LES MATERIAUX REFRACTAIRESย
Gรฉnรฉralitรฉs
Un matรฉriau rรฉfractaire est un matรฉriau ou une substance qui montre une trรจs grande rรฉsistance aux hautes tempรฉratures. Pour quโil puisse รชtre dรฉsignรฉ comme rรฉfractaire, il doit pouvoir รชtre utilisรฉ sans problรจme dans des structures ou des systรจmes rรฉguliรจrement exposรฉs ร des tempรฉratures supรฉrieures ร 538ยฐC. Cette norme a รฉtรฉ dictรฉe par lโASTM International, lโorganisme de normalisation concernant les matรฉriaux, les produits, les systรจmes et les services. Selon la dรฉfinition de la norme AFNOR (NF B 40-001) ยซ tout matรฉriau (autre que mรฉtaux et alliages) est considรฉrรฉ comme rรฉfractaire dรจs lโinstant oรน sa rรฉsistance pyroscopique est รฉquivalente ร 1500ยฐC minimum ยป. La rรฉsistance pyroscopique est la tempรฉrature maximale pour laquelle un matรฉriau rรฉfractaire ne sโaffaisse pas sous son propre poids tout en conservant ses propriรฉtรฉs physiques. Les matรฉriaux rรฉfractaires sont essentiellement utilisรฉs dans les industries nuclรฉaire et chimique : fonderie, fabrication des mรฉtaux non-ferreux, du ciment, du verre, des cรฉramiques, dans la pรฉtrochimie, la chimie, lโindustrie de lโincinรฉration des dรฉchets et la production dโรฉnergie. Un matรฉriau rรฉfractaire ne doit produire aucune rรฉaction chimique avec les autres matรฉriaux se trouvant ร proximitรฉ et qui, eux, nโont pas les mรชmes qualitรฉs de rรฉsistance ร la chaleur, sa durabilitรฉ est en particulier fonction des phรฉnomรจnes de corrosion. Les matรฉriaux rรฉfractaires ont pour principale fonction dโassurer la protection physique de personnel et des installations entre lโextรฉrieur et la matiรจre chaude qui peut รชtre liquide (acier, fonte, verre…), solide (charbons, minerais ร lโentrรฉe des foursโฆ) ou gazeuse (air chauffรฉ dans les cowpersโฆ). Les rรฉfractaires ont aussi pour rรดle de rรฉduire les pertes calorifiques en tant quโisolants thermiques dans les รฉquipements comme les fours industriels, les fours de laboratoires ou les foyers de certaines centrales thermiques.
Les principaux phรฉnomรจnes de dรฉgradation des rรฉfractairesย
Les matรฉriaux rรฉfractaires doivent pouvoir rรฉsister ร des contraintes thermochimiques et thermomรฉcaniques telles que :
– La corrosion chimique par les oxydes liquides, les sels fondus, les mรฉtaux en fusion, les gaz.
– Les dรฉgradations thermomรฉcaniques, en particulier les ruptures, lโรฉrosion et le fluage. Dโune importance particuliรจre, les chocs thermiques provoquent des ruptures en relation avec les gradients thermiques quโils gรฉnรจrent.
Ces dรฉgradations sont souvent associรฉes : ร lโapparition de fissures (dues ร des ruptures mรฉcaniques) dans le matรฉriau, augmentera lโinfiltration dโoxydes liquides ou de mรฉtal. Cette infiltration modifiera en profondeur la composition chimique et lโagencement des phases et pourra diminuer la rรฉsistance mรฉcanique du matรฉriau. De nombreux mรฉcanismes sont ร lโorigine de la dรฉgradation chimique des rรฉfractaires soit par interaction du matรฉriau avec des composรฉs gazeux, ou soit par le biais dโune interaction solide-liquide. La corrosion par voie liquide peut se manifester principalement par :
– La fusion partielle des rรฉfractaires notamment ร cause de la prรฉsence dโeutectiques ร bas point de fusion (cas de lโanorthite et du gehlenite) ;
– La dissolution du rรฉfractaire dans la phase liquide, rรฉaction qualifiรฉe de corrosion active (cas de la formation des verres silicatรฉs qui concentrent les รฉlรฉments tels que Na, K, B โฆ et sont liquides aux tempรฉratures de fonctionnement) ;
– La dissolution du rรฉfractaire suivie dโune prรฉcipitation de phase solides ร lโinterface entre les agents corrosifs et le rรฉfractaire. Ce type de corrosion est dit passif ;
– Lโรฉrosion, rรฉsultant de lโaction combinรฉe de la corrosion chimique et de lโabrasion et pouvant entrainer un arrachement des parties du matรฉriau sous lโaction dโun mouvement mรฉcanique.
