Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les céramiques réfractaires sont des matériaux qui résistent aux hautes températures. Elles sont essentiellement utilisées dans les «industries du feu». L'importance économique et stratégique de ces céramiques est considérable et l'amélioration de leurs performances constitue un défi majeur pour ces industries : le coût direct de la consommation des réfractaires est très élevé, ces matériaux ont un rôle capital pour garantir la fiabilité des unités de fabrication et la sécurité du personnel. Le choix des céramiques réfractaires doit être réalisé en fonction de l'environnement agressif qu'elles subissent : les hautes températures, la corrosion chimique et les dégradations thermomécaniques. Dans cet article sont présentées la définition et la conception des céramiques réfractaires, ainsi que les propriétés d'usage et les facteurs d'usure.
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Refractory ceramics are materials which resist high temperatures. They are basically used in the ?firing industries?. These materials are of considerable economic and strategic importance and striving for better performances is a major challenge to these industries: ? the direct consumption cost of these refractory materials is very high ? these materials play an important role in ensuring the reliability of fabrication units and the security of personnel. The choice of the refractory ceramics depends on the industrial environment: the temperature, the corrosion and the thermo mechanical solicitations. In this article the definition and design of refractory ceramics, use properties and wear factors will be presented.
Auteur(s)
-
Jacques POIRIER : Professeur en sciences des matériaux à l'École polytechnique de l'université d'Orléans - Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation, CEMHTI CNRS, Orléans, France
INTRODUCTION
Les céramiques réfractaires sont des céramiques structurelles qui résistent aux hautes températures. Elles constituent un sous-ensemble des matériaux réfractaires.
Les réfractaires sont utilisés dans les « industries du feu », notamment dans tous les revêtements intérieurs des fours industriels. Ils sont présents au cœur chaud de la majorité des processus de transformation de la matière, de production de l'énergie ou de confinement de la chaleur impliquant des températures allant de 600 oC à plus de 2 000 oC.
Sans ces matériaux de grande diffusion, notre vie quotidienne serait sans aucun doute beaucoup moins agréable. En effet, nous ne disposerions pas d'acier, de fonte, d'alliages métalliques, de verre, de céramiques, de ciment ou de cracking de pétrole... à un prix raisonnable.
Il existe plusieurs grandes familles de réfractaires :
-
les réfractaires électrofondus. La fusion des matières premières permet de produire, après solidification, des blocs ou pièces réfractaires électrofondus ;
-
les réfractaires obtenus par agglomération de particules. Dans ce cas, la cohésion des particules s'obtient par frittage ou par réaction chimique. On distingue :
• les céramiques réfractaires, frittées par cuisson à haute température avant une éventuelle étape de finition,
• les réfractaires de carbone ou les composites oxydes-carbone à liants carbonés. La cohésion se fait par polymérisation des résines ou par polycondensation et réticulation dans le cas des brais et des goudrons,
• les réfractaires à liaison chimique minérale. Les liaisons minérales agissent à froid par formation de gels, puis à moyenne température par réaction chimique avec les particules fines du produit,
• les réfractaires à liaison hydraulique. La liaison assurée par l'hydratation d'un ciment réfractaire alumineux est mise en œuvre dans les bétons réfractaires.
Cet article traite uniquement des céramiques réfractaires. Les autres matériaux réfractaires ne seront pas abordés.
Les performances des céramiques réfractaires doivent beaucoup au savoir-faire du passé, notamment aux métiers des arts céramiques (en particulier la faïence et la porcelaine), puis aux industries du bâtiment (briques de construction, terre cuite, sanitaire...) et à la sidérurgie qui repousse les limites d'usage des céramiques réfractaires au-delà des 1 500 oC. En 1897, le four à arc atteint 2 000 oC. Au XXIe siècle, l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) mettra simultanément en œuvre plusieurs techniques de chauffage pour porter le plasma à 150 millions de degrés Celsius dans le cœur de la machine.
En dehors du niveau de température élevée et donc de l'infusibilité de ces matériaux qui est le caractère principal de tous les réfractaires, les céramiques réfractaires doivent posséder un nombre important de propriétés complémentaires pour résister aux sollicitations qu'elles subissent en utilisation. Dans la mesure où leur comportement est principalement gouverné par des phénomènes de corrosion, la composition chimique, la minéralogie, la microstructure et la porosité sont des caractéristiques essentielles. La connaissance des propriétés thermomécaniques des matériaux et des sollicitations des revêtements (choc thermique, érosion, blocage de dilatation...) sont également à considérer.
Toutes les céramiques réfractaires ont une caractéristique commune : leurs propriétés d'emploi sont fréquemment dépendantes de leur organisation à l'échelle de la microstructure allant typiquement du micromètre au millimètre. Ce domaine intermédiaire entre le microscopique et le macroscopique est le paramètre clé pour comprendre la plupart des propriétés et des mécanismes de dégradation de ces céramiques.
