Microsilice pour bétons de rigole de haut-fourneau : choix par zone

I. La logique de conception des matériaux ne peut pas être identique pour toutes les parties du canal de coulée

Le système de rigole de haut-fourneau d’un haut fourneau comprend généralement la zone de réception de la buse de coulée, la zone d’impact de la goulotte principale, les sections centrale et arrière de la goulotte principale, le séparateur de scories. les goulottes secondaires, la goulotte à scories ainsi que la buse oscillante ou la goulotte basculante. Bien que ces zones soient toutes exposées à un environnement de fonte ou de scories à haute température, les caractéristiques du fluide en contact, la vitesse d’écoulement, le degré de turbulence, les fluctuations de température et les méthodes d’entretien diffèrent d’une zone à l’autre.

Des études générales indiquent que la détérioration du revêtement réfractaire du canal de coulée n’est pas due à une simple érosion mécanique, mais résulte de l’action conjointe du cisaillement du fluide, des contraintes thermiques, de l’oxydation. de l’érosion par le laitier en fusion et du transfert de matière. À proximité de la ligne métallique du canal principal, les phénomènes dominants sont généralement l’oxydation et les réactions à l’interface fer en fusion-scories, tandis que la ligne de scories est davantage soumise à la dissolution, à la pénétration et au transfert de masse du laitier en fusion.

Par conséquent, le rôle de la microsilice dans les réfractaires de coulée des canaux de coulée ne peut pas être simplement résumé à une « augmentation de la résistance ». Elle permet non seulement d’optimiser la granulométrie et de réduire la porosité de la matrice. mais aussi de modifier la phase liquide à haute température, la formation de mullite, la résistance à l’oxydation et la résistance aux scories. Selon les zones concernées, il est nécessaire de trouver un équilibre différent entre densification, stabilité aux chocs thermiques, résistance à l’oxydation et contrôle de la phase liquide à haute température.

II. Rôle principal de la microsilice dans les réfractaires pour canaux de coulée à base d’Al₂O₃–SiC–C

1. Optimisation de la granulométrie de la matrice et des performances de mise en œuvre

La microsilice, constituée de particules de taille submicronique, permet de combler les interstices entre les fines de corindon, l’alumine active et les particules de ciment. Dans un système de dispersion bien équilibré, elle contribue à augmenter la densité apparente de la matrice et à réduire la quantité d’eau d’ajout nécessaire à la mise en œuvre, tout en préservant la fluidité du mélange.

Une étude industrielle sur les matériaux destinés aux canaux de coulée de fer a permis, grâce à l’optimisation de la distribution granulométrique et du système de dispersion, de réduire la teneur en eau du revêtement de 5,2 % à 4,4 %, tout en conservant pratiquement inchangée la valeur de fluidité. Cette faible teneur en eau confère au matériau une porosité apparente plus faible et une structure plus dense. ce qui a permis d’allonger les intervalles d’entretien lors d’essais sur des canaux de coulée industriels principaux. Cette étude démontre que la valeur d’un système à poudre fine ne dépend pas uniquement de la pureté chimique, mais également de la granulométrie, des agents dispersants et de la conception globale de la matrice.

2. Participation à la liaison à haute température et à la protection contre l’oxydation

Les recherches indiquent qu’une quantité appropriée de microsilice dans un réfractaire coulé à base d’Al₂O₃–SiC–SiO₂–C permet de former une phase liquide riche en SiO₂ et de viscosité élevée, qui réagit ensuite avec l’Al₂O₃ pour former de la mullite. Cette phase liquide riche en silicium est capable d’obstruer une partie des canaux, ralentissant ainsi la diffusion de l’oxygène vers l’intérieur du matériau. le changement de volume associé à la formation de la mullite peut également compenser dans une certaine mesure le retrait de frittage, améliorant ainsi la résistance à l’oxydation.

Cela ne signifie toutefois pas qu’il faille utiliser autant de microsilice que possible. Une quantité excessive de microsilice ou une mauvaise dispersion de celle-ci peut entraîner une augmentation de la quantité d’eau ajoutée, la formation d’une phase liquide à bas point de fusion en excès, ou un frittage excessif du matériau à des températures moyennes à élevées, ce qui affecte alors la stabilité aux chocs thermiques.

