Par Jack Xing, directeur des ventes techniques, YK Chanshine · Réfractaires pour hauts fourneaux ·
Les exploitants de hauts fourneaux utilisent un vent chaud à température et pression plus élevées, davantage d’oxygène et plus de charbon pulvérisé. Toutes les parties du système d’acheminement du vent chaud sont davantage sollicitées, et l’ensemble de tuyère en subit les conséquences. Quand un ensemble de tuyère rougit ou se perce, il faut arrêter le haut fourneau ou réduire son régime.
Cet article examine une analyse détaillée de la défaillance du béton réfractaire des ensembles de tuyère dans des hauts fourneaux chinois. 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 dégage les points à inclure par les acheteurs dans un bon de commande de béton réfractaire.
Principales conclusions de l’analyse de défaillance :
- Le matériau est un béton réfractaire Al₂O₃-SiO₂ lié au ciment d’aluminate de calcium. Entre 1100 et 1200 °C, la résistance à l’écrasement à froid diminue 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 des matières premières non mullitisées, du quartz libre et du Fe₂O₃ provenant des scories de fer.
- Trois mesures correctives : des matières premières plus pures, l’expansion de l’andalousite/du disthène pour compenser le retrait, et 3 à 6 % en masse d’argile plastique pour abaisser la température de frittage.
Pourquoi le béton réfractaire de l’ensemble de tuyère se détériore
Conditions d’exploitation
Une température et une pression de vent chaud élevées, l’enrichissement en oxygène et une forte injection de charbon pulvérisé sollicitent davantage le système d’acheminement du vent. Les fissures, les effondrements et les perforations des composants de soufflage deviennent tous plus probables. L’ensemble de tuyère est la pièce la plus exposée. Le refroidisseur de tuyère laisse peu de place : le corps du tuyau est étroit et la couche réfractaire mince, alors que les conditions de service sont sévères.
Causes signalées de rougissement et de perforation
Les principales causes répertoriées dans l’étude sont :
- jeu au raccord de la 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 faible 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 revêtement de la paroi du haut fourneau : la charge tombe sur le tuyau de soufflage et l’endommage mécaniquement
Deux cas signalés
Liugang
L’enquête a conclu que la mauvaise qualité du béton réfractaire était la principale cause de la perforation de la tuyère. L’usine a amélioré la qualité du béton réfractaire ainsi que la méthode de fabrication de la tuyère. Les rougeoiements et les perforations ont cessé, et la qualité ainsi que la durée de vie ont augmenté.
Shougang
Une perforation s’est produite sur une tuyère en service depuis longtemps et ayant subi de nombreuses mises à l’arrêt par soufflage. De fortes variations de température ont fissuré le revêtement entre le manchon d’eau avant et le corps du tuyau. Le vent chaud enrichi en oxygène a alors provoqué une perforation à l’avant. L’usine a analysé le béton réfractaire afin d’en vérifier la qualité et de surveiller l’utilisation de la tuyère.
Analyse des performances du béton réfractaire de la tuyère
Échantillonnage
Le béton réfractaire usagé (provenant de la tuyère défaillante) et le béton réfractaire neuf ont été analysés. Les photographies des échantillons usagé et neuf figurent après le tableau 2.
Composition chimique : neuf et usagé
Tableau 1. Analyse chimique du béton réfractaire de la 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 à base d’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 ferrifère. La teneur en CaO d’environ 3.9 % dans le nouveau béton réfractaire est conforme à une liaison par ciment d’aluminate de calcium, ce qui correspond à 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 |
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 1200 °C × 3 h, la résistance à froid de l’usine A 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 grande vitesse de gaz et à haute température, un revêtement peu résistant s’use plus vite et peut s’écailler.
Résistance au laitier du nouveau béton réfractaire
Les auteurs ont utilisé un essai statique au creuset pour simuler l’action du laitier de haut fourneau sur le nouveau béton réfractaire à chaud. 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 |
XRD de l’échantillon soumis à l’essai au laitier
L’échantillon 1 a été analysé par DRX à quatre endroits : le laitier, les grains blancs de granulat, la matrice jaune et la matrice noire.
Tableau 4. Principales phases de l’échantillon 1 selon leur 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 |
MEB à l’interface laitier-béton réfractaire
L’examen par MEB de la frontière entre le laitier et le béton réfractaire a montré des concentrations plus élevées de calcium et de magnésium du côté réfractaire. Le calcium et le magnésium du laitier ont migré dans le béton réfractaire. Ils réagissent avec l’Al₂O₃ et le SiO₂ de la matrice et forment de la gehlenite (Ca₂Al₂SiO₇) et du MgSiO₃. C’est l’attaque. Selon l’interprétation globale des auteurs de l’essai au laitier, la résistance au laitier est faible et le matériau 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 stock de tuyères
| 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 | Revêtement de la face froide | Mullite, phases issues de la déshydratation du ciment |
MEB-EDS en fonction de la distance par rapport à la face exposée au laitier
Les points ont été analysés depuis le laitier adhérent vers le béton réfractaire. La face exposée au laitier correspond 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 stock de tuyères
Pourquoi la plage de 900 à 1200 °C constitue le point faible
À partir des propriétés du matériau, des résultats de la DRX et de la 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 liaisons hydratées du ciment se sont décomposées, mais le frittage céramique a à peine commencé. La structure est alors à son stade le plus lâche et le plus fragile. Or, cette température correspond à la température de service du revêtement de la tuyère.
