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 a le plus long historique. 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 vaut-il son prix ? Pourquoi la même marque a-t-elle duré deux fois plus longtemps dans le four voisin ?

Nous fabriquons des produits réfractaires et avons donc notre point de vue. Nous essayons aussi de préciser quelles affirmations sont issues de travaux publiés et lesquelles relèvent de notre propre analyse. Quand nous ne disposons pas de chiffres fiables, nous le disons au lieu d’en inventer.

Dans ce livre blanc, vous trouverez :

• Les quatre mécanismes d’usure d’une brique MgO-C pour four à arc électrique, expliqués simplement ;
• À quoi sert chaque antioxydant et quels problèmes 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 ayant 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. Le laitier ne pénètre donc pas et la brique résiste mieux aux cycles de chauffe et de refroidissement.
• Un liant carboné (généralement une résine) maintient la brique 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 revues publiées, et non d’une spécification pour un four en particulier. Vos propres valeurs 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 frittée naturelle (95,46 % de MgO, 8 % de porosité apparente). Il s’agit d’un seul exemple, pas d’une règle. Mais il illustre la tendance : les grains fondus sont généralement plus purs et plus denses, ce qui laisse moins de voies de pénétration au laitier. Les impuretés comme SiO2 et 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 des grains doit être adapté à la zone. Nous y revenons dans le tableau des zones.

3. Les quatre mécanismes d’usure des briques MgO-C d’un four à arc électrique

1. Le laitier dissout la magnésie

Le laitier attaque la magnésie de deux façons. La silice et la chaux pénètrent aux joints entre les grains et les désolidarisent. L’oxyde de fer (FeO) diffuse à l’intérieur même des grains de magnésie et forme une solution solide de magnésie et d’oxyde de fer, qui fond à une température plus basse que la magnésie pure.

Une étude en laboratoire menée à 1 600 °C avec un laitier contenant 25 % de FeO a observé l’usure la plus sévère pour une basicité de 0,5, et une faible usure à partir d’environ 2,0. Les pratiques de four et la chimie du laitier comptent donc autant que la brique. Une brique qui résiste bien à un laitier basique saturé en MgO peut être fortement endommagée 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 rencontre le graphite et la réaction FeO + C → Fe + CO élimine le carbone. La brique devient poreuse et fragile, davantage de laitier y pénètre et l’usure s’accélère. Une revue publiée cite cette réaction comme cause de fragilisation structurelle de la brique.

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

La face chaude d’une paroi de four à arc électrique n’est pas toujours au contact du laitier. Là où la brique est exposée à l’air du four ou au CO2, le carbone brûle directement. Selon les études publiées, l’oxydation directe se produit 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 inférieures et les zones souvent découvertes doivent résister à l’oxydation, même lorsque l’attaque du laitier est faible.

4. La brique s’attaque elle-même

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

Cycles thermiques et usure mécanique

En plus de ces quatre mécanismes, une brique de four à arc électrique est chauffée et refroidie à répétition, heurtée par la ferraille et balayée par l’acier en mouvement. Les cycles de chauffage fragilisent sa structure au fil du temps. Une étude publiée sur les convertisseurs a montré qu’un chauffage répété au-dessus de 1 500 °C, suivi d’un refroidissement sous 500 °C, pouvait reproduire en laboratoire les dommages observés sur de vraies briques. L’usure causée par l’écoulement de l’acier diminue à mesure que la résistance à chaud de la brique augmente.

Pourquoi ces phénomènes se renforcent mutuellement

Les quatre mécanismes agissent rarement seuls. La perte de carbone ouvre les pores. Les pores ouverts laissent pénétrer le laitier. Le laitier apporte davantage de FeO. L’excès de FeO brûle encore plus de carbone. Si vous ne retenez qu’une chose de cette section, que ce soit celle-ci : une brique cède généralement à cause d’un cycle d’usure, et non d’une seule cause. Rompez le cycle à son maillon le plus faible, et la brique entière durera plus longtemps.

4. Où les briques cèdent dans le four

Dans de nombreux fours, la partie supérieure de la paroi est constituée de panneaux refroidis à l’eau. Les briques se trouvent donc principalement dans la partie inférieure de la cuve, au niveau de la ligne de laitier et des points chauds. Les configurations varient : vérifiez la vôtre (voir nos solutions complètes de revêtement réfractaire pour fours à arc électrique).

