Du process sidérurgique aux céramiques réfractaires adaptées - Principes et échanges chimiques

Les réfractaires sont des céramiques souvent polyphasées, majoritairement à base de mélange d’oxydes à haute température de fusion :

• les réfractaires ne sont pas des métaux ni des alliages métalliques ;

• ils doivent résister à 1 500 °C minimum sans ramollir et sans s’affaisser sous leur propre poids selon la norme (ISO/R 836) du test de résistance pyroscopique.

La sidérurgie est le plus gros consommateur de céramiques réfractaires, avec une part de marché supérieure à 60 % pondéral. Ceci s’explique par l’importance de la production mondiale d’acier et par la consommation spécifique très élevée de réfractaires.

L’élaboration de l’acier à partir des minerais de fer est une longue route où se succèdent de nombreux outils et des procédés très différents depuis l’amont de l’usine où la fonte est fabriquée dans le haut fourneau jusqu’à la coulée continue où l’acier liquide est solidifié.

Le premier objectif de cet article est d’introduire les procédés d’élaboration de l’acier.

On ne peut pas traiter des réfractaires sans connaître les procédés et le fonctionnement des différents fours, qui imposent les conditions et donc le choix des réfractaires. Les réfractaires de sidérurgie ont des performances qui dépendent des conditions d’utilisation en relation avec la fabrication du métal liquide. Les incidents et les contre-performances qui handicapent certaines usines trouvent très souvent leur origine dans des productions instables et des procédés de fabrication mal réglés. Il est donc essentiel que les responsables des réfractaires en usine et les concepteurs de produits connaissent les procédés et le détail des opérations de fabrication. Ils peuvent ainsi participer aux actions d’optimisation et de réglage des procédés en défendant les orientations qui favorisent la fiabilité et la minimisation des coûts des réfractaires.

Le second objectif est de décrire les grandes familles de réfractaires utilisées dans les outils sidérurgiques.

Le parti pris de cet article est de faire un survol de ce vaste domaine afin de saisir son originalité et d’acquérir une culture scientifique et technologique sur la sidérurgie et les réfractaires. Il est destiné aux techniciens et ingénieurs qui débutent dans le domaine mais aussi aux experts. Il n’est donc pas question ici d’acquérir une connaissance opérationnelle sur la fabrication de l’acier ou sur la conception des revêtements réfractaires des fours sidérurgiques, mais plutôt de saisir les notions physico-chimiques et les mécanismes critiques pour les réfractaires au cours de la fabrication de l’acier. Le domaine étant complexe, on se focalisera sur l’essentiel en termes de connaissances de base et de connaissances du contexte d’utilisation des réfractaires. Cet article cherche donc, sans a priori, à justifier les grandes idées du métier et de désamorcer certaines idées intuitives qui ne sont pas toujours justes.

Prenons quelques exemples. On peut imaginer que l’acier liquide à plus de 1 600 °C doit attaquer activement les réfractaires, et pourtant, ce n’est pas le cas ! Les laitiers qui sont formés d’oxydes liquides sont beaucoup plus agressifs : cet article s’attache à expliquer pourquoi et dans quels contextes. Le haut fourneau est traversé par des débits énormes de gaz (CO-CO₂-N₂) de l’ordre de 1 500 Nm³ par tonne de fonte : on ne peut qu’imaginer un impact extrême et pourtant les revêtements réfractaires y tiennent 15 ans. De fait, les gaz y ont un rôle prépondérant mais les autres sollicitations (température, cyclage thermique, contact avec les laitiers liquides) sont peu intenses.

Un second parti pris est celui de revenir aux notions de base et de les illustrer le mieux possible par des exemples industriels. On parcourt donc des notions essentielles de la physico-chimie des métaux et des oxydes : à la fois les réactions de réduction-oxydation (redox) et les réactions de dissolution. Les réactions redox sont au cœur des procédés métallurgiques. Les équilibres entre éléments métalliques, oxydes et gaz qui interviennent dans les procédés sidérurgiques seront présentées ainsi que les réactions de dissolution, très actives pour les réfractaires.