Mรฉcanisme de la corrosion
La corrosion dโun rรฉfractaire est la rรฉsultante de deux mรฉcanismes successifs :
โ Un phรฉnomรจne en surface de mouillage est tout dโabord observรฉ ร lโinterface entre le matรฉriau et le liquide ;
โ Lโinfiltration de la porositรฉ ouverte du matรฉriau par le mรฉlange dโun liquide entraine une corrosion en volume qui est rรฉgie par les forces capillaire et la rรฉactivitรฉ chimique.
Les matรฉriaux rรฉfractaires du systรจme Chaux-Alumine-Silice : cas des ciments rรฉfractaires alumineux
Les ciments portland constituent le premier du systรจme Chaux-Alumine-Silice. Leur composition (C3S, C2S, C3A, C4AF …) empรชche une utilisation ร des tempรฉratures supรฉrieures ร 500ยฐC, en raison dโune teneur en CaO assez importante, qui augmente la quantitรฉ de phase liquide ร haute tempรฉrature (fissuration, diminution des propriรฉtรฉs mรฉcaniques). Le diagramme de phase de la Figure 1 prรฉvoit que les composรฉs ร base dโaluminate de calcium sont plus appropriรฉs pour des applications hautes tempรฉratures que les composรฉs du sous-systรจme Chaux-Silice.
La structure et les propriรฉtรฉs des matรฉriaux rรฉfractaires du systรจme ChauxAlumine Silice sont important industriellement. Ce sont des liants hydrauliques et offrent une grande variรฉtรฉ de possibilitรฉ de mise en forme. Une forte prรฉsence dโalumine dans ces matรฉriaux amรฉliore leurs propriรฉtรฉs physico-chimique, leur stabilitรฉ, leur duretรฉ, leur compressibilitรฉ, leur rรฉfractaritรฉ et abaisse leur coefficient dโexpansion thermique ร haute tempรฉrature. Nรฉanmoins, la prรฉsence de la chaux et de la silice est essentielle ร la densification et ร lโaugmentation de lโรฉlasticitรฉ du matรฉriau ร chaud. Les matรฉriaux rรฉfractaires du systรจme Chaux-Alumine-Silice ont la particularitรฉ de pouvoir รชtre synthรฉtisรฉ dans un trรจs large domaine de composition, comme le montre sur la Figure 1, et dont chaque domaine de composition correspond ร la cristallisation de phases majoritaires bien dรฉterminรฉes.
Les ciments dโaluminate de calcium rรฉsultent du frittage ร haute tempรฉrature de clinker et dโalumine. Les principales phases minรฉralogiques obtenues par ce procรฉdรฉ sont le monoaluminate de calcium CA, le dialuminate de calcium CA2 et la mayenite C12A7. Ce type de ciment contient moins de 6% en masse de Silice et des teneurs en Chaux ne dรฉpassant pas 30% en masse. De ce fait ils rรฉsistent plus aux attaques des sulfates et ร une grande variรฉtรฉ dโagressions chimiques, comme les alcalins, le carbone, et ร la prรฉsence de chrome dans les matiรจres ร traiter. Ces ciments ont une rรฉsistance pyroscopique รฉlevรฉe en raison de la forte teneur en alumine, dont le point de fusion dรฉpasse 2000ยฐC. Combinรฉ au dรฉficit de chaux, ils rรฉsistent mieux aux chocs thermiques sรฉvรจres, la plage de tempรฉrature est de (-180ยฐC ร 1100ยฐC). La tenue mรฉcanique aux hautes tempรฉratures est assurรฉe par la cristallisation de lโhibonite CA6 qui peut fritte avec les particules dโalumine au voisinage. La prรฉsence de silice va donner une phase liquide qui va venir obturer la porositรฉ et densifier le rรฉfractaire ; la quantitรฉ de phase liquide รฉtant moins importante donc nโendommage pas le matรฉriau. Ces ciments ont des propriรฉtรฉs de piรฉgeage des impuretรฉs des mรฉtaux en fusion. A cause de ces caractรฉristiques et plus en tant que rรฉactif les ciments dโaluminate de calcium sont de prรฉfรฉrence utilisรฉs dans les industries mรฉtallurgiques en gรฉnรฉral (stockage de piรจce chaudes, zones de fusion)ย .
