Défaillance du béton réfractaire pour tuyère en stock : mécanisme d’usure et fiche technique | YK Chanshine

Blast furnace tuyere stock refractory castable failure analysis and TDS specification guide - YK Chanshine

Par Jack Xing, directeur commercial technique, YK Chanshine · Réfractaires pour hauts-fourneaux ·

Revêtement en béton réfractaire du porte-tuyère de haut-fourneau : mécanisme d’usure, essai aux scories et données de résistance
Revêtement en béton réfractaire du porte-tuyère de haut-fourneau

Les exploitants de hauts-fourneaux utilisent un vent chaud plus chaud, à pression plus élevée, davantage d’oxygène et plus de charbon pulvérisé. Tous les éléments du système d’acheminement du vent chaud sont davantage sollicités, et le porte-tuyère en subit le plus gros de la charge. Lorsque le porte-tuyère rougit ou se perce par brûlure, il faut arrêter le haut-fourneau ou réduire son régime.

Cet article passe en revue une analyse détaillée des défaillances du béton réfractaire de porte-tuyère dans les pratiques chinoises de haut-fourneau. Il retrace la baisse de résistance à température intermédiaire qui ouvre la voie à l’attaque des scories, reproduit la défaillance par DRX et MEB, et en dégage les spécifications que les acheteurs devraient inscrire dans un bon de commande de béton réfractaire.

Principales conclusions de l’analyse des défaillances :

  • Il s’agit d’un béton réfractaire Al₂O₃-SiO₂ lié au ciment d’aluminate de calcium. À 1100 à 1200 °C, la résistance à la compression à froid chute d’environ 47 % et la porosité apparente augmente.
  • Les scories de haut-fourneau attaquent cette structure fragilisée : le Ca et le Mg migrent dans le béton réfractaire et forment de la gehlenite (Ca₂Al₂SiO₇) et du MgSiO₃ à bas point de fusion.
  • L’attaque est aggravée par les matières premières non mullitisées, le quartz libre et le Fe₂O₃ provenant des scories de fer.
  • Trois mesures correctives : des matières premières plus pures, l’expansion de l’andalousite et de la cyanite pour compenser le retrait, et 3 à 6 % en masse d’argile plastique pour abaisser la température de frittage.

Pourquoi le béton réfractaire du porte-tuyère se détériore

Conditions de fonctionnement

Une température et une pression élevées du vent chaud, l’enrichissement en oxygène et une forte injection de charbon pulvérisé sollicitent davantage le système d’acheminement du vent chaud. Les fissures, les effondrements et les perforations par brûlure des composants deviennent plus probables. Le porte-tuyère est la pièce la plus exposée. Le refroidisseur de tuyère laisse peu de place : le corps du tuyau est donc étroit et la couche réfractaire mince, alors que les conditions de service sont sévères.

Causes signalées de rougissement et de perforation par brûlure

Les principales causes mentionnées dans l’étude sont les suivantes :

  • jeu au raccord à bride : le vent chaud fuit au niveau de la surface de contact et surchauffe le corps du tuyau
  • qualité du béton réfractaire : faible résistance aux chocs thermiques, faible résistance à chaud ou mauvaise résistance aux scories
  • usure de la lance d’injection de charbon pulvérisé : la vitesse élevée du gaz et l’abrasion du charbon amincissent le revêtement
  • effondrement du matériau réfractaire de la paroi du four : la charge tombe sur la tuyère et l’endommage mécaniquement

Deux cas signalés

Liugang

L’enquête a conclu que la principale cause de la perforation de la tuyère était la mauvaise qualité du béton réfractaire. L’usine en a amélioré la qualité et le procédé de fabrication des tuyères. Les rougeoiements et les perforations ont cessé, et la qualité ainsi que la durée de vie se sont améliorées.

Shougang

Une perforation s’est produite sur une tuyère en service depuis longtemps et ayant subi de nombreuses mises à l’arrêt du haut-fourneau. De fortes variations de température ont fissuré le revêtement entre la manchette d’eau avant et le corps du tuyau. Le vent chaud enrichi en oxygène a alors percé la partie avant. L’usine a analysé le béton réfractaire afin d’en vérifier la qualité et de surveiller l’utilisation des tuyères.

Analyse des performances du béton réfractaire pour tuyère

Échantillonnage

Le béton réfractaire usagé (provenant de la tuyère défaillante) et le béton neuf ont été soumis à une analyse. Les photos des échantillons usagé et neuf figurent après le tableau 2.

