Caractérisation des matériaux utilisés en isolation thermique dans la coulée continue de l’acier
KAMEL RAHMANI 1
HAZEM MERADI
1 , ASSIA HAMOUDA ADEL BALASKA1
1 Welding and NDT Research Center (CSC), Cheraga BP 64, Algeria BALASKAA@yahoo.fr
Résumé—L’utilisation de poudres de la coulée continue dans les aciéries a montré le manque d’information sur les propriétés de ces poudres, aussi la concurrence dans le marché d'acier exige le sidérurgiste pour être plus susceptible aux demandes de client en termes de propriétés, qualité et prix de produit. Dans ce travail, nous avons déterminé les différentes caractéristiques des poudres qui sont utilisées en isolation thermique au niveau des aciéries de l’usine ArcelorMittal-Elhadjar. Plusieurs techniques de caractérisation ont été utilisées pour expliquer la morphologie et la composition de cette poudre anisi que pour démontrer le pouvoir d’isolation. La diffraction des rayons X présent 57% de silice amorphe contenue la poudre de la poche et 45,5% de calcite contenue dans la poudre de lubrification en lingotière. L’étude de fusion de la poudre de poche de coulée montre que la fusion de poudre de poche et de lubrification commence à 1470°C et 1140°C respectivement.
Keywords—Caractérisation; isolation thermique; matériaux;
coulée continue, lurification
I. INTRODUCTION
Les coûts élevés, le manque de matières premières, les préoccupations environnementales et les exigences des clients sont les quatre points conducteurs plus importants de l’aciériste.
Le besoin de produire l'acier de haute qualité à un prix compétitif a abouti à la mise en œuvre de technologies de procédés state-of-the-art à atteindre ultra-haute pureté et ultra- propreté d'une nouvelle génération d'aciers
La demande grandissante d'une production d'aciers de plus en plus purs et de compositions très précises, nécessite de développer des réfractaires à haute performance [1].
Le développement ces matériaux nécessite une connaissance approfondie de leurs propriétés thermo- physiques. Lorsqu’ils sont utilisés comme isolant thermique, la propriété qui gouverne leur pouvoir d’isolation est la conductivité thermique. Cette propriété s’étend sur plusieurs ordres de grandeur, de quelques dixièmes de W.m-1.K-1 pour les polymères, à quelques centaines de W.m-1K-1 pour les métaux. La présence des pores dans les matériaux contribue à diminuer la conductivité thermique augmentant ainsi ses facultés d’isolation [2].
Les poudres de couverture et de lubrification sont de matériaux poreux. Elles sont utilisées comme des agents d’isolations et de fluidisation dans l’industrie sidérurgique.
Dans l’aciérie, l’une de ces poudres est utilisée comme poudre
de couverture de la poche et l’autre pour la lubrification en lingotière de la machine de la coulée continue.
Dans le procédé de la coulée continue qui nous intéresse plus particulièrement dans le cadre de ce travail ; les poudres d’isolation, dont l’acier en fusion contenu dans la poche est isolé par la première poudre pour transporter puis coulé dans une lingotière sans fond. Au contact de ses parois maintenues à une température basse par un système de refroidissement, l’acier commence à se solidifier formant une peau solide. La lingotière est animée d’un mouvement d’oscillation verticale de faible amplitude destiné à empêcher avec l’aide d’un lubrifiant (par deuxième poudre) le collage de la peau solidifiée contre les parois.
Ces poudres jouent un rôle très important pour la stabilité de traitement et sur la qualité du produit, dont elles sont versées sur le moule supérieur au-dessus de l'acier fondu et, en raison des températures élevées auxquels il est exposé (jusqu'à 1600°C), il est soumise à une série de différent changements de phase et à des plusieurs réactions chimiques au cours de la coulée de l’acier [3].
Pendant les premières parties de procédé de solidification dans le moule, la résistance globale au transfert thermique entre le moule l'acier liquide est principalement gouvernée par les propriétés de l'interface métal/moule qui est le film de lubrifiant [3].