3. Le choix de la microsilice ne doit pas se fonder uniquement sur la pureté en SiO₂

Une étude sur les réfractaires de coulée pour canaux de coulée, publiée en 2023, a comparé trois types de microsilice présentant des teneurs nominales en SiO₂ de 93 %, 96 % et 99 %. Les résultats ont montré que, parmi les échantillons testés, celui contenant 99 % de microsilice présentait la plus forte teneur en eau, la densité volumique la plus faible, la porosité apparente la plus élevée et la plus mauvaise résistance à l’oxydation. l’échantillon de microsilice à 93 % présentait la résistance à la flexion à haute température la plus faible . l’échantillon de microsilice à 96 % offrait la meilleure résistance aux scories et les meilleures performances globales.

Il convient de souligner que ces résultats ne peuvent être interprétés comme signifiant que « toutes les microsilices à 99 % sont inadaptées aux réfractaires pour canaux de coulée ». Non seulement la composition chimique de ces trois produits diffère, mais leur distribution granulométrique et leur teneur en impuretés varient également. La conclusion réellement étayée par cet article est la suivante : pour les réfractaires destinés aux canaux de coulée, l’évaluation de la microsilice doit porter de manière globale sur la distribution granulométrique, la dispersibilité, la quantité d’eau ajoutée, la composition des impuretés et le comportement réactif à haute température, et ne doit pas se limiter à une simple comparaison des teneurs en SiO₂.

III. Conditions de fonctionnement des différentes zones et priorités d’application de la microsilice

1. Zone de réception de la buse de coulée et zone d’impact du canal principal

La partie avant de la goulotte principale subit directement l’impact du jet de fonte en provenance de la buse de coulée. il s’agit de l’une des zones soumises aux conditions d’exploitation les plus sévères de l’ensemble du système de rigole de haut-fourneau. Les analyses post-exploitation industrielles désignent généralement la zone située à environ 3 à 6 mètres de la buse de coulée comme la « zone de turbulence » ou la « zone critique ». Cette zone est simultanément soumise à l’impact de la fonte à haute température et des scories, à une forte turbulence, à l’entraînement de gaz, à des chocs thermiques périodiques ainsi qu’à une érosion répétée causée par le reflux de la fonte.

Les études CFD montrent que les efforts de cisaillement subis par le fond de la goulotte principale sont généralement supérieurs à ceux des parois latérales, et que les contraintes de cisaillement et les contraintes thermiques à proximité du point de chute de la fonte sont nettement plus élevées que dans les autres zones. sur un modèle de goulotte principale, la contrainte thermique maximale apparaît à environ 4 mètres de l’extrémité avant de la goulotte, ce qui correspond globalement à la zone présentant la durée de vie la plus courte sur site.

L’utilisation de microsilice à cet endroit vise principalement à :

• réduire la quantité d’eau ajoutée lors de la construction, améliorer la densité de la matrice et sa résistance à la pénétration du fer en fusion ;
• améliorer l’intégrité de la liaison entre les granulats et la matrice, et réduire l’écaillage des particules sous l’effet des chocs ;
• ralentir l’oxydation du carbone et du SiC grâce à la formation appropriée de phases riches en silicium et de mullite ;
• améliorer la fluidité du coulage afin de garantir l’intégrité de la construction au fond du canal, dans les angles et sur les parois latérales.

Cependant, dans la zone d’impact, il ne faut pas viser à tout prix une porosité extrêmement faible et une résistance à la frittage élevée. Une matrice trop dense ou contenant un excès de phase liquide peut accroître le risque de drainage lors du séchage et générer des contraintes thermiques élevées lors des cycles thermiques répétés. Par conséquent. dans cette zone, il est plus important de concilier résistance à l’érosion, résistance à l’oxydation, stabilité aux chocs thermiques et sécurité lors du séchage, plutôt que de se contenter d’augmenter la quantité de microsilice ajoutée.

2. Parties centrale et arrière de la goulotte principale : la ligne de métal et la ligne de scories doivent être considérées séparément

L’intensité de la turbulence dans les parties centrale et arrière du canal principal est généralement inférieure à celle de la zone d’impact, mais le temps de contact entre le fer en fusion, les scories et le revêtement réfractaire y est plus long. Il convient ici de distinguer davantage le fil métallique, le fil de scories et le fond du canal.