Composition chimique : neuf et usagé

Tableau 1. Analyse chimique du béton réfractaire pour tuyère, % en masse

Échantillon SiO₂ Al₂O₃ Fe₂O₃ CaO MgO TiO₂ K₂O Na₂O ZnO S
Neuf 42.14 49.69 1.36 3.92 0.60 0.63 0.46 0.32 0.001 0.018
Usagé 42.19 49.54 2.10 3.66 0.58 0.86 0.29 0.22 0.004 0.006

Les deux matériaux sont des matériaux Al₂O₃-SiO₂, et les principaux oxydes ont à peine changé en service. La teneur en Fe₂O₃ est plus élevée dans l’échantillon usagé, ce que les auteurs attribuent à un mélange de laitier de fer. La teneur en CaO d’environ 3,9 % dans le nouveau béton réfractaire est compatible avec une liaison par ciment d’aluminate de calcium, ce qui concorde avec l’identification ultérieure du liant par les auteurs.

Propriétés physiques du nouveau béton réfractaire

Tableau 2. Résistance à l’écrasement à froid du nouveau béton réfractaire des deux usines

Usine Traitement thermique Résistance à l’écrasement à froid, MPa
Usine A (Shougang) 110 °C × 24 h 18.5
Usine A (Shougang) 1200 °C × 3 h 9.80
Usine B (Liugang) 110 °C × 24 h 30.0
Échantillons de béton réfractaire pour tuyère usagé et neuf, avec données sur la composition chimique et la résistance à l’écrasement à froid
Béton réfractaire pour tuyère usagé et neuf

Le béton réfractaire de l’usine A avait une masse volumique apparente et une résistance à froid inférieures à celles de l’usine B. Après un traitement à 1200 °C × 3 h, sa résistance à froid est passée de 18,5 MPa à 9,80 MPa, soit une baisse d’environ 47 %. Les auteurs indiquent que la porosité apparente augmente nettement après le traitement à 1200 °C, ce qui rend la structure plus lâche.

À vitesse élevée des gaz et à haute température, un revêtement peu résistant s’use plus rapidement et peut s’écailler.

Résistance du nouveau béton réfractaire au laitier

Les auteurs ont utilisé un essai statique en creuset pour simuler l’action du laitier de haut fourneau sur le nouveau béton réfractaire à température élevée. La composition du laitier était la suivante :

Tableau 3. Composition du laitier de haut fourneau utilisé pour l’essai, % en masse

SiO₂ CaO MgO Al₂O₃ TiO₂ FeO
34.42 41.22 7.32 14.04 1.21 0.43
Essai en creuset avec laitier du béton réfractaire pour tuyère à 1500 °C : photos des échantillons et évolution des dimensions de la cavité
Essai en creuset avec laitier du béton réfractaire pour tuyère à 1500 °C

DRX de l’échantillon testé au laitier

L’échantillon 1 a été analysé par DRX à quatre endroits : le laitier, les grains d’agrégat blancs, la matrice jaune et la matrice noire.

Tableau 4. Principales phases dans l’échantillon 1 selon la position

Position Aspect Principales phases minérales
Laitier Couche de laitier adhérente Gehlenite, mélilite, phase vitreuse
Granulat Grains blancs Mullite, corindon, traces de cristobalite
Matrice (jaune) Zone de réaction Gehlenite, anorthite, mullite
Matrice (noire) Béton réfractaire non altéré Mullite, corindon, hydrates de ciment
Analyses DRX et MEB du béton réfractaire du bloc de tuyère après l’essai au laitier de haut fourneau, montrant de la gehlenite et du MgSiO3 à l’interface avec le laitier
Analyses DRX et MEB du béton réfractaire du bloc de tuyère après l’essai au laitier de haut fourneau

MEB à l’interface laitier-béton réfractaire

L’examen au MEB de la limite entre le laitier et le béton réfractaire a révélé des concentrations plus élevées de calcium et de magnésium du côté réfractaire. Le calcium et le magnésium du laitier ont pénétré dans le béton réfractaire. Ils réagissent avec Al₂O₃ et SiO₂ dans la matrice pour former de la gehlenite (Ca₂Al₂SiO₇) et du MgSiO₃. C’est là l’attaque. Selon l’interprétation générale des auteurs de l’essai au laitier, le matériau présente une faible résistance au laitier et est facilement attaqué par le laitier de haut fourneau.

Béton réfractaire usagé : DRX et MEB

DRX en six positions

Six positions représentatives du béton réfractaire usagé ont été analysées. La position 1 se trouve à l’interface laitier-béton réfractaire.