Lors de la coulée continue des aciers, des défauts sont susceptibles de se former à la surface des produits coulés, l’amélioration de ce procédé en termes de fiabilité et de productivité implique un meilleur contrôle des défauts de surface qui peut être réalisé en effectuant une sélection adéquate des poudres d’isolation thermiques en fonction des conditions de coulée [4]. Donc, la poudre de lubrification doit répondre aux exigences de la production de l’acier.
Dans ce travail, pour but de déterminer le pouvoir d’isolation thermique des poudres, nous avons identifié quelques propriétés thermiques et physicochimiques des poudres. Ces propriétés peut nous donne un avis sur l’amélioration nécessaire pour la constitution d’une poudre de couverture à partir des matières premières.
II. MATERIELS ET MÉTHODES A. Materiaux
1) La poudre de couverture de poche: dans la poche, la poudre utilisée est une diatomite algérienne d’un gisement situé dans l’ouest de paye (Sig de Mascara).
Généralement, Les diatomites sont des matériaux chimiquement stables et inertes. Elles se composent généralement de silice amorphe contenant un peu des matériaux microcristallins [5]. En particulier, la diatomite algérienne contient aussi un taux élevé de carbonates de calcium qui peuvent excéder 10% et son pH est basique [5].
En raison de la structure ouverte des squelettes de diatomée, la diatomite est une roche légère mais tout à fait dure. La diatomite donc se possède une structure alvéolaire unique constituée de silice pure recouverte d'une couche de matière organique qui donne à la diatomite ses caractéristiques uniques, par exemple forte capacité d'adsorption, surface spécifique importante, stabilité chimique et faible densité apparente, ses caractéristiques offrent une grande application dans l'industrie dû surtout à la grande porosité ainsi que la grande résistance thermique de la diatomite [5].
En Algérie, les principaux dépôts de la diatomite appartiennent à la catégorie des dépôts du contexte continental.
Ces dépôts sont situés dans les bassins tertiaires de miocène du à l'ouest de l'Algérie, où on trouve des événements volcaniques sous forme de dômes et d'extrusions rhyolitiques. Il y a 7 gisements principales situés dans les wilayas d'ouest tels que : Mostaganem, Tlemcen et Mascara.
2) La poudre de lubrification en lingotière: la lubrification en lingotière est assurée à l’aide d’une poudre importé (par le commerciale DAMET). L’origine, les propriétés et l’efficacité d’isolation de cette poudre sont inconnues.
B. Méthodes de caractérisation
Nous avons utilisé plusieurs méthodes de caractérisation pour atteindre notre objectif. Pour faire l'analyse chimique on a utilisé l’analyse microstructurale par MEB (Philips XL30) équipé d'un spectromètre à dispersion d'énergie (EPCA) L'identification quantitatif et qualitatif des phases cristalline et amorphe a été réalisé, d’une part par analyse de diffraction des rayons X (diffractomètre Philips poudre employant rayonnement dans CuKa 2θ = 0-90 ° à une vitesse de goniomètre 2θ = 0,05 ° / min).
D'autre part plusieurs méthodes de caractérisation thermique ont été utilisées pour évaluer la capacité d'isolation des poudres, on a utilisé, un appareil de type Shimadzu-50 pour l’analyse thermique différentielle (ATG) simultanée avec thermogravimétrie d'analyse d'un échantillon de diatomite et un échantillon de la poudre DAMET.
Les essais de microscope de chauffe scène ont été effectuées sur avec une vitesse de chauffage constante de 50 ° C / min nous permettant de suivre la fusion de la poudre et la méthode du fil chaud a été utilisé pour mesurer la conductivité thermique à différentes températures.
III. RÉSULTATS ET DISCUSSIONS A. La microstructure
L’image du MEB présentée de fig. 1 explique bien l’état et la morphologie de la diatomite, dont les résultats obtenus avec différents agrandissements montrent que la structure du matériau est clairement très poreuse même au niveau des particules, dont la forme des particules est généralement cylindrique.
Fig. 1. Observation microstructurale d’échantillon de diatomite avec différents agrandissement
Par contre, la porosité de la poudre DAMET (fig. 2) est relativement inférieure à celle de diatomite, dont on remarque qu’il n’a pas une forme claire de et les particules elles même ne sont pas poreuses.