Zone de la ligne de métal

Le fil métallique se situe à proximité de l’interface entre le fer en fusion, les scories et le revêtement réfractaire. il est donc sujet à la fois à l’oxydation du carbone, à l’oxydation du SiC, à l’érosion par le FeO et à la pénétration en phase liquide. Des analyses rétrospectives industrielles ont révélé que la ligne métallique peut former une phase d’olivine ferrique à bas point de fusion contenant du FeO et du SiO₂ . lorsque les scories contiennent une proportion importante de composants alcalins tels que le K₂O, leur viscosité et leur température de ramollissement peuvent diminuer, ce qui favorise davantage la pénétration et le transfert de masse, et accélère l’usure du SiC.

Le rôle positif de la microsilice dans les fils métalliques consiste principalement à densifier la matrice, à bloquer les voies de pénétration de l’oxygène et du bain de fusion, et à favoriser la formation d’une certaine liaison protectrice à base de silicates ou de mullite. Cependant. si la teneur totale en SiO₂ du système est trop élevée et qu’il y a simultanément une quantité importante de FeO ou d’oxydes de métaux alcalins, cela peut également augmenter le risque de formation de phases silicatées à bas point de fusion.

Par conséquent, pour les fils métalliques, il est nécessaire de contrôler simultanément :

• la teneur totale en SiO₂ apportée par la poudre de silice fine et les autres matières premières ;
• les réactions induites par l’intrusion de FeO, de MnO et d’oxydes de métaux alcalins ;
• le système anti-oxydant du SiC et du carbone ;
• la structure poreuse de la matrice et la viscosité de la phase liquide à haute température.

Zone de la ligne de scories

La zone de la ligne de scories est principalement soumise à l’érosion par des scories de haut fourneau contenant du CaO, du MgO, de l’Al₂O₃, du SiO₂ ainsi que de faibles quantités de FeO et d’oxydes de métaux alcalins. Des études menées après utilisation industrielle ont montré que les scories peuvent réagir avec l’Al₂O₃ et le SiO₂ présents dans le revêtement réfractaire. formant des phases telles que le feldspath calcique et l’orthoclase calcique. Certains produits de réaction ont un point de fusion relativement bas, ce qui affaiblit facilement la matrice et favorise le détachement des agrégats.

Au niveau de la ligne de scories, la microsilice permet, d’une part, de réduire la pénétration des scories en diminuant la porosité. d’autre part, elle constitue l’une des sources de SiO₂ dans le système de réaction scories-réfractaire. Par conséquent, l’utilisation de la microsilice au niveau de la ligne de scories doit trouver un équilibre entre les « avantages de la densification physique » et les « risques liés aux réactions chimiques à haute température ».

Pour les scories à forte teneur en FeO, à forte teneur en alcalis ou présentant des variations importantes, l’adéquation de la microsilice ne peut être évaluée uniquement sur la base de sa résistance à température ambiante. il convient de réaliser des essais statiques en creuset, des essais d’érosion par rotation ou des essais d’érosion dynamique avec la scorie réelle.

3. Écumeur et zones de transition avant et après

Le séparateur de scories a pour fonction de laisser passer le fer en fusion, plus dense, par le bas, tout en acheminant les scories vers le canal de scories. En amont de celui-ci, on observe facilement une accumulation de liquide, un reflux et des turbulences, tandis qu’en aval, on constate une accélération du fer en fusion, un changement de direction du flux et une érosion locale.

Des études sur les champs d’écoulement indiquent que des turbulences marquées apparaissent à proximité du déflecteur de scories. l’angle du barrage, la hauteur de l’ouverture ainsi que la position relative du déflecteur par rapport à l’orifice de coulée influencent les contraintes de cisaillement sur les parois, l’efficacité de la séparation scories-fonte et la durée de vie du déflecteur.

L’utilisation de la microsilice dans cette zone vise principalement à :

• améliorer la fluidité du revêtement réfractaire et l’intégrité de la mise en forme des structures complexes ;
• réduire la porosité au niveau des ouvertures, des angles et des joints des éléments préfabriqués ;
• améliorer la résistance globale du matériau à la pénétration des scories et à l’érosion par le fer en fusion ;
• améliorer l’adhérence entre le matériau de réparation et le revêtement résiduel.

