Briques MgO-C pour four à arc électrique : mécanismes d’usure et conception des antioxydants

1. Pourquoi ce livre blanc a été rédigé

Les briques magnésie-carbone ont d’abord été conçues pour les points chauds des fours à arc électrique, puis n’ont été utilisées dans les convertisseurs qu’à partir de la fin des années 1970. C’est donc dans les fours à arc électrique que ce matériau possède la plus longue expérience d’utilisation. C’est aussi là que les équipes d’achat et d’ingénierie débattent encore le plus à son sujet : une brique à plus forte teneur en graphite est-elle meilleure ? Le carbure de bore justifie-t-il son prix ? Pourquoi la même marque a-t-elle duré deux fois plus longtemps dans le four voisin ?

Nous fabriquons des produits réfractaires, nous avons donc notre point de vue. Nous essayons aussi de préciser quelles affirmations sont issues de publications et lesquelles relèvent de notre propre analyse. Quand nous n’avons pas de chiffre fiable, nous le disons et nous n’en inventons pas.

Dans cet article, vous trouverez :

• Les quatre modes d’usure d’une brique MgO-C pour four à arc électrique, en termes simples ;
• Le rôle de chaque antioxydant et les problèmes qu’il peut causer ;
• Comment adapter une brique à chaque zone du four ;
• Comment lire une brique usagée et que transmettre à un fournisseur ;
• Une méthode de calcul du coût par tonne et 18 questions avec des réponses directes.

2. Structure d’une brique magnésie-carbone pour four à arc électrique

Trois fonctions, trois ingrédients

Une brique MgO-C est un assemblage de matériaux, chacun remplissant une fonction.

• Les grains de magnésie résistent au laitier et à la chaleur. Ils constituent la majeure partie de la brique.
• Le graphite n’est pas mouillé par le laitier, conduit bien la chaleur et se dilate peu. Cela empêche le laitier de pénétrer et aide la brique à résister aux cycles de chauffage et de refroidissement.
• Une liaison carbonée (généralement en résine) maintient la brique ensemble et laisse un réseau de carbone après la première montée en température.

Le problème, c’est que le graphite brûle. Tout le reste de cet article en découle.

Plages citées dans la littérature

Il s’agit de valeurs générales tirées de synthèses publiées, et non d’une spécification pour un four en particulier. Vos propres chiffres doivent provenir de la fiche technique de votre fournisseur et des données de votre four.

Magnésie fondue ou frittée ?

Un tableau de référence publié compare une magnésie fondue à l’eau de mer (99,07 % de MgO, 2,6 % de porosité apparente) à une magnésie naturelle frittée (95,46 % de MgO, 8 % de porosité apparente). Il s’agit d’un seul exemple, pas d’une règle. Il indique toutefois une tendance : les grains fondus sont généralement plus purs et plus denses, ce qui laisse moins de voies de pénétration au laitier. Les impuretés telles que le SiO2 et le CaO présentes dans les grains comptent, car elles forment des phases à bas point de fusion avec l’oxyde de fer.

À notre avis, le choix du grain doit dépendre de la zone. Nous y revenons dans le tableau des zones.

3. Les quatre façons dont une brique MgO-C de four à arc électrique s’use

1. Le laitier dissout la magnésie

Le laitier attaque la magnésie de deux façons. La silice et la chaux pénètrent dans les joints entre les grains et les désolidarisent. L’oxyde de fer (FeO) diffuse dans les grains de magnésie eux-mêmes et forme une solution solide d’oxyde de magnésium et de fer, qui fond à une température inférieure à celle de la magnésie pure.

Une étude en laboratoire à 1 600 °C avec un laitier contenant 25 % de FeO a relevé l’usure la plus sévère pour une basicité de 0,5, et une usure faible à partir d’environ 2,0. Les pratiques du four et la composition chimique du laitier comptent donc autant que la brique. Une brique qui résiste bien à un laitier basique saturé en MgO peut fortement souffrir lorsque le laitier devient acide.

2. L’oxyde de fer brûle le carbone de l’intérieur

Lorsque le laitier pénètre dans la brique, l’oxyde de fer réagit avec le graphite et la réaction FeO + C → Fe + CO élimine le carbone. La brique devient poreuse et fragile, davantage de laitier y pénètre et la dégradation s’accélère. Une synthèse publiée désigne cette réaction comme la cause de la fragilisation structurelle de la brique.

3. L’air et le CO2 brûlent le carbone là où le laitier ne recouvre pas la brique

La face chaude d’une paroi de four à arc électrique n’est pas toujours recouverte de laitier. Lorsque la brique est exposée à l’air du four ou au CO2, le carbone brûle directement. Les travaux publiés situent l’oxydation directe en dessous d’environ 1 400 °C, et l’oxydation indirecte par la magnésie ou le laitier au-dessus. C’est pourquoi les parois latérales basses et les zones souvent découvertes doivent résister à l’oxydation, même lorsque l’attaque par le laitier est faible.