On peut trouver un classement des matรฉriaux rรฉfractaires du systรจme ChauxAlumine-Silice en quatre grandes familles :
– Les matรฉriaux ร base de silice : ce sont des produits dont la teneur en silice est supรฉrieure ร 91%, avec teneur en alumine infรฉrieure ร 3%,
– Les matรฉriaux siliceux : ce sont des produits dont la teneur en silice est comprise entre 85 et 91%, avec teneur en alumine supรฉrieure ร 5%,
– Les matรฉriaux silico-alumineux : ce sont des produits dont la teneur en alumine est comprise entre 20 et 40%,
– Les matรฉriaux alumineux : ce sont des produits dont la teneur en alumine dรฉpasse 40%.
Les matรฉriaux silico-alumineux, conditionnรฉs en briques rรฉfractaires, sont les matรฉriaux majoritairement utilisรฉs pour le parement des enceintes thermiques. Compte tenu de la prรฉsence dโimpuretรฉs, le dรฉbut de ramollissement observรฉ pour ces composรฉs, a lieu ร tempรฉrature lรฉgรจrement infรฉrieure ร 1545ยฐC, point de ramollissement thรฉorique dโun mรฉlange de composition typique (SiO2 :94,5%, Al2O3:5,5%), en effet, en raison de la formation des phases anorthite CAS2 et gehlenite C2AS dans le diagramme ternaire Chaux-Alumine-Silice. Etant donnรฉ leurs nombreux avantages par rapport aux matรฉriaux siliceux (calco-siliceux ou silico-alumineux), les rรฉfractaires ร base dโaluminate de calcium ont รฉtรฉ utilisรฉs progressivement au cours des deux derniรจres dรฉcennies par lโindustrie mรฉtallurgique. Ces rรฉfractaires ont une teneur typique en alumine variant entre 60% et 80% en masse.
LES MATERIAUX DE DEPARTย
Kaolin
Le kaolin est une roche argileuse gรฉnรฉralement blanche quโon trouve ร lโรฉtat naturel non purifiรฉ. Il est caractรฉrisรฉ par une teneur significative en minรฉraux de la famille de la kaolinite. Le terme kaolin est un terme dโorigine chinoise, il vient du mot ยจKaolingยจ, nom dโune colline dans la province de Kiangsi.
La kaoliniteย
Gรฉnรฉralitรฉs
Comme tous minรฉraux argileux, la kaolinite est dโorigine gรฉologique secondaire, elle a รฉtรฉ donc formรฉe par la dรฉgradation des roches ignรฉes (volcaniques) due ร des phรฉnomรจnes dโรฉrosion et dโaltรฉration chimique sous lโaction des agents atmosphรฉriques. La nature des produits argileux formรฉs dรฉpend de la nature de la roche mรจre, des conditions climatiques et du drainage. Les roches silico-alumineux contenant du potassium et du magnรฉsium en quantitรฉ suffisante, sโaltรจreront pour donner des illites et de la montmorillonite, si les ions potassium et magnรฉsium ne sont pas รฉvacuรฉs pendant la transformation (cas des climats arides et des milieux mal drainรฉs). Par contre, si les ions potassium et magnรฉsium sont entraรฎnรฉs, il se formera de la kaolinite (cas des climats tropical et milieu bien drainรฉ).