Dans le cas des écarteurs de scories, il n’est généralement pas possible de remplacer les matériaux spécialisés par un simple « matériau de canal principal à haute résistance ». La conception structurelle de cette zone, les dimensions des éléments préfabriqués, la résistance à la flexion et la stabilité thermoschoc sont tout aussi importantes que le système à microsilice.

4. Rigoles secondaires de fonte

Après avoir traversé le déflecteur de scories, le fer en fusion pénètre dans la goulotte de distribution. à ce stade, la teneur en scories est généralement nettement réduite et le matériau est principalement en contact avec le fer en fusion à haute température. Les principaux facteurs de détérioration comprennent l’érosion continue par le fer en fusion, l’usure locale au niveau des coudes et des dérivations, les cycles périodiques de chauffage et de refroidissement, la pénétration du fer en fusion ainsi que l’oxydation après l’arrêt de la goulotte.

À l’heure actuelle, peu d’études publiées comparent directement, dans un contexte industriel, différentes formulations de microsilice pour les canaux de dérivation. Par conséquent, les considérations suivantes relèvent d’une analyse technique fondée sur les mécanismes des matériaux du canal principal et les conditions d’exploitation des canaux de dérivation :

• la microsilice doit principalement permettre d’améliorer la densité de la matrice, l’uniformité de la mise en œuvre et la résistance à la pénétration du fer en fusion ;
• il convient de ne pas rechercher une résistance au frittage trop élevée par un excès de phase liquide, afin de ne pas réduire la stabilité thermoschocs dans des conditions de démarrage et d’arrêt répétés ;
• Dans les courbes, les dénivelés et les points de dérivation, il convient de renforcer la granulométrie des granulats et la résistance de la matrice à l’érosion ;
• pour les zones exposées à l’air après l’arrêt du canal, il convient d’accorder une attention particulière à la protection contre l’oxydation du carbone et du SiC.

Le choix de la microsilice pour les canaux de soutien peut généralement privilégier une faible teneur en eau, une dispersion stable et une stabilité volumique, sans qu’il soit nécessaire de reproduire à l’identique la conception à haute résistance aux scories de la ligne de scories du canal principal.

5. Canaux à scories

Les canaux à scories servent principalement au transport des scories de haut fourneau. leur température est généralement inférieure à celle de la fonte à la sortie de la buse, mais le contact entre les scories et les matériaux réfractaires y est plus important, ce qui accentue l’érosion chimique. Les matériaux à base d’Al₂O₃–SiC–C sont largement utilisés dans les canaux principaux et les canaux à scories, car le SiC et le carbone présentent une faible mouillabilité vis-à-vis des scories, tout en offrant de bonnes performances en matière de résistance aux chocs thermiques et à l’érosion.

Le rôle principal de la microsilice utilisée dans les canaux à scories est le suivant :

• de former une matrice dense afin de ralentir la pénétration du laitier le long des pores et des microfissures ;
• d'améliorer la fluidité lors de la mise en œuvre et l'intégrité de la surface de la goulotte ;
• favoriser la formation d’une quantité adéquate de mullite ou de liant céramique, afin d’améliorer la stabilité structurelle à chaud ;
• contrôler la formation de phases à bas point de fusion induites par le CaO, le MgO, le FeO et les oxydes de métaux alcalins.

Dans l’étude de 2023 mentionnée précédemment, un échantillon spécifique de microsilice à 96 % a obtenu les meilleures performances de résistance aux scories parmi les trois groupes de matériaux, ce qui démontre une nouvelle fois que, pour les canaux de scories, il convient de privilégier la qualité globale de la microsilice plutôt que de rechercher uniquement la plus grande pureté.

6. Becs et rigoles basculants

La buse oscillante est située en amont de l’entrée de la fonte dans le réservoir torpille ou la poche de coulée. outre l’érosion par la fonte, elle est soumise à des mouvements de basculement, des vibrations, une coulée intermittente, des chocs dus à des dénivelés locaux et des variations fréquentes de température. Les zones proches de l’axe de rotation, de la sortie de la buse et du point d’impact de la fonte sont généralement celles où se concentrent les contraintes mécaniques et thermiques.