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

5. Rôle des antioxydants et limites de leur action

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

Aluminium

L’aluminium réagit avec le monoxyde de carbone et le carbone de la brique. Une étude de laboratoire publiée, réalisée sous atmosphère d’argon, a mis en évidence à basse température un liquide contenant de l’aluminium et du magnésium, puis, à partir d’environ 850 °C, du 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 comme au carbone. L’effet global est de remplir les pores et de ralentir la pénétration de l’oxygène.

À surveiller (selon notre note de pratique) : le carbure d’aluminium peut réagir avec l’humidité. Gardez 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 nouvellement formé remplit les pores et protège le graphite. Il est souvent associé à l’aluminium. Selon des analyses publiées, 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 remplit les pores. Dans la pratique des convertisseurs, des publications font état de l’ajout de SiC dans le col et le cône, où l’oxydation en phase gazeuse pose problème. Cette logique s’applique aussi aux parois de four souvent exposées, sans 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 remplit les pores à des températures moyennes et limite la pénétration de l’air. C’est là son avantage.

À surveiller (selon notre interprétation, ce chiffre n’a pas été publié) : 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 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 et une pratique de gestion du laitier rigoureuse.
• Ils ne corrigent pas une mauvaise montée en température. Une brique humide ou chauffée trop vite se fissurera, quels que soient les matériaux qu’elle contient.
• Plus n’est pas toujours mieux. Un antioxydant qui réagit trop tôt ou laisse une phase fragile peut réduire la résistance à chaud. La conception globale compte plus qu’un seul additif.

6. Adapter la brique à la zone

Il n’existe pas de brique EAF qui soit la meilleure dans tous les cas. Il existe une brique adaptée à chaque zone de votre four, en fonction de votre laitier, de votre ferraille et de vos pratiques.

« Moyenne » et « élevée » désignent des niveaux relatifs dans votre propre gamme de briques. Nous n’indiquons pas de pourcentages fixes, car la valeur appropriée dépend du four et de la formulation du fournisseur.

Trois compromis à connaître

1. Une teneur en graphite plus élevée réduit le risque de choc thermique, mais donne aussi davantage de matière à brûler lors de l’oxydation. Plus de carbone nécessite une meilleure protection, pas simplement une plus grande quantité.
2. Une magnésie plus pure coûte plus cher, mais est souvent rentable au point chaud et à la ligne de laitier, où l’attaque du laitier accélère l’usure. Dans la paroi latérale, les économies réalisées ne compensent pas toujours cette différence.
3. Les antioxydants métalliques renforcent la brique, mais peuvent augmenter son coût et compliquer sa mise en œuvre. Utilisez-les là où ils sont efficaces, pas partout.

Éléments nécessaires à une conception sur mesure

Plus vous nous enverrez 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 éventuelle présence de fer de réduction directe ou de métal chaud ;
• pratique de laitier (basicité, ajout de MgO, moussage, plage de FeO) ;
• brique actuelle, durée de vie en nombre de 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 couper ou de nettoyer la brique. Notez la zone, la position et le nombre de coulées.

Étape 2. Couper dans le sens de l’épaisseur

Coupez 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 depuis la face chaude, en millimètres : couche recouverte de laitier, couche dense, couche sans carbone, cœur non affecté.

Étape 4. Décider

Ce que les essais peuvent apporter

Commencez par 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 se déterminent au moyen d’essais normalisés.

Complétez ensuite avec des instruments lorsque nécessaire

Un microscope électronique à balayage avec analyse élémentaire (MEB/EDS) indique dans quelle phase se trouve 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 résiste à moins de coulées, peut coûter plus cher par tonne.

Un exemple avec des chiffres fictifs, à titre d’illustration uniquement :

Dans cet exemple fictif, la brique la plus chère est gagnante. Ajoutez deux lignes à partir de vos propres registres : le coût d’un arrêt imprévu et tout coût supplémentaire de réparation de cette zone. Un arrêt imprévu peut coûter plus cher que les briques.

9. Six vérifications avant de commander

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

Nous fabriquons des briques magnésie-carbone et d’autres matériaux réfractaires pour les aciéries dans nos installations de fabrication intégrées. Notre processus pour un projet de four à arc électrique est simple :

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

11. Foire aux questions (FAQ)

12. Sources de référence

Les informations publiées dans cet article proviennent des sources suivantes. Nos propres appréciations sont signalées comme telles dans le texte.

• Réfractaires magnésie-carbone, Ispatguru
• Réfractaires magnésie-carbone pour convertisseurs, rapport technique n° 125 de Nippon Steel, 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