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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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Lire l’articleAuteur(s)
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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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2. Évolution des laitiers et des situations de corrosion des réfractaires au cours du process sidérurgique
Les différents types de réfractaires changent au cours de l’élaboration de l’acier, en fonction de la composition typique des laitiers et des niveaux de température dans les fours et outils successifs, du haut-fourneau à la coulée continue.
Nous allons passer en revue les situations dans les principales étapes du processus et voir comment sont attaquées les grandes familles de réfractaires : alumine, magnésie, une composition d’un réfractaire alumineux à base d’andalousite (60 % Al2O3, 40 % SiO2) et une composition de dolomie (55 % CaO, 45 % MgO). Les lecteurs qui souhaitent approfondir leur connaissance sur les grandes familles de réfractaires utilisés en sidérurgie se réfèreront à [N 4 850].
Nous allons en particulier comparer le niveau d’attaque des réfractaires en examinant :
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leur solubilité dans ces différents laitiers ;
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la viscosité de ces laitiers dans les fours et lors de leur infiltration dans ces différents réfractaires jusqu’à leur saturation.
les nouvelles technologies de production d’acier par réduction directe à l’hydrogène ne sont pas évoquées dans cet article, compte tenu du manque de recul sur ces procédés.
Une telle revue n’est à notre connaissance pas disponible dans la littérature, et nous avons choisi de tirer parti à la fois des diagrammes de phases expérimentaux et des calculs thermochimiques pour les systèmes chimiques complexes en utilisant les logiciels spécialisés. Le niveau de précision pour les valeurs de ces propriétés est approximatif, mais cela permet de montrer les grandes différences, par exemple entre l’attaque d’un réfractaire de magnésie et celle d’un réfractaire d’alumine, au contact d’un laitier de convertisseur.
Pour chaque étape d’élaboration (domaine de la fonte, convertisseurs, poches à acier de différents types), nous présentons les diagrammes les...
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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).
-
(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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