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RÉSUMÉ
La corrosion des réfractaires par les laitiers sidérurgiques met en jeu plusieurs mécanismes : la dissolution, l’infiltration du laitier, l’érosion de la surface transformée. Deux paramètres jouent un role capital : la solubilité des réfractaires et la viscosité des laitiers. La corrosion des différentes familles de réfractaires au cours des étapes de l’élaboration de l’acier est évaluée par calculs thermochimiques , en se focalisant sur le niveau de solubilité et sur la viscosité. Enfin, des préconisations sont données concernant les choix des réfractaires et les pratiques industrielles.
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Philippe BLUMENFELD : Expert en réfractaires du groupe ArcelorMittal, en retraite - Conseil, Beaucaire, France
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Jacques POIRIER : Professeur émérite de l’université d’Orléans - CEMHTI-Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation, CNRS, Orléans, France
INTRODUCTION
De très nombreux types de matériaux réfractaires sont utilisés dans une usine sidérurgique, de l’ordre de 500 qualités commerciales rien que pour les réfractaires consommables. Ceci s’explique par une recherche permanente d’optimisation de leurs comportements et de leurs coûts. De l’amont à l’aval de l’usine, on voit se succéder quelques grandes familles de réfractaires absolument nécessaires et dont le développement a parfois conditionné l’émergence du procédé sidérurgique, par exemple les briques de magnésie-carbone pour le procédé du convertisseur à soufflage oxygène dans les années soixante-dix.
Au cours de l’élaboration de l’acier, les laitiers et les températures évoluent beaucoup dans les différents fours et outils ; c’est ce qui explique en premier lieu que des familles différentes de réfractaires doivent être employées. Certains réfractaires résistent mieux face à des laitiers riches en SiO2, d’autres face à des laitiers riches en CaO ou FeOx.
Cette compatibilité entre réfractaires et laitiers est loin d’être facile à présenter et à expliquer. Il existe dans la profession des règles de l’art très simples, telles que « réfractaire magnésien avec laitier riche en chaux » et « réfractaire d’alumine avec laitier riche en silice ». Mais ces notions physico-chimiques sont complexes, et il n’est pas aisé de définir les seuils de composition de laitiers pour lesquels il faudrait basculer d’une catégorie de réfractaires à une autre. De plus, quels sont les mécanismes de la corrosion qui seraient à l’origine d’une telle règle ? Il n’y a là rien d’évident.
Le but de cet article est de clarifier la corrosion des réfractaires, à partir de résultats de calculs de la solubilité des différents oxydes dans les laitiers et de la viscosité des laitiers lors de cette dissolution.
En complément de la composition et de la température des laitiers, ces éléments sont pris en compte dans l’article [N 4 853] afin d’expliquer autant que possible le choix de ces grandes familles de réfractaires dans les fours d’élaboration de l’acier. Des exemples de corrosion de réfractaires par les laitiers sidérurgiques illustrant les mécanismes de corrosion dominants y sont présentés.
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Évolution des laitiers et des situations de corrosion des réfractaires au cours du process sidérurgiqueArticle inclus dans l'offre
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1. Description générale de la corrosion des réfractaires par les laitiers sidérurgiques
L’objectif est ici de présenter les nombreux mécanismes de corrosion des réfractaires par les laitiers : la dissolution des oxydes réfractaires, l’infiltration capillaire du laitier dans la porosité, l’érosion de la surface du réfractaire transformé et, a contrario, la protection de la surface par précipitation de nouvelles phases ou par dépôt de laitier. Cette revue des mécanismes et paramètres est illustrée par des exemples industriels et de laboratoire.
en sidérurgie, les concentrations (proportion d’un soluté dans une solution) sont toujours pondérales/massiques. Par défaut dans cet article, % seul signifie % pondéral (massique). La porosité des réfractaires est exprimée en % volumique, soit le rapport du volume des pores par rapport au volume total du réfractaire.
En pratique industrielle, la corrosion par les laitiers n’est jamais une simple dissolution des composants du réfractaire à l’interface réfractaire/laitier. Il y a toujours simultanément une infiltration plus ou moins profonde de la porosité ouverte des réfractaires, et finalement une érosion de leur couche superficielle sous l’action des forces de friction exercées par le bain brassé dans le four.
Une très bonne analogie est fournie par la dissolution des morceaux de sucre dans l’eau (figure 1). Les situations sont en effet similaires :
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les réfractaires sidérurgiques et les morceaux de sucre sont fabriqués par agglomération de matières premières, laissant de la porosité entre les grains (en général 10 à 15 % volumique) et donnant des interfaces de faible résistance entre ces grains ;
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l’eau mouille le sucre comme les laitiers mouillent les grains d’oxyde des réfractaires. Ceci conduit à l’infiltration capillaire du fluide dans la porosité du solide : il est littéralement aspiré entre les grains, comme on le voit dans un morceau de sucre immergé en surface de l’eau. La dissolution intervient donc en surface, mais aussi dans une couche infiltrée, ce qui détruit les liaisons du matériau et provoque sa désagrégation. Le transfert de matière se fait à la fois par la dissolution des composants réfractaires en surface et par entraînement de grains solides.
La microstructure d’un réfractaire corrodé par un laitier Al2O3-CaO...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - POIRIER (J.), QAFSSAOUI (F.), ILDEFONSE (J. P.), BOUCHETOU (M. L.) - Analysis and interpretation of refractory microstructures in studies of corrosion mechanisms by liquid oxides. - Journal of the European Ceramic Society, 28(8), p. 1557-1568 (2008).
-
(2) - POIRIER (J.), RIGAUD (M.) - Corrosion of Refractories: The Fundamantals. - FIRE Compendium Series, volume 2-A, GöllerVerlag (2017).
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(3) - LEE (W.E.), ZHANG (S.) - Melt Corrosion of Oxide and Oxide-carbon Refractories. - International Materials Reviews, 44(3), p. 77-104 (1999).
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(4) - ZHANG (S.), REZAIE (H.R.), SARPOOLAKY (H.), LEE (W.E.) - Alumina dissolution into silicate slag. - J. Am. Ceram. Soc., 83(4), p. 897-903 (2000).
-
(5) - LEVIN (M.E.), ROBBINS (R.C.), MCMURDIE (F.H.) - Phase diagrams for ceramists. - volume I, The American Ceramic Society (1964).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Thermo-Calc Software: Computational Materials Engineering http://www.thermocalc.com
FactSage Software and Databases http://www.factsage.com
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ISO ICS 81.080, Matériaux réfractaires y compris réfractaires à base de céramiques
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