Impuretรฉ dans le kaolin
Tout sol est constituรฉ dโune fraction minรฉrale et de matiรจre organique. La fraction minรฉrale reprรฉsente lโensemble des produits dโaltรฉration physique et chimique dโune roche mรจre. Ces impuretรฉs sont de deux sortes :
– dรฉbris minรฉraux provenant des roches qui ont donnรฉ naissance ร lโargile,
– impuretรฉs mรฉlangรฉes au cours du dรฉplacement des argiles en formation.
Toutes ces impuretรฉ peuvent aller depuis les impalpables, jusquโaux dรฉbris assez considรฉrables. Les impuretรฉs trop fines modifient les propriรฉtรฉs de lโargile, trรจs souvent elles diminuent le retrait, abaissent le point de fusion. Parmi ces impuretรฉs, on cite la silice dite silice ร lโรฉtat libre, elle est la plus abondante. Elle se prรฉsente sous forme cristallisรฉe quartz ฤฎ allant de lโinvisible au grain grossier. Parfois, elle est mรชme considรฉrรฉe comme lโun des principales constituantes du kaolin. On y trouve le fer qui se rencontre sous forme de silicates de fer, dโhydrates de fer (limonite FeO (OH) nH2O), dโoxydes de fer (hรฉmatites Fe2O3). On y trouve aussi les sels de magnรฉsie, les alcalis (soude Na2O et potasse K2O), le titane TiO2, les matiรจres organiquesโฆ.etc. Ces sels contenus dans le kaolin donneront en grande partie sa coloration aprรจs cuisson, mais aussi le rendent moins rรฉsistant ร la corrosion chimique et aux brusques variations de tempรฉratures.
Formation du kaolin
Les kaolins primaires ou kaolins rรฉsiduelsย
La plupart des argiles et minรฉraux argileux proviennent de la transformation de silicates primaires ou de roches volcaniques, sous lโinfluence de processus physiques et chimiques impliquant lโeau. Certaines substances, une fois dissoutes dans lโeau, augmentent le caractรจre acide de celle-ci, accรฉlรฉrant ainsi la dรฉcomposition de minรฉraux primaires. Helgeson et Mackenzie, ont montrรฉ que la dissolution du gaz carbonique atmosphรฉrique peut, lors de lโhydrolyse, tripler les vitesses de dรฉcomposition des feldspaths potassiques et de formation de la kaolinite. Si le drainage de ces roches par lโeau est abondant, ce processus gรฉochimique naturel conduit directement ร la formation de la kaolinite. Les kaolins rรฉsiduels sont gรฉnรฉralement situรฉs ร la surface de la roche mรจre. Ils sont relativement purs, avec peu dโintrusion en leur sein.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION GENERALE
PREMIERE PARTIE : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE 1 : LES MATERIAUX REFRACTAIRES
I. GENERALITES
II. LES PRINCIPAUX PHENOMENES DE DEGRADATION DES REFRACTAIRES
III. LES MATERIAUX REFRACTAIRES DU SYSTEME CHAUX-ALUMINE-SILICE : CAS DES CIMENTS REFRACTAIRES ALUMINEUX
CHAPITRE 2 : LES MATERIAUX DE DEPART
I. KAOLIN
I.1. La kaolinite
I.1.1. Gรฉnรฉralitรฉs
I.1.2. Caractรฉristiques de la kaolinite
I.2. Impuretรฉ dans le kaolin
I.3. Formation du kaolin
I.3.1. Les kaolins primaires ou kaolins rรฉsiduels
I.3.2. Les kaolins secondaires ou sรฉdimentaires
I.4. Applications courantes du kaolin
II. LโALUMINE
II.1. Lโaluminium
II.1.1. Gรฉnรฉralitรฉ et propriรฉtรฉs
II.1.2. Les alliages dโaluminium dans les transports automobiles
II.1.3. Comportement de lโaluminium et de ses alliages vis-ร -vis dโune solution corrosive