À l’heure actuelle, les études indépendantes portant sur le rôle de la microsilice dans les buses oscillantes sont peu nombreuses. il ne convient donc pas d’affirmer qu’un type particulier de microsilice ou un dosage fixe a été démontré comme étant optimal par la recherche. D’un point de vue technique, la microsilice est principalement utilisée pour :

• réduire la teneur en eau de la préparation et améliorer la résistance structurelle précoce ;
• améliorer l’homogénéité de la matrice, réduire la pénétration de la fonte et l’érosion locale ;
• améliorer l’intégrité de la coulée au niveau des angles et des zones fragiles de la buse ;
• en combinaison avec la granulométrie des granulats et les antioxydants, pour concilier résistance à l’érosion et stabilité aux chocs thermiques.

Dans cette zone, il est particulièrement important d’éviter une frittage excessif et une fragilisation de la matrice. l’évaluation des matériaux doit donc inclure des essais de résistance résiduelle après choc thermique, ainsi que des tests d’intégrité structurelle dans des conditions d’érosion dynamique et de vibrations.

IV. Principes de sélection de la microsilice destinée aux matériaux de canaux de coulée

Premièrement, ne pas considérer la pureté en SiO₂ comme seul critère

Une haute pureté n’implique pas nécessairement une faible teneur en eau, ni une densité volumique élevée ou une résistance élevée aux scories. Il est indispensable de contrôler simultanément la distribution granulométrique, la surface spécifique, l’état d’agglomération, la perte au feu, la teneur en carbone et les impuretés de métaux alcalins.

Deuxièmement, contrôler la teneur totale en SiO₂ et la phase liquide à haute température en fonction de l’emplacement

: la zone d’impact doit être dense et résistante à l’érosion et à l’oxydation . la ligne de coulée nécessite un contrôle strict de la phase à bas point de fusion . les canaux de coulée et les buses oscillantes exigent davantage de résistance à la pénétration du fer en fusion, de stabilité aux chocs thermiques et de stabilité volumique. Il ne faut pas appliquer mécaniquement la même formulation de matrice à toutes les zones.

Troisièmement, évaluer la microsilice conjointement avec l’ensemble du système de matrice

L’efficacité de la microsilice est influencée conjointement par l’alumine active, le ciment, le SiC, la source de carbone, le silicium métallique, le B₄C, les agents dispersants et la quantité d’eau ajoutée lors de la mise en œuvre. Il n’est pas scientifiquement pertinent de discuter de la « meilleure microsilice » en dehors du contexte de la formulation globale.

Quatrièmement, la dose d’incorporation doit être déterminée par des essais pratiques sur les matériaux

Il est recommandé d’évaluer au minimum les valeurs de fluidité en fonction de la quantité d’eau ajoutée, la densité volumique, la porosité apparente, la résistance à température ambiante, la résistance à la flexion à haute température. l’indice d’oxydation, la résistance résiduelle après choc thermique, l’érosion réelle par les scories et les performances de séchage en toute sécurité. Une dose fixe ne peut pas être directement transposée d’un article scientifique à l’ensemble des aciéries et à toutes les parties de la structure.

Conclusion

La valeur de la microsilice dans les réfractaires des goulottes de coulée des hauts fourneaux réside essentiellement dans le contrôle global de la structure de la matrice et des processus de réaction à haute température. Elle permet d’optimiser la granulométrie, de réduire la quantité d’eau de mise en œuvre, d’améliorer la densité, et d’améliorer la liaison céramique ainsi que les propriétés d’oxydation grâce à la phase liquide riche en silicium et à la formation de mullite.

Cependant, la microsilice modifie également la teneur totale en SiO₂ du système ainsi que la composition de la phase liquide à haute température. En présence d’intrusions de FeO, CaO, MgO ou d’oxydes de métaux alcalins, un excès de SiO₂ ou un SiO₂ mal adapté peut contribuer à la formation d’une phase à bas point de fusion. Par conséquent, la zone d’impact du canal principal, la ligne de métal, la ligne de scories, le déflecteur de scories, les canaux secondaires, les canaux à scories et la buse oscillante doivent faire l’objet d’une conception par zones distinctes. il n’est pas possible d’utiliser un seul type de « microsilice de haute pureté » pour couvrir l’ensemble des conditions d’exploitation.

Le critère de sélection véritablement fiable n’est pas la pureté maximale ou la résistance maximale à température ambiante, mais la capacité du matériau à maintenir à long terme une faible perméabilité, une faible oxydation, une résistance thermique stable et un taux d’usure contrôlable dans les conditions spécifiques de scories, de température de la fonte, de régime de coulée et de cycle de maintenance.

Références principales

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