4. La brique s’attaque elle-même

À haute température, la magnésie et le carbone peuvent réagir : MgO + C → Mg(gaz) + CO(gaz). Dans les conditions standard, la réaction commence aux alentours de 1 850 °C. Dans une véritable brique, le gaz peut s’échapper par les pores, et la réaction peut donc se produire à une température bien plus basse. La brique perd de la matière de l’intérieur, ce qui donne une structure fragile et poreuse. Des essais publiés indiquent également que l’utilisation de magnésie très fine (0,1 mm et moins) réduit ce type de dégradation.

Cycles thermiques et usure mécanique

En plus de ces quatre mécanismes, les briques d’un four à arc électrique sont chauffées et refroidies à répétition, heurtées par les ferrailles et lavées par l’acier en mouvement. Au fil du temps, les cycles de chauffage relâchent la structure. Une étude publiée sur les convertisseurs a montré que des chauffages répétés au-dessus de 1 500 °C, suivis d’un refroidissement en dessous de 500 °C, pouvaient reproduire en laboratoire les dommages réels subis par les briques. L’usure due à l’écoulement de l’acier diminue à mesure que la résistance à chaud de la brique augmente.

Pourquoi ils se renforcent mutuellement

Les quatre mécanismes agissent rarement isolément. La perte de carbone ouvre les pores. Les pores ouverts laissent pénétrer le laitier. Le laitier apporte davantage de FeO. Le FeO supplémentaire brûle plus de carbone. Si vous ne retenez qu’une chose de cette section, que ce soit celle-ci : une brique se dégrade généralement sous l’effet d’un cycle de dégradation, et non d’une cause unique. Interrompez ce cycle à son maillon le plus faible pour prolonger la durée de vie de toute la brique.

4. Emplacements des défaillances des briques dans le four

Dans de nombreux fours, la paroi supérieure est constituée de panneaux refroidis à l’eau. Les briques se trouvent donc principalement dans la partie inférieure de l’enveloppe, à la ligne de laitier et dans les points chauds. Les configurations varient, vérifiez la vôtre.

L’ordre exact des mécanismes d’usure dépend de la conception de votre four, de la puissance utilisée, de la gestion du laitier et du mélange de ferrailles. Nous ne donnons pas de durée de vie générale. Si quelqu’un vous en indique une sans préciser les conditions, prenez-la avec prudence.

5. Rôle et limites des antioxydants

Un antioxydant est un matériau qui réagit plus facilement avec l’oxygène que le graphite, ou qui bloque le passage de l’oxygène dans la brique. Il protège le carbone, mais ne peut pas rendre bonne une brique de mauvaise qualité.

Aluminium

L’aluminium réagit avec le monoxyde de carbone et le carbone de la brique. Une étude publiée en laboratoire, menée sous atmosphère d’argon, a révélé la présence d’un liquide contenant de l’aluminium et du magnésium à basse température, puis, au-delà d’environ 850 °C, de carbure d’aluminium sous forme de fines plaquettes. Au-dessus de 1 000 °C, le carbure d’aluminium réagit avec la magnésie pour former du spinelle d’aluminate de magnésium (MgAl2O4), qui s’associe bien à la magnésie et au carbone. L’effet global est de combler les pores et de ralentir la pénétration de l’oxygène.

Point de vigilance (conseil pratique de notre part) : le carbure d’aluminium peut réagir avec l’humidité. Conservez les briques au sec pendant le stockage et le transport.

Silicium

Le silicium réagit avec le carbone pour former du carbure de silicium (Si + C → SiC). Le SiC ainsi formé comble les pores et protège le graphite. Il est souvent associé à l’aluminium. Les analyses publiées indiquent que l’aluminium et le silicium sont les antioxydants les plus utilisés, car ils sont efficaces et peu coûteux.

Carbure de silicium (ajouté sous forme de SiC)

Ajouté sous forme de poudre, le SiC agit de deux façons. Il résiste lui-même à l’oxydation et comble les pores. Dans les convertisseurs, les pratiques publiées préconisent l’ajout de SiC au col et au cône, où l’oxydation en phase gazeuse pose problème. La même logique s’applique aux parois du four souvent dépourvues de laitier.

Carbure de bore

Le carbure de bore réagit avec le monoxyde de carbone et forme de l’oxyde de bore liquide, qui se combine à la magnésie pour donner une phase liquide MgO-B2O3. Selon des analyses publiées, ce liquide comble les pores à température moyenne et limite l’accès de l’air. C’est là son atout.

Point de vigilance (selon notre analyse, ce n’est pas une donnée publiée) : une phase liquide peut ramollir une brique lorsque sa face est très chaude. Nous vérifierions soigneusement ce point avant d’utiliser du carbure de bore dans les zones les plus chaudes, et nous demanderions au fournisseur des données sur la résistance à chaud.

Ce que les antioxydants ne peuvent pas faire

• Ils n’empêchent pas le laitier de dissoudre la magnésie. Pour cela, il faut des grains purs et denses ainsi qu’une conduite du laitier rigoureuse.
• Ils ne compensent pas une mauvaise montée en température. Une brique humide ou chauffée trop rapidement se fissurera, quelle que soit sa composition.
• Plus n’est pas toujours mieux. Un antioxydant qui réagit trop tôt ou qui laisse une phase fragile peut réduire la résistance à chaud. La conception globale compte davantage qu’un seul additif.