a. Phรฉnomรจne de corrosion de lโaluminium pur
b. Phรฉnomรจne de corrosion des alliages dโaluminium
II.2. Les hydroxydes dโaluminium (regroupent les hydroxydes et oxyhydroxydes)
II.2.1. Prรฉcipitation des hydroxydes dโaluminium ร partir des solutions aluminates alcalins
a. Les procรฉdรฉs citรฉs dans la littรฉrature
b. Prรฉcipitation de la bayerite
II.2.2. Alumine hydratรฉe, alumine de transition et filiation
CHAPITRE 3 : LES SYSTEMES CHAUX-ALUMINE-SILICE
I. LES EFFETS DE LโAJOUT DE CHAUX SUR LES SOLS ARGILEUX
I.1. Les effets ร court terme
I.1.1. Modification de lโรฉtat hydrique du sol
I.1.2. Floculation-agglomรฉration des particules du sol
I.2. Les effets ร long terme
I.3. La carbonatation
II. LES ALUMINATES ET SILICATES DE CALCIUM HYDRATES
II.1. Les silicates de calcium hydratรฉs (CSH)
II.2. Les aluminates de calcium hydratรฉs
III. LES HYDRATES NEOFORMES EN EQUILIBRE AVEC LES SOLUTIONS SATUREES EN CHAUX A 100ยฐC
III.1. Equilibres et hydrates nรฉoformรฉs ร 100ยฐC et 1bar
III.1.1. La dissolution
III.1.2. La cristallisation
III.2. Relation entre teneurs en silice-alumine soluble et hydrates formรฉs ร 100ยฐC
IV. TRANSFORMATIONS DES HYDRATES AVEC LA TEMPERATURE
IV.1. Dรฉshydratation
IV.2. Cristallisation du CA
IV.3. Enrichissement des phases en alumine
DEUXIEME PARTIE : ETUDE EXPERIMENTALE
CHAPITRE 4 : MATERIAUX ET METHODES EXPERIMENTALES
I. LES MATIERES PREMIERES
I.1. Le kaolin
I.2. Lโaluminium
I.3. La chaux
II. LES METHODES DE CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES ET DES EPROUVETTES REFRACTAIRES
II.1. Mรฉthode de caractรฉrisation des matiรจres premiรจres
II.1.1. Analyse chimique
II.1.2. Caractรฉrisations gรฉotechniques
a. Teneur en eau
b. Analyse granulomรฉtrique par tamisage
c. Poids spรฉcifique
d. Limite dโAtterberg
e. Equivalant de sable
II.2. Mรฉthode de caractรฉrisation des รฉprouvettes rรฉfractaires
a. Retraits linรฉaire et volumique
b. Porositรฉ, densitรฉ apparente et densitรฉ rรฉelle
c. Rรฉsistance ร la compression ร froid
III. FORMULATION ET CONFECTION DES EPROUVETTES REFRACTAIRES
III.1. La prรฉparation des matรฉriaux de dรฉpart
III.1.1. Le kaolin
III.1.2. Lโalumine
III.1.3. La chaux
III.2. Le traitement ร la chaux
III.3. Formulation de la pรขte rรฉfractaire
III.4. Confection, sรฉchage et cuisson des รฉprouvettes rรฉfractaires
III.4.1. Moulage
III.4.2. Sรฉchage et cuisson
CHAPITRE 5 : RESULTATS ET INTERPRETATIONS
I. CARACTERISATIONS SUR LES MATIERES PREMIERES
I.1. Les analyses chimiques
I.1.1. Composition chimique du kaolin
I.1.2. Composition chimique de la chaux
I.2. La caractรฉrisation gรฉotechnique du kaolin
II. FAITS OBSERVES LORS DES TRAVAUX DE LABORATOIRE ET INTERPRETATIONS
II.1. La sรฉparation des phases fines des phases grossiรจres du kaolin
II.2. La production dโalumine
II.3. Le conditionnement de la chaux
II.4. Le traitement ร la chaux
II.5. La confection et le sรฉchage des รฉprouvettes
II.6. La dรฉshydratation et la cuisson des รฉprouvettes
II.6.1. Essaie de cuisson au laboratoire de Vontovorona
II.6.2. Essaie de cuisson dans une minifonderie situรฉe ร Manjakandriana
a. Les traitements avant cuisson
b. Les essais de cuisson
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE