Les briques réfractaires sont l'épine dorsale des fours à acier, chargés de contenir des gaz de fusion, de scories et de combustion à des températures qui dépassent systématiquement 1500°C. Ces produits céramiques doivent survivre aux chocs thermiques, aux attaques chimiques et à l'abrasion mécanique tout en maintenant l'intégrité structurelle au cours de plusieurs mois de fonctionnement continu. La sélection de la brique réfractaire correcte pour chaque zone de four affecte directement la consommation d'énergie, la qualité des produits et la vie en campagne.

Cet article examine les propriétés physiques, chimiques et mécaniques critiques qui définissent la performance réfractaire des fours à acier. Il examine également les formulations de brique les plus courantes, fournit des conseils sur la sélection des matériaux pour différentes zones de four et discute des considérations de contrôle de la qualité qui assurent une performance cohérente.

Propriétés physiques critiques

La capacité d'une brique réfractaire à maintenir sa forme, son volume et sa fonction d'isolation sous charge et à la chaleur extrême dépend d'une combinaison de caractéristiques physiques, qui sont mesurées à l'aide d'essais normalisés et servent de référence principale pour la sélection des matériaux.

Réfracteur et équivalent de cône pyrométrique (PCE)

La réfraction est la température à laquelle un matériau réfractaire commence à s'assouplir ou à se déformer sous son propre poids, quantifiée à l'aide de l'essai standard d'équivalent-cone pyrométrique (PCE), qui compare le point d'adoucissement d'un échantillon à celui des cônes pyrométriques standard. Pour les applications de la fabrication d'acier, la réfraction doit dépasser 1700°C. Les briques à base d'aluminium avec plus de 60 % d'Al2O3 atteignent généralement des valeurs PCE de 35 ou plus, ce qui les rend adaptées aux zones les plus chaudes des fours à arc électrique (FAE) et des fours à oxygène de base (BOF).

Résistance aux chocs thermiques

La résistance aux chocs thermiques mesure la capacité de résister à de telles fluctuations sans fissure ni éraflure. Cette propriété est influencée par l'expansion thermique, la diffusion thermique et la microstructure du matériau. Les briques à la magnésie et à la spinel présentent une résistance aux chocs thermiques particulièrement élevée due à la formation de microcracks qui permettent l'expansion. Les essais impliquent généralement des cycles répétés de chauffage et d'extinction; une bonne réfractaire de fabrication d'acier devrait survivre à 20 cycles ou plus sans perte de poids ou propagation de fissures importantes.

Porosité et perméabilité

La porosité apparente affecte à la fois la conductivité thermique et la pénétration des laitier. La porosité inférieure (généralement 12 à 18 %) réduit l'entrée des laitier fondu et du fer, prolongeant ainsi la durée de vie des briques. Cependant, une quantité contrôlée de porosité fermée peut améliorer la résistance aux chocs thermiques en absorbant les contraintes. La perméabilité, propriété connexe, régit le débit de gaz à travers la brique et est essentielle pour les buses et les éléments de purge.

Propriétés chimiques et résistance au laitier

Le milieu chimique d'un four sidérurgique est agressif. Le laitier, mélange de chaux, de silice, d'oxydes de fer et d'impuretés, réagit avec des matériaux réfractaires à haute température. La brique doit résister à la dissolution, à la corrosion et à l'affaiblissement structurel provoqué par l'infiltration de laitier.

Fondamentalité et acidité

Les réfractaires sont classés comme acides, basiques ou neutres en fonction de leur réaction chimique avec le laitier. La règle fondamentale de la sélection réfractaire est de correspondre à la basicité de la brique à celle du laitier. Dans les fours à oxygène et les fours à arc électrique, le laitier est très basique (rapport CaO/SiO2). Les réfractaires de base tels que la magnésie (MgO) et la dolomite (CaO·MgO) sont utilisés parce qu'ils résistent aux attaques par les laitier de base. Inversement, les briques acides comme la silice sont limitées aux zones où le laitier est acide ou les conditions sont sèches.

Mécanismes de corrosion

La corrosion des scories se produit par dissolution, pénétration et réaction. Les scories de fonte humidifient la surface de la brique et dissolvent les oxydes réfractaires, formant un liquide à point de fusion inférieur qui érode la brique. La pénétration se produit le long des pores et des limites des grains, provoquant un affaiblissement structurel. Pour contrer ces mécanismes, les fabricants ajoutent des matériaux comme la zircone (ZrO2) ou l'oxyde de chrome (Cr2O3) pour augmenter la viscosité de la couche de réaction et réduire la pénétration.