Fig. 2. Observation microstructurale d’échantillon de la poudre de lubrification B. Anlyse chimique et identification des phases par DRX
L’analyse chimique des poudres (Tableau I) montre que la diatomite contient plus de 80% de silice et 10%
seulement de chaux par contre la poudre de l’importation contient 35,8 et 42% de chaque éléments respectivement, dont le rapport Ca/SiO2 est l’ordre de 1.
Selon (H. Zhao et al, 2007) [6], en tant que poudre de lubrification, ce rapport doit être compris entre 1 et 1,9.
Les résultats d’analyse chimique montrent aussi la présence de plusieurs oxydes dans la poudre DAMET soit avec des teneurs élevées par rapport leurs présences dans la diatomite soit la diatomite est pauvre en ces éléments complètement, tel que Na2O, MgO, TiO2 et Al2O3.
TABLEAU I :COMPOSITION CHIMIQUE DES MATERIAUX
L’identification des résultats de DRX d’un échantillon de chaque poudre est réalisée à l’aide d’un logiciel – Autoquan qui est un logiciel facilement extensible par l'utilisateur, comprend une vaste base de données et peut identifier plus de 480 phases. La base de données contient des informations sur les paramètres atomiques, cristallinité, ….etc.
Les résultats des DRX pour chaque échantillon sont présentés dans fig. 3.
Fig. 3. Analyse des matériaux par diffraction des rayons X
Les phases obtenues sont classés dans le tableau II TABLEAU II :IDEENTIFICATION DES PHASES DE DRX
La teneur de l’oxyde Na2O dans la poudre de lubrification est élevée. Par conséquent permettant d’augmenter l’état cristallin dans notre poudre et diminuer donc la température de cristallisation [6].
La proportion de fluorite dans cette poudre est importante, ce dernier influence la viscosité de la poudre afin d’assurer la fluidisation optimale de la poudre au cours de la coulée de l’acier. Par contre l’effet de la fluorite sur la température de fusion de la poudre est négligeable.
La poudre de la poche est constituée principalement de silice amorphe, très peu de quartz, calcite,…. Sur le spectre des rayons X de la diatomite, les raies sont caractéristiques d’un matériau amorphe caractérisé par une épaisse ligne de base, des dômes ainsi que des pics montrent la présence de la phase cristalline.
C. Propriétés thermiques
1) Généralement les conductivités thermiques des matériaux d’isolation thermique sont très basses même dans des températures de travail trop élevées.
La méthode de mesure stationnaire a été utilisée pour la mesure de la conductivité thermique de la diatomite, où un flux de chaleur constant dans le spécimen doit être établi et des valeurs de conductivité thermique sont obtenues en appliquant la loi de Fourier, d’où la réponse de la température provoquée par une excitation définie thermique est évaluée pour expliquer les propriétés de transfert thermique à travers le matériau isolant.
On remarque que cet évolution représente une régression polynomiale pour la diatomite et linéaire pour la poudre de lubrification (fig. 4 et fig. 5).
Fig. 4. Evolution de la conductivité thermique de la poudre de la poche en fonction de la température de chauffage
Composition massique (%W)
Eléments SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3 Na2O TiO2 MgO K2O SO3
Diatomite DAMET
82,5 35,80
2,70 8.60
10,10 42.5
1,73 001,50
0,30 3,50
- 1,50
1,20 3,90
0,80 1,00
- 1,90
Poudre de poche Calcite=23%, quartz=9%, silice amorphe=57%, fluorite=0%, Tridimite=3%, Magnétite=0%, Natrite=0% et Ankérite=8 % Poudre
en lingotière
Calcite=45,5%, quartz=15,4%, silice amorphe=0%, Tridimite=0%, fluorite=19%, Magnétite=5,3%, Natrite=14,8% et Ankérite=0%,
Fig. 5. Evolution de la conductivité thermique de la poudre de lubrification en onction de la température de chauffage
2) Pour mieux comprendre le comportement thermique le changement de la température, l'interprétation des résultats de l'analyse thermique nous donne une bonne apparence des plusieurs. Fig. 6 et fig. 7 présenent les résultats de DSC / TGA qui n'étaient pas simple, parce qu'il n'y avait pas de corrélation simple entre le nombre de pics et de transitions de phase.