Après une présentation synthétique des céramiques réfractaires, les liens entre leurs propriétés d'usage et les dégradations en service notamment thermochimiques et thermomécaniques seront décrits et illustrés par quelques exemples d'utilisation. La conception et la mise en œuvre des céramiques réfractaires seront également abordées.
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MOTS-CLÉS
état de l'art corrosion Hautes températures Sollicitations thermomécaniques énergie réacteurs industriels céramique Elaboration des matériaux à hautes températures
KEYWORDS
state of the art | corrosion | High temperature | Thermo mechanical stresses | energy | industrial reactors | ceramic | High temperature manufacturing materials
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Conception et mise en œuvre des garnissages réfractaires
En anglais
5. Facteurs d'usure et dégradations des céramiques réfractaires
Le premier facteur d'usure à considérer est la température d'emploi de la céramique réfractaire lors de son utilisation. Cependant, une céramique réfractaire ne résistera pas uniquement aux températures élevées, mais également à bien d'autres sollicitations qui conditionnent sa tenue en service :
-
l'attaque chimique par les oxydes liquides, les sels fondus, les métaux en fusion, les gaz. Les oxydes liquides sont particulièrement corrosifs. À titre d'exemple, citons les verres élaborés en four de verrerie ou des laitiers sidérurgiques qui surnagent en surface des bains de fonte et d'aciers fondus. L'oxygène de l'air est particulièrement agressif vis-à-vis des réfractaires non oxydes tels que le carbure de silicium. Certaines vapeurs métalliques sont également agressives vis-à-vis des céramiques réfractaires. Il s'agit, par exemple, des vapeurs de sodium ou de potassium ;
-
l'abrasion qui se manifeste sous deux aspects : le frottement de matériaux solides durs contre les réfractaires ou le passage de gaz à grande vitesse sur la paroi réfractaire. Cette sollicitation conduit à un arrachement des grains en surface du réfractaire ;
-
les dégradations thermomécaniques, en particulier les ruptures et le fluage. D'une importance particulière, les chocs thermiques provoquent des ruptures en relation avec les gradients thermiques générés dans les garnissages.
La corrosion et les dégradations thermomécaniques peuvent être accélérées ou retardées en fonction de nombreux paramètres concernant le matériau, la maçonnerie et les conditions d'utilisation.
La figure 10 présente les différents paramètres influençant l'usure des céramiques réfractaires.
En pratique, il est très rare de rencontrer des exemples d'utilisation où le garnissage réfractaire ne subit qu'un seul type de contraintes. Dans la plupart des cas, les dégradations thermochimiques et thermomécaniques sont associées. Par exemple, la corrosion...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - ALIPRANDI (G.) - Matériaux réfractaires et céramiques techniques. - Septima (1979).
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(2) - JOUENNE (C.A.) - Traité de céramiques et matériaux minéraux. - Septima (2001).
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(3) - CARNIGLIA (S.C.), BARNA (G.L.) - Handbook of industrial refractories technology : principles, types, properties and applications. - NOYES Publications (1992).
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(4) - REFRACTORIES HANDBOOK - The technical association of refractories. - TARJ Japon (1998).
-
(5) - TURREL (C.) - Généralités sur les produits et matières premières réfractaires. - Session Réfractaires, Centre d'Études Supérieures de la Sidérurgie Française, 152 (1994).
-
(6) - POIRIER (J.), PRIGENT (P.), BOUCHETOU (M.L.) - The effect of fine and ultra-fine particles on the...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Film scientifique : Sucre et Caramel, Nouvelles énergies et Hautes Températures
Documentaire vidéo édité par le CEMHTI/CNRS, réalisé par Ph. Claire, parution en mars 2013
HAUT DE PAGE
Unified International technical Conference on Refractories (Unitecr′)
Conference of the European Ceramic Society
International Colloquium on Refractories, Aachen, Allemagne
HAUT DE PAGE
ISO 528 - 1983 - Produits réfractaires – Détermination de la résistance pyroscopique - -
ISO 836 - 2001 - Terminologie des matériaux réfractaires - -
ISO 2478 - 1987 - Produits réfractaires façonnés denses – Détermination de la variation permanente de dimensions sous l'action de la chaleur - -
ISO 3187 - 1989 - Produits réfractaires – Détermination du fluage à la compression - -
ISO 5013 - 1985 - Produits réfractaires – Détermination du module de rupture par flexion à températures élevées - -
ISO 5014 - 1997 - Produits réfractaires façonnés denses et isolants – Détermination du module de rupture par flexion à température ambiante - -
ISO 5017 - 2013 - Produits réfractaires...
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