Séquence de défaillance en service
- Le revêtement perd de sa résistance et devient plus poreux dans sa plage de température de service.
- Le Ca et le Fe du laitier pénètrent dans la structure poreuse.
- Elles réagissent avec l’Al₂O₃ et le SiO₂ de la matrice pour former de la gehlenite, du MgSiO₃ et d’autres composés à bas point de fusion.
- Les matières premières brutes, insuffisamment mullitisées, aggravent le problème.
- Le revêtement affaibli est érodé par la vitesse du gaz et la température.
Comment y remédier : trois mesures
1. Améliorer la qualité des matières premières
Réduire les impuretés, en particulier les métaux alcalins, qui détériorent les liaisons du ciment d’aluminate de calcium.
2. Ajouter de l’andalousite ou de la cyanite
Ces minéraux 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 plastique à 3 à 6 % en masse est l’exemple donné. Le béton réfractaire fritte alors à plus basse température, ce qui prévient ou atténue la forte transformation de la structure et augmente la résistance à température intermédiaire.
Que doit contenir la fiche technique d’un béton réfractaire pour tuyère ?
Tableau 7. Paramètres recommandés à spécifier lors de l’achat d’un béton réfractaire pour tuyère
| Paramètre | Conditions d’essai | Valeur cible |
|---|---|---|
| Teneur en Al₂O₃ | XRF / analyse chimique par voie humide | ≥ 50.0 % |
| Teneur en Fe₂O₃ | XRF / analyse chimique 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 linéaire 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 pour l’acheteur et données de la demande de devis
Informations à demander à votre fournisseur
- Résistance à l’écrasement à froid après 110 °C et après 1200 °C
- Variation linéaire permanente à 1200 °C
- Origine des granulats (mullite frittée, mullite fondue ou andalousite)
- Type de liant et teneur en CaO
Éléments à nous envoyer pour obtenir une recommandation
Pour obtenir une recommandation, envoyez-nous ces éléments à sales@ykchanshine.com ou utilisez notre page de contact :
- volume du haut-fourneau, température du vent chaud et enrichissement en oxygène
- plan de fabrication de la tuyère et épaisseur du revêtement
- fiche technique actuelle du béton réfractaire et photos des dégradations
- nombre de décrassages par mois
- quantité annuelle cible et port
Conclusions
- La chute de résistance entre 1100 et 1200 °C est la principale cause de dégradation du béton réfractaire du porte-vent.
- Le laitier de haut fourneau pénètre dans cette matrice lâche et forme de la gehlenite à bas point de fusion.
- Les additifs à micro-expansion (andalousite/cyanite) et les agents de frittage éliminent efficacement le creux de résistance.
Foire aux questions (FAQ) : béton réfractaire pour porte-vent de haut fourneau
Qu’est-ce qu’un porte-vent de haut fourneau ?
C’est le porte-vent qui achemine le vent chaud de la conduite annulaire au refroidisseur de tuyère. Il est constitué d’un corps en acier mince et d’un fin garnissage réfractaire.
Pourquoi un porte-vent rougit-il ou se perce-t-il ?
Les causes signalées sont des fuites de vent chaud à la surface de contact, une mauvaise qualité du béton réfractaire, une forte usure de la lance à charbon et la chute de matériau de la paroi du four. Des mises à l’arrêt répétées avec soufflage peuvent également fissurer le garnissage près de la chemise d’eau avant.
Pourquoi le béton réfractaire à liaison cimentaire 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 sa résistance. Le porte-vent fonctionne dans cette plage de température.
Quel est le rôle de l’andalousite ou de la cyanite dans le béton réfractaire du porte-vent ?
Ces minéraux se dilatent lorsqu’ils se transforment en mullite. Cette dilatation compense le retrait du liant cimentaire et confère au béton réfractaire une micro-expansion.
Quelle quantité d’argile plastique faut-il ajouter comme agent de frittage ?
L’étude recommande une teneur de 3 à 6 % en poids. Cela aide le béton réfractaire à se fritter à plus basse température et améliore sa résistance à température intermédiaire.
Pourquoi la teneur en Fe₂O₃ augmente-t-elle dans le béton réfractaire usagé ?
Les auteurs soupçonnent que du laitier de fer s’est mélangé à l’échantillon. Un point d’analyse EDS sur la face exposée au laitier a révélé 37,57 % de Fe, ce qui va dans ce sens.
Que dois-je demander en plus de la résistance à 110 °C ?
Résistance à température intermédiaire, résistance et porosité après traitement à 1200 °C, teneur en alcalins, système liant et résultat d’un essai au laitier.
Envoyez-nous les paramètres de fonctionnement de votre haut fourneau et les plans du porte-vent
Vous constatez une rougeur due au vent chaud, une perforation ou des fissures dans le garnissage du porte-vent ? Envoyez-nous la température du vent, le taux d’enrichissement en oxygène, les plans du porte-vent et la fiche technique du béton réfractaire actuel. Notre équipe d’ingénierie des réfractaires vous fournira une formulation de béton réfractaire à micro-expansion sur mesure et une proposition technique sous 24 à 48 heures.
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- Durée de vie des briques MgO-C au niveau de la ligne de laitier d’une poche de coulée : facteurs d’attaque par le laitier
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