Fig. 6. Analyse thermique par DSC/ATG de la poudre de la poche
Fig. 7. Analyse thermique par DSC/ATG de la poudre de lubrifcation
Les résultats de l’analyse thermique montrent une déshydratation de la poudre de poche à 464°C, dont on constate une perte de masse de 6% . Par conséquent, nous il produit aussi à 760 ° C une transformation endothermique avec une perte de masse de 12,5% et une transformation exothermique à 897 ° C. D’autre part, l’analyse par DSC/TGA de l’echantillon de la deuxième poudre montre deux transformations, le premier exothermique à 601°C avec une perte de masse de 6% et la deuxième endothermique à 763°C avec une perte de masse de 7%.
3) La relation entre l’isolation au niveau de la poche de coulée, la température de peau et température de fusion des poudres est une importance capitale.
Le microscope de chauffe a été utilisé comme un outil relativement rapide et précis pour le contrôle des changements rapides de la température jusqu'à l'étape de la fusion des poudres, les résultats sont présentés dans la fig. 8.
Fig. 8. Etude de la fusion de des poudres
On a obtenu que les températures de fusion de la poudre de poche et de lubrification sont 1470 et 1140°C respectivement.
Poudre de poche Poudre de lubrification
IV. CONCLUSION
Dans cette étude, le but était la caractérisation des poudres d’isolation thermique utilisées dans la coulée continue de l’acier depuis le transport de l’acier liquide vers la coulée jusqu’à la sortie de la brame et la détermination du pouvoir d’isolation de chaque poudre.
La détermination de la morphologie et les propriétés physicochimique montre la poudre de poche de coulée contient plus de 80% de silice, dont 57% est une silice amorphe. Pour la poudre de lubrification en lingotière, nous avons un équilibre entre la chaux et la silice avec un rapport Si/Ca respectant le design, dont toute la silice est à l’état cristallin.
La structure poreuse de la poudre de la poche est une avantage pour donne une très faible conductivité de la poudre (de l’ordre de0.378 Wm-1K-1 à 1130°C), celle-ci pour assurer la bonne isolation thermique de l’acier.
Les différentes phases obtenues par DSC/TGA nous permettre d’identifier les différents changements dans les poudres au cours de la coulée continue.
REFERENCES
[1] J-M. Auvray, "Elaboration et caractérisation à haute température de bétons réfractaires à base d’alumine spinelle", Thèse, Thèse, université de Limoges, Doc N°1, 2003, pp. 1-3.
[2] B. Naitali, "Elaboration, caractérisation et modélisation de matériaux poreux. Influence de la structure poreuse sur la conductivité thermique effective", Thèse, université de Limoges. Doc N°61, 2005, p 5.
[3] R.W. Soares, M.V.A Fonseca, R Neuman, V.J Menezes, A.O Lavinas, J Dweck, "An application of differential thermal analysis to determine the change in thermal properties of mold powders used in continuous casting of steel slab". Thermochimica Acta , Vol 318, 1998, pp. 131- 136.
[4] E. Divry, "Contribution à l’étude de la cristallisation des poudres de coulée pour la coulée continue des aciers", Ph.D, Ecole polytechnique université Montréal, 2003, p 1.
[5] H. Hadjar , B. Hamdi, M. Jaber, J. Brendle, Z. Kessaïssia, H. Balard, J.B. Donnet, "Elaboration and characterisation of new mesoporous materials from diatomite and charcoal", Microporous and Mesoporous Materials, Vol N° 107, 2008, pp. 219-226, 2008.
[6] H. Zhao X. Wang, J. Zhang. "Research on mold flux for hypo-peritectic steel at high casting speed", J. Univ. Sci. TechnoL Beging, Vol 14 (4), 2007, pp. 219-224.