Tableau 5. Principales phases minérales dans le béton réfractaire usagé du bloc de tuyère

Position Description Phases identifiées
1 Interface laitier-béton réfractaire Gehlenite, phases riches en fer, mélilite
2 Matrice proche de la surface (0–5 mm) Gehlenite, mullite, anorthite
3 Zone intermédiaire (5–15 mm) Mullite, corindon, gehlenite
4 Matrice centrale (15–30 mm) Mullite, corindon, traces de quartz
5 Granulat grossier Mullite, corindon
6 Dosage côté face froide Mullite, phases de déshydratation du ciment
Analyses DRX, MEB et EDS du béton réfractaire usagé du bloc de tuyère en fonction de la distance par rapport à la face exposée au laitier
Analyses DRX, MEB et EDS du béton réfractaire usagé du bloc de tuyère

Analyse MEB-EDS en fonction de la distance par rapport à la face exposée au laitier

Les zones ont été analysées depuis le laitier adhérent jusqu’au béton réfractaire. La face exposée au laitier se trouve à 0 mm.

Tableau 6. Analyse EDS du béton réfractaire usagé, de la face exposée au laitier vers l’intérieur, % massique

Distance Al₂O₃ SiO₂ CaO Fe₂O₃ MgO
0 mm (surface du laitier) 18.4 31.2 38.1 6.2 6.1
2 mm (couche de réaction) 36.5 35.8 19.4 4.5 3.8
5 mm (zone pénétrée) 45.2 39.1 8.6 3.9 1.2
15 mm (zone non altérée) 49.4 42.0 3.8 2.1 0.6

Mécanisme d’usure du béton réfractaire du bloc de tuyère

Mécanisme d’usure du béton réfractaire de mullite lié au ciment dans un bloc de tuyère : creux de résistance entre 900 et 1200 °C et séquence d’attaque par le laitier
Mécanisme d’usure du béton réfractaire de mullite lié au ciment dans un bloc de tuyère

Pourquoi la plage de 900 à 1200 °C constitue le point faible

À partir des résultats des analyses des propriétés, par diffraction des rayons X et au MEB, les auteurs identifient le matériau comme un béton réfractaire de mullite lié au ciment d’aluminate de calcium.

Entre 1100 et 1200 °C, les hydrates de ciment se sont décomposés, mais le frittage céramique a à peine commencé. La structure est alors à la fois la plus lâche et la plus fragile. Cette température correspond précisément à la température de fonctionnement du revêtement du col de tuyère.

Séquence de dégradation en service

  1. Le revêtement perd de sa résistance et devient plus poreux dans sa plage de fonctionnement.
  2. Le Ca et le Fe du laitier pénètrent dans la structure ouverte.
  3. Elles réagissent avec l’Al₂O₃ et le SiO₂ de la matrice pour former de la géhlénite, du MgSiO₃ et d’autres composés à bas point de fusion.
  4. Les matières premières non mullitisées ou incomplètement mullitisées aggravent le problème.
  5. Le revêtement affaibli est érodé par la vitesse du gaz et la température.

Comment y remédier : trois mesures

Trois solutions pour améliorer la résistance à température intermédiaire du béton réfractaire pour le col de tuyère : matières premières plus pures, expansion par l’andalousite ou la cyanite, agent de frittage à base d’argile molle
Trois solutions pour améliorer la résistance à température intermédiaire du béton réfractaire pour le col de tuyère

1. Améliorer la qualité des matières premières

Réduire les impuretés, en particulier les métaux alcalins, qui détériorent les liaisons du ciment alumineux.

2. Ajouter de l’andalousite ou de la cyanite

Ces matériaux se dilatent lors de la mullitisation, ce qui compense le retrait et la perte de résistance à température intermédiaire. On obtient ainsi un béton réfractaire à micro-expansion.

3. Ajouter un agent de frittage

L’argile molle à 3 à 6 % en poids est l’exemple donné. Le béton réfractaire fritte alors à plus basse température, ce qui empêche ou atténue les changements brusques de structure et augmente la résistance à température intermédiaire.

Éléments à inclure dans la fiche technique d’un béton réfractaire pour le col de tuyère

Tableau 7. Paramètres recommandés à préciser lors de l’achat d’un béton réfractaire pour le col de tuyère

Paramètre Conditions d’essai Valeur cible
Teneur en Al₂O₃ Fluorescence X / chimie par voie humide ≥ 50.0%
Teneur en Fe₂O₃ Fluorescence X / chimie par voie humide ≤ 1.2%
Résistance à l’écrasement à froid 110 °C × 24 h ≥ 30.0 MPa
Résistance à l’écrasement à froid (température intermédiaire) 1200 °C × 3 h ≥ 18.0 MPa (baisse ≤ 40%)
Variation dimensionnelle permanente 1200 °C × 3 h 0.0 à +0.4% (micro-expansion)
Indice de résistance au laitier Essai au creuset, 1500 °C × 3 h Profondeur d’érosion ≤ 3.0 mm

Liste de contrôle de l’acheteur et données de la demande de prix

Informations à demander à votre fournisseur

  • Résistance à l’écrasement à froid après 110 °C et après 1200 °C
  • Variation dimensionnelle permanente après 1200 °C
  • Origine des agrégats (mullite frittée, mullite électrofondue ou andalousite)
  • Type de liant et teneur en CaO

Informations à nous transmettre pour obtenir une recommandation

Pour obtenir une recommandation, envoyez-nous ces informations à sales@ykchanshine.com ou utilisez notre page de contact :

  • Volume du haut fourneau, température de l’air chaud et enrichissement en oxygène
  • Plan d’atelier de la tuyère et épaisseur du revêtement
  • Fiche technique du béton réfractaire actuel et photos des dégradations
  • Nombre de purges par mois
  • Quantité annuelle cible et port

Conclusions

  1. La baisse de résistance entre 1100 et 1200 °C est la cause fondamentale de la dégradation du béton réfractaire pour porte-tuyère.
  2. Le laitier de haut fourneau pénètre dans cette matrice poreuse et forme de la gehlenite à bas point de fusion.
  3. Les additifs de micro-expansion (andalousite/kyanite) et les aides au frittage éliminent efficacement le creux de résistance.

Foire aux questions (FAQ) : béton réfractaire pour porte-tuyère de haut fourneau

Qu’est-ce qu’un porte-tuyère de haut fourneau ?

Le tube de tuyère achemine le vent chaud de la conduite annulaire jusqu’au refroidisseur de tuyère. Il est constitué d’un corps en acier mince et d’un mince garnissage réfractaire.

Pourquoi un porte-tuyère rougit-il ou se perce-t-il ?

Les causes rapportées sont des fuites de vent chaud à la surface de contact, une mauvaise qualité du béton réfractaire, une usure importante de la lance à charbon et la chute de matériau de la paroi du four. Des arrêts répétés du soufflage peuvent également fissurer le garnissage près de la manchette d’eau avant.

Pourquoi le béton réfractaire lié au ciment est-il peu résistant entre 1100 et 1200 °C ?

Les liaisons hydratées ont alors disparu et les liaisons céramiques ne se sont pas encore formées. La structure se relâche et se rétracte, ce qui réduit la résistance. Un porte-tuyère fonctionne dans cette plage de température.

Quel est le rôle de l’andalousite ou de la kyanite dans un béton réfractaire pour porte-tuyère ?

Ces minéraux se dilatent lorsqu’ils se transforment en mullite. Cette dilatation compense le retrait de la liaison cimentaire et confère au béton réfractaire une micro-expansion.

Quelle quantité d’argile plastique est ajoutée comme aide au frittage ?

L’étude recommande 3 à 6 % en poids. Cela favorise le frittage du béton réfractaire à plus basse température et augmente sa résistance à température intermédiaire.

Pourquoi la teneur en Fe₂O₃ augmente-t-elle dans le béton réfractaire usagé ?

Les auteurs soupçonnent la présence de laitier de fer mélangé à l’échantillon. Une mesure EDS à la surface du laitier a révélé 37,57 % de Fe, ce qui étaye cette hypothèse.

Que dois-je demander en plus de la résistance à 110 °C ?

Résistance à température intermédiaire, résistance et porosité après 1200 °C, teneur en alcalins, système de liant et résultat d’un essai au laitier.

Envoyez-nous les paramètres de fonctionnement de votre haut fourneau et les plans des porte-tuyères

Vous constatez un rougissement dû au vent chaud, une perforation ou des fissures dans le garnissage du tube de tuyère ? Envoyez-nous la température de soufflage, le taux d’enrichissement en oxygène, les plans du porte-tuyère et la fiche technique actuelle du béton réfractaire. Notre équipe d’ingénierie des réfractaires vous fournira une formulation de béton réfractaire à micro-expansion et une proposition technique adaptées sous 24 à 48 heures.