6. Adapter la brique à la zone

Il n’existe pas une seule brique de four à arc électrique qui soit la meilleure. Il existe une brique adaptée à chaque zone de votre four, conçue en fonction de votre laitier, de vos ferrailles et de vos pratiques.

« Moyen » et « élevé » désignent des niveaux relatifs dans votre propre gamme de briques. Nous ne donnons pas de pourcentages fixes, car la valeur appropriée dépend du four et de la formulation du fournisseur.

Trois compromis à connaître

1. Un taux de graphite plus élevé réduit le risque de choc thermique, mais fournit aussi davantage de matière à brûler à l’oxydation. Plus de carbone exige une meilleure protection, pas seulement une plus grande quantité.
2. Une magnésie plus pure coûte plus cher, mais elle est souvent rentable dans la zone chaude et au niveau du laitier, où l’attaque par le laitier accélère l’usure. Dans la paroi latérale, l’économie réalisée ne vaut peut-être pas le compromis.
3. Les antioxydants métalliques renforcent la brique, mais peuvent augmenter les coûts et les exigences de manipulation. Utilisez-les là où ils sont efficaces, pas partout.

Les informations nécessaires à une conception sur mesure

Plus vous nous fournissez d’informations, plus la première conception sera précise :

• type de four, capacité, puissance et durée entre deux coulées ;
• plan de garnissage et épaisseur des briques par zone ;
• mélange de ferrailles et présence éventuelle de fer préréduit ou de fonte liquide ;
• pratiques de laitier (basicité, ajout de MgO, moussage, plage de FeO) ;
• brique actuelle, durée de vie en coulées et mode de défaillance, par zone ;
• photos de briques usagées et du four en fonctionnement.

7. Lire une brique usagée : analyse en 4 étapes

Une brique usagée est un rapport d’essai gratuit. Voici comment la lire.

Étape 1. Photographier d’abord la face chaude

Prenez des photos avant de découper ou de nettoyer la brique. Notez la zone, la position et le nombre de coulées.

Étape 2. Découper sur toute l’épaisseur

Découpez de la face chaude à la face froide et examinez la surface de coupe.

Étape 3. Mesurer les couches

Relevez l’épaisseur de chaque couche à partir de la face chaude, en millimètres : couche recouverte de laitier, couche dense, couche sans carbone, cœur non altéré.

Étape 4. Décider

Ce que les essais peuvent apporter

Commencer avec des outils simples

Les photos, une règle et un microscope optique vous apprennent beaucoup. La masse volumique apparente et la porosité apparente d’une brique neuve sont déterminées par des essais normalisés.

Ensuite, ajoutez des instruments au besoin

Un microscope électronique à balayage avec analyse élémentaire (MEB/EDS) montre quelle phase contient chaque élément. La diffraction des rayons X (DRX) identifie les phases cristallines, par exemple le spinelle ou le carbure de silicium.

Ne tirez pas de conclusions hâtives à partir d’une seule brique

Une seule brique peut induire en erreur. Comparez-la à une brique neuve du même lot et à une autre brique usagée de la même zone.

8. Calculer le coût par tonne d’acier

Une brique moins chère, mais qui dure moins longtemps, peut coûter plus cher par tonne.

Exemple avec des chiffres fictifs, à titre indicatif uniquement :

Dans cet exemple fictif, la brique la plus chère l’emporte. Ajoutez deux autres lignes à partir de vos propres données : le coût d’un arrêt imprévu et les éventuelles réparations supplémentaires de cette zone. Un arrêt imprévu peut coûter plus cher que les briques.

9. Six points à vérifier avant de commander

10. Comment YK Chanshine travaille avec les équipes des fours à arc électrique

Nous fabriquons des briques magnésie-carbone et d’autres produits réfractaires pour les aciéries. Notre démarche pour un projet de four à arc électrique est simple :

1. Vous nous envoyez les données du four, les pratiques relatives au laitier et des photos des briques usagées.
2. Nous analysons avec vous le profil d’usure, zone par zone.
3. Nous proposons une conception de brique pour chaque zone et expliquons ce que nous modifierions et pourquoi.
4. Nous consignons par écrit les consignes de stockage, de pose et de montée en température.
5. Après l’essai, nous examinons ensemble les briques usagées et procédons aux ajustements.

11. Foire aux questions (FAQ)

12. Sources de référence

Les faits publiés dans cet article proviennent des sources suivantes. Nos propres évaluations sont indiquées comme telles dans le texte.

• Réfractaires magnésie-carbone, Ispatguru
• Réfractaires magnésie-carbone pour convertisseurs, Nippon Steel Technical Report n° 125, 2020
• Chimie des réactions et développement de la microstructure des réfractaires MgO-C contenant des antioxydants métalliques, Guha et Smith, 2006
• Influence de la basicité et de la composition du laitier sur les réfractaires magnésie-carbone ConArc pendant la phase de soufflage, A. Muller, Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2011