrome hexavalent est toxique pour l’homme. Alors que la fabrication de réfractaires de type chromé n’utilise généralement que du chrome (contenant uniquement du chrome trivalent, Cr(III), la transformation par oxydation a été observée(17) dans les réfracteurs magnésia-chrome et les doublures de toundish. La probabilité d’un plus grand Cr(VI) est plus grande avec plus de chrome utilisé dans le réfractaire, mais l’ajout de dioxyde de titane peut empêcher les transformations à grande échelle en Cr(VI). De tels traitements ont été signalés comme réduisant le contenu de Cr(VI) à bien en dessous des normes américaines - mais supérieures aux normes européennes . Ce phénomène est particulièrement préoccupant dans la coulée de cuivre, où les réfractaires au chrome magnésite sont les plus fréquents(18).
Impact des réfractaires sous forme de toundishes sur la qualité des métaux coulés
En ce qui concerne l’acier, l’identité et l’état du réfractaire toundish jouent un rôle dans la qualité du produit en acier final, dans le cadre des interactions globales entre le métal, les scories, les réfractaires et l’atmosphère(19). Par conséquent, on peut dire que le toundish peut avoir un impact sur les défauts physiques de l’acier fini, la quantité et la nature des incursions non métalliques dans l’acier, et de garder l’acier dans l’espace chimique prédéfini. Les tundishes eux-mêmes sont de plus en plus utilisés pour aider à la purification de l’acier fondu afin de prévenir l’oxydation et d’absorber les impuretés non métalliques par l’intermédiaire de leurs structures typiquement poreuses(20). En outre, les incursions peuvent être éliminées par des processus physiques tels que la filtration intégrée dans le toundish, ou le traitement du métal fondu avec du gaz soufflé à travers le corps tundish(21).
Dégradation dans et de doublures toundish: L’influence des scories
Slag est une partie largement inévitable du processus de coulée métallique ferreux et il a des interactions complexes avec les doublures réfractaires de toundish, qui ne bénéficient généralement pas au régime global de coulée. Certains des impacts des scories ont déjà été abordés, et les interactions réfractaire-scories sont considérées comme l’une des parties les plus préjudiciables du moulage(23). Les rapports suggèrent que la meilleure façon d’assurer aucune accumulation de scories toundish, de scories provenant de la fusion et de la louche devrait être enlevée avant d’atteindre la toundish par des moyens physiques ou chimiques(24). En outre, l’utilisation d’un réfractaire à haute température convenablement élevé comme la chromite en contact avec le métal fondu peut diminuer les effets potentiels des scories toundish qui imprègnent le réfractaire, le rendant inefficace dans des conditions de fonctionnement(25). Les réfractaires à haute teneur en alumine seraient moins sujets à la pénétration des scories(26).
En plus du préjudice susmentionné au processus causé par les scories, il est vrai que la toundish a un impact sur le résultat du métal - principalement en fonction de son interaction avec les scories. Il a été signalé que la toundish doit agir comme un « raffineur continu et non comme un contaminant continu »(27). Cela donne lieu au phénomène du «flux toundish», qui lui-même est un scories qui est ajouté au sommet du métal fondu dans la toundish. Il a un point de fusion inférieur à celui du métal fondu, mais agit comme un «couvercle» à la toundish pour éviter la perte de chaleur dans l’atmosphère, ou l’oxydation directement de celui-ci. Les flux toundish remplissent l’application « raffineur » requise d’une toundish en étant en mesure d’éliminer les incursions non métalliques des métaux fondus. Les flux toundish comprennent une couche de scories liquides, une couche frite et une couche supérieure en poudre(28). De plus, la recherche a montré que grâce à une sélection minutieuse des matériaux de flux toundish, le transfert d’oxygène entre le métal fondu et le flux toundish/toundish peut être augmenté(29). Ceci est avantageux car l’oxygène résiduel dans le métal fondu peut permettre l’oxydation (la production d’oxydes peut causer des problèmes en aval si elle est autorisée dans le métal versé). Les scories très basiques - comme celles dont le pH est supérieur ou supérieur à 11 et qui sont principalement à base d’oxyde de calcium et de silice sont les plus efficaces. Les aciers coulés de la plus haute qualité ne peuvent contenir plus que des traces d’oxygène.
Résumé
- Les tundishes sont une partie essentielle et importante de l’industrie moderne de la coulée de métaux
- Les doublures tundish sont formées de couches de matériaux réfractaires, souvent à base d’alumine et de magnésie, ayant souvent d’autres réfractaires inclus dans leur fabrication comme la chromite, le verre moulu et l’anthracite
- Les réfractaires dans le toundish offrent non seulement des avantages de contrôle de la température, mais aussi ils peuvent augmenter la qualité du métal coulé fini en influençant les incursions errantes
- Les scories sont une préoccupation constante dans les moulages métalliques ferreux, car elles peuvent interférer avec les réfractaires dans la doublure les rendant moins efficaces, mais cet effet peut être atténué par une composition réfractaire optimale et une intervention physique
- Un autre type de scories peut être ajouté pour aider la toundish à des stades ultérieurs, avec des applications dans l’enlèvement du gaz
En tant que parties intégrantes de la coulée continue moderne des métaux, les toundishes sont des composants essentiels. La toundish est composée de couches de matériaux, y compris les réfractaires, y compris le sable chromé, le verre en poudre et l’anthracite - qui sont tous disponibles en qualité supérieure de pegmatite africaine, à pratiquement n’importe quelle spécification imaginable.
Références
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