Résistance à l'hydratation

Pour les réfractaires de base, en particulier ceux contenant du CaO libre, la résistance à l'hydratation est une préoccupation critique lors du stockage et de la manipulation. L'humidité réagit avec le CaO pour former de l'hydroxyde de calcium, ce qui provoque une expansion du volume et des fissures.

Propriétés mécaniques pour l'intégrité du four

Les briques réfractaires des fours à acier subissent des charges statiques du poids de la doublure, des forces dynamiques de charge et de taraudage, et des contraintes de dilatation thermique. La résistance mécanique assure la stabilité de la brique et ne s'écroule pas ou ne se fracture pas.

Résistance à la conchylisation à froid (SCC)

La résistance au broyage à froid mesure la charge de compression maximale que la brique peut supporter à température ambiante avant défaillance. C'est un indicateur de la densité, de la qualité et de l'uniformité de la brique. Pour les applications de la sidérurgie, les valeurs de CCS varient généralement de 35 MPa pour les briques isolantes à 80 MPa pour les matériaux denses et à haute résistance.

Module de la rupture (MOR)

Le module de rupture évalue la résistance flexurale, c'est-à-dire la capacité de résistance de la brique à la flexion. Cette propriété est particulièrement importante pour les briques utilisées dans les toits de four, les arcs et les parois latérales où les gradients thermiques induisent des contraintes de traction.

Résistance à l'abrasion et à l'érosion

Dans les zones où le laitier, le métal fondu ou le gaz coule à grande vitesse, les briques doivent résister à l'usure physique due aux chocs par particules et aux forces de frottement. La résistance à l'abrasion est corrélée avec la densité en vrac et la résistance à la liaison. Pour les garnitures de poche et les trous de robinets de four, les matériaux à faible porosité et à haute résistance à la liaison sont préférés.

Propriétés thermiques et efficacité énergétique

Le comportement thermique des briques réfractaires influence directement la perte de chaleur du four, l'uniformité de la température et la consommation d'énergie.

Conductivité thermique

La faible conductivité thermique réduit le transfert de chaleur à travers la coque du four, en conservant l'énergie et en protégeant les structures extérieures en acier. Les briques de Silice et les briques isolantes ont des valeurs de conductivité autour de 1,0–1,5 W/m·K, tandis que les briques de magnésie dense peuvent atteindre 5–6 W/m·K. Les briques isolantes microporeuses modernes atteignent des valeurs inférieures à 0,3 W/m·K en incorporant des agrégats nanoporeux.

Expansion thermique et crip

Si l'expansion n'est pas assurée par une conception articulaire appropriée, les briques peuvent se boucler ou s'éparpiller. Le coefficient d'expansion thermique (CTE) pour les briques d'alumine est d'environ 8×10−6 /°C; pour les briques de magnésie, il est plus élevé à 13×10−6 /°C. La déformation dépendante du temps sous charge à haute température est une autre préoccupation.

Capacité thermique et diffusivité thermique

La puissance thermique spécifique détermine la quantité d'énergie nécessaire pour élever la température de la brique. La diffusion thermique combine conductivité, densité et capacité thermique pour décrire la vitesse à laquelle les changements de température se propagent à travers le matériau. Bien que ces propriétés soient moins souvent discutées dans la sélection, elles affectent le comportement de chauffage transitoire et la réactivité du four.

Types courants de briques réfractaires utilisées dans la fabrication de l'acier

Les aciéries modernes emploient une variété de types de briques réfractaires, chacune conçue pour une combinaison spécifique de température, de produits chimiques et de besoins mécaniques.

Briques à haute teneur en aluminium

Avec une teneur en Al2O3 allant de 48 % à plus de 90 %, les briques à haute teneur en aluminium offrent un équilibre entre réfraction, résistance mécanique et polyvalence. Elles sont utilisées dans les toits EAF, les revêtements tundish et les parois latérales des louches.

Briques de magnésium et de carbone

Cette classe a révolutionné la technologie de revêtement BOF et EAF. En combinant la magnésie brûlée avec 10-20% de carbone (graphite ou pas), ces briques obtiennent une résistance exceptionnelle aux scories et des performances de choc thermique. Le carbone fournit non-scories-inserts, tandis que la magnésie résiste à des attaques de base. Les briques de Magnésie-carbon sont la norme pour les points chauds et les lignes de laitier des convertisseurs d'oxygène. Leur principale limitation est l'oxydation à haute température dans les atmosphères oxydantes; des antioxydants tels que l'aluminium métallique ou le silicium sont ajoutés pour atténuer cela.

