alcaline présentent une stabilité volumique beaucoup plus élevée que les réfractaires usuels à haute teneur en alumine.
La Figure I.4-6 présente les résultats d’un essai de corrosion en creuset d’un réfractaire à base d’hexa-aluminate de chaux et d’andalousite en présence de carbonate de potassium maintenu pendant 5 heures à 1100°C. Le creuset était de dimension 70×70×70 mm3 troué au centre (Ø 50 mm, profondeur 45 mm). Il était initialement précuit à 1000°C.
Figure I.4-6 Essais de corrosion en creuset rempli de carbonate de chaux K2CO3- (a) Bonite, (b) Andalousite
Des calculs thermochimiques ont montré que dans des conditions fortement alcalines et à température élevée, l'hibonite peut former de l’alumine béta (ß-Al2O3). Des tests de corrosion complémentaires effectués avec K2CO3 à 1250°C sur des matières premières d’hexa-aluminate de chaux microporeux (SLA 92-Almatis) ont confirmés ces calculs. L’hibonite se décompose et l’alumine bêta et le dialuminate de calcium se forment. On constate une faible densité de fissures. Cela s'explique par le fait que dans les réfractaires à l'hexa-aluminate de chaux, la formation de K2O.11Al2O3 et Na2O.11Al2O3 ne conduisent pas à une nouvelle structure cristalline, l’hexa-aluminate de chaux appartenant à la même famille de structures cristallines. [KOCKEGEY-LORENZ, 2005; VAN GARSEL, 1998]
I.4.4.3 Résistance aux métaux
Les réfractaires utilisés habituellement dans l'industrie de l'aluminium sont des matériaux aluminosilicates à haute teneur en alumine à base d'agrégats de chamotte d’argile, d’andalousite ou de bauxite.
Ils subissent des sollicitations variées :
Un niveau de température élevé. Par exemple, dans les fours de fusion, utilisés pour refusion des alliages d'aluminium, les matériaux réfractaires doivent résister à des températures pouvant atteindre facilement 1100°C ;
Des réactions de corrosion. Des fluidifiants (des sels alcalins, tels que des chlorures et des fluorures de sodium et de potassium), peuvent également être ajoutés au cours des traitements métallurgiques pour favoriser la fusion et l’élimination des oxydes solidifiés par l'oxydation de l'aluminium au contact de l'atmosphère. Le revêtement réfractaire doit résister aux attaques chimiques accrues de ces composants ;
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Le phénomène de « corindonnage » rencontré avec l’aluminium et ses alliages. La formation de corindon adhérent à l’interface aluminium liquide/réfractaire par oxydation de l’aluminium est le principal contributeur aux dommages réfractaires. Cette formation de corindon est un problème majeur dans les fours d’aluminium. Les avantages de réfractaires à base d’hexa-aluminate de chaux ont été décrits dans la littérature scientifique et technique.
L’article de A. Buhr et al. "A new material alternative for refractory innovations," compare les propriétés d’emploi des réfractaires classiques à haute teneur en alumine et celles des réfractaires à base d’hexa-aluminate de chaux [BUHR, 2004].
au contact de l'aluminium, l'hexa-aluminate de chaux présente une stabilité thermochimique (déterminée en comparant les enthalpies libres de formation) plus élevée que celle de la mullite ou la silice [CRIADO, 1991].
Des essais de laboratoire effectués au « Corus Research Center d'Ijmuiden » ont montré que au contact de l’aluminium à des températures élevées pouvant atteindre 1400°C, l'hexa-aluminate de chaux présente une résistance en service comparable à celle d’un réfractaire de bauxite dopé au sulfate de barium (qui a des propriétés antimouillantes).
Dans le cadre d'un projet de recherche [XINGBO LIU, 2009] soutenu par le département de l'énergie des États-Unis, l'hexa-aluminate de chaux a été testé en comparaison avec d'autres matières premières comme nouveau matériau réfractaire pour les fours à aluminium. Il a été conclu que l'hexa-aluminate de chaux (Bonite) est supérieure aux matières premières traditionnelles du type bauxite. Aucune infiltration de métal n'a été observée. Cette étude a mis en évidence un autre avantage de l'hexa-aluminate de chaux. En comparaison avec les matériaux réfractaires traditionnels, la faible conductivité thermique de l'hexa-aluminate de chaux augmente l'efficacité énergétique d'un four pour une même épaisseur de revêtement.
I.4.4.4 Résistance aux oxydes liquides
Face aux oxydes liquides, l'hexa-aluminate de chaux a montré aussi des avantages notamment dans le domaine de la métallurgie [BÜCHEL, 2005; BUHR, 2004; SCHNABEL, 2011]. En effet, cette matière première présente une faible solubilité dans l'acier en fusion en limitant la corrosion du revêtement réfractaire. De plus, l'hexa-aluminate de chaux offre un effet anti-mouillage pour l'aluminium fondu, analogue au sulfate de baryum, mais avec une stabilité thermique supérieure.[ÉNTIN, 2006]
Schnabel et al. [SCHNABEL, 2015] ont testé la résistance face au laitier, d’un béton de bonite à basse teneur en ciment (LC) et ils l’ont comparé avec des réfractaires (briques) de bauxite, d'andalousite et de forstérite.
L'essai a été effectué dans un four à induction au DIFK/Bonn. Les échantillons de briques ont été coupés, tandis que le béton de bonite-LC a été moulée avec 6,5% d'eau, séché à 110°C/ pendant 24h et précuit à 1000°C pendant 5h avant d'être installé. Les échantillons étaient soumis simultanément à 15 kg d'acier ST52 sous une atmosphère oxydante (air). Après avoir atteint la température d'essai de 1600°C, 750 g d'un laitier synthétique d'aluminate de calcium a été ajouté. La composition du laitier est présentée dans Tableau I.4-3.
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Tableau I.4-3 Composition du laitier
Composants CaO Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3 MnO
[%m] 41.5 38.5 5 5 6 4
La Figure I.4-7 montre le résultat de l'essai de corrosion sur les échantillons.
Figure I.4-7 Echantillons après corrosion ; Rapport CaO/Al2O3=1
(Four à induction, 1600°C / 2h) [SCHNABEL, 2015]
L’andalousite a été attaqué. Le taux d'usure de la brique en andalousite dans l'essai au laitier est de 12 mm/h alors que dans le cas de la brique en bauxite, il est de 4,6 mm/h.
Cependant, la brique de bauxite est profondément infiltrée par les laitiers, ce qui a entraîné la formation de fissures parallèles à la surface attaquée. Le béton à base de bonite-LC s'est mieux comporté avec peu d'infiltration de laitier, pas de fissuration. Le taux d'usure est le plus faible : 3,2 mm/h.
I.4.5 Quelques applications industrielles de l’hexa-aluminate de chaux
Actuellement, l’utilisation de l’hexa-aluminate de chaux comme matière première réfractaire est limitée à quelques applications industrielles : la sidérurgie, l’industrie pétrochimie, la verrerie. Cela s’explique essentiellement par :
Le cout élevé de ces matières premières ;
Les difficultés d’élaboration ;
Un nombre très limité de fabriquant (Almatis). I.4.5.1
L'industrie sidérurgique est l’une des principales consommatrices de réfractaires. Elle est aussi le moteur des principales innovations dans le domaine des réfractaires.
Depuis plusieurs années, le remplacement des fibres céramiques réfractaires (FCR), classées comme cancérigènes probables est un sujet d’importance concernant les installations de
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