Briques de dolomite

Les briques de dolomite (CaO·MgO) sont moins chères que la magnésie pure et offrent une bonne résistance de base aux laitiers. Elles sont utilisées dans les convertisseurs de BOF et les louches secondaires de fabrication d'acier, en particulier lorsque les économies sont prioritaires.

Briques de Silice

Les briques Silica (SiO2 > 93 %) présentent une excellente stabilité thermique et une grande capacité de charge près de leur point d'adoucissement. Elles sont de nature acide et utilisées principalement dans les toitures des fours à cœur ouvert de base et dans les fours à coke. Dans la fabrication de l'acier, leur application est limitée aux zones où le laitier n'est pas basique.

Briques spécialisées (Zircon, Chromite, Spinel)

Pour les conditions les plus exigeantes, comme la ligne de laitier dans les louches en acier à haute teneur en alliage ou dans les dégazeurs sous vide, les briques spéciales offrent une résistance accrue. Les briques contenant de la Zirconia offrent une faible humidité et une réfraction extrême. Les réfractaires à base de chrome sont largement utilisés, mais sont progressivement éliminés en raison des préoccupations environnementales concernant le lessivage du chrome.

Critères de sélection pour différentes zones de fourneaux

Aucun type de brique ne convient à l'ensemble du four. Chaque zone impose un ensemble unique de demandes.

Four à arc électrique (EAF)

  • ]
  • [Fludes de protection contre les chocs thermiques, les radiations et les décharges d'arcs, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les matériaux de construction, les matériaux de construction et les

    Four à oxygène de base (BOF)

  • Zone de tronquage:[La doublure en baril utilise des briques de magnésie-carbone avec une teneur en carbone autour de 12 à 14%.Cette zone voit des scories et des températures modérées.
  • Ligne de scories:[La zone la plus agressive; les briques de magnésie à haute teneur en carbone (18%) sont obligatoires. Les réparations cassables sont courantes entre les campagnes.
  • ][FLT:][FLT:]
    • [FLT:]][FLT:][FLT:]]][Fluide la couche:[FLT:][

    Louche et affinage secondaire

    Les réfractaires des poches doivent résister au dégazage sous vide, à l'agitation et à l'agressivité accrue des scories synthétiques.

    • Ligne de scories des poches:Briques de magnésium-carbone ou de magnésie-spinel avec résistance aux scories de haute base.La durée de vie des doublures de 80 à 120 chaleurs est typique.
    • ]]Flacon:[Flacon à haute teneur en aluminium ou en andalusite avec faible porosité pour minimiser la pénétration des scories.

      Fabrication et contrôle de la qualité

      La qualité de la brique réfractaire est assurée par une sélection minutieuse des matières premières, le mélange, le formage, le séchage et la cuisson. Les matières premières telles que la bauxite, la magnésite et le graphite sont bénéfiques pour contrôler les impuretés.

      Les méthodes de formation comprennent le pressage à sec (le plus courant pour les briques de fabrication d'acier), le pressage isostatique (pour les grandes formes ou les buses) et le moulage à glissement (pour les géométries complexes). Après le pressage, les briques sont séchées à 100 à 200 °C pour éliminer l'humidité et éventuellement trempées dans une atmosphère réductrice si elles contiennent du carbone.

      Le contrôle de la qualité consiste à tester chaque lot de production pour déterminer la densité en vrac, la porosité apparente, le CSC et le changement linéaire permanent après réchauffage. Pour les applications de fabrication de l'acier, on utilise les méthodes d'essai ASTM ou ISO. Les fournisseurs fournissent généralement un certificat d'analyse incluant la chimie complète de l'oxyde.

      Une tendance croissante est l'utilisation de méthodes d'essai non destructives comme la vitesse d'impulsion ultrasonore (UPV) pour détecter les fissures internes ou les inhomogénéités dans les briques avant l'installation.

      Conclusion

      Les principales propriétés sont la réfraction, la résistance aux chocs thermiques, la compatibilité chimique avec les scories, la résistance mécanique et la conductivité thermique. Les types les plus utilisés sont le carbone magnésie pour le contact de base des scories, la haute teneur en alcool pour les zones neutres et à haute température, et la silice pour des environnements acides spécifiques. La sélection devrait tenir compte non seulement du coût initial de la brique, mais aussi de sa contribution au temps de cuisson du four, à l'efficacité énergétique et à la qualité de l'acier en général. Le contrôle rigoureux de la qualité, tant pendant la fabrication que lors de la réception à l'usine, garantit que les briques fonctionnent comme prévu.