Revêtement Réfractaire de Haut Fourneau : Protection des Enveloppes pour Fonctionnement Continu

Revêtement Réfractaire du Haut Fourneau

Un haut fourneau (HF) moderne est revêtu de réfractaires pour protéger l'enveloppe du four des températures élevées et des matériaux abrasifs à l'intérieur. Le revêtement est refroidi pour renforcer la protection contre l'évacuation de chaleur excessive qui pourrait détruire le réfractaire. Le HF a un système réfractaire complexe pour assurer longue durée de vie sûre, nécessaire à la disponibilité du four et au fonctionnement quasi continu avec coulées successives.

Conditions Variables et Mécanismes d'Usure par Zone

Les conditions à l'intérieur du HF varient largement selon les zones et les réfractaires subissent divers mécanismes d'usure. Détails tableau 1. Les conditions d'application diffèrent selon les zones du fait de la géométrie et des processus pyrométallurgiques à différents stades. Mécanismes d'usure physico-chimiques divers et complexes selon zones. Exemple : usure mécanique/abrasion principalement zone haute cheminée (chute charges, gaz poussiéreux). Charges thermiques élevées = facteur majeur zone basse cheminée et ventre. Zone foyer : flux horizontal/vertical métal chaud + contraintes thermiques → cavitations « pied d'éléphant » indésirables. Réfractaires doivent gérer ces mécanismes pour éviter dommages. Donc : cheminée HF (haute, moyenne, basse), ventre, bosse, zone tuyères/raceway, foyer, gueulard تتطلب tous différentes qualités de réfractaires selon conditions respectives.

Tableau 1 : Mécanismes d'attaque dans les différentes régions du haut fourneau
Région	Mécanisme d'attaque	Dommage résultant
Cheminée haute	Abrasion	Usure abrasive
	Fluctuations température moyennes	Écaillage (spalling)
	Impact	Perte briques
Cheminée moyenne	Fluctuations température moyennes à fortes	Écaillage
	Érosion gaz	Usure
	Oxydation et attaque alcalis	Détérioration
Cheminée basse	Fluctuations température fortes	Écaillage sévère
	Érosion jets gaz et abrasion	Usure
	Oxydation et attaque alcalis	Détérioration
	Fatigue thermique	Dommages enveloppe et fissures
Ventre	Fluctuations température moyennes	Écaillage
	Oxydation et attaque alcalis	Détérioration
	Abrasion, érosion gaz, haute température	Usure
Bosse	Haute température	Attaque contrainte
	Attaque scories et alcalis	Détérioration et usure
	Fluctuations température moyennes	Écaillage
	Abrasion	Usure
Raceway et zone tuyères	Très haute température	Fissuration contrainte et usure
	Fluctuations température	Écaillage
	Oxydation (eau et oxygène)	Détérioration
	Attaque scories et érosion	Usure
	Dommages croûtes (scabs)	Perte éléments refroidissement et tuyères
Foyer	Oxydation (eau)	Usure
	Attaque Zn, scories, alcalis	Détérioration
	Haute température	Accumulation contraintes et fissuration
	Érosion liquides chauds	Risque percée (breakout)
Gueulard (fer)	Fluctuations température fortes	Écaillage
(tap hole)	Érosion (scories et fer)	Usure gueulard
	Attaque Zn et alcalis	Détérioration
	Attaque gaz et oxydation (eau)	Usure et détérioration

La sélection de la combinaison réfractaire appropriée selon le mécanisme d'usure est cruciale. Une sélection inadéquate mène souvent à défaillance réfractaire, problème complexe à résoudre. Types de revêtement réfractaire requis zone par zone et tendances figure 1.

Actuellement, la durée de campagne d'un HF est attendue autour de 15 ans ou plus. Tendance vers gros HF soumis à conditions opérationnelles strictes. Pour longue durée de vie sous conditions strictes : combinaison réfractaires haute performance + systèmes refroidissement très efficaces + contrôle serré opération fourneau pour haute productivité sans travail excessif parois et minimisation « glissements » massifs causant dommages prématurés.

Le fond et partie du foyer sont corrodés principalement par fonte, scories, alcalis. Briques ces zones : fortes charges et températures. Revêtement requis : haute résistance, faible fluage compression, RUL (réfractarité sous charge) et CPE (équivalent cône pyrométrique) élevés. Certains HF : briques alumine dense 42–62 % faible fer, mullite, blocs carbone conventionnels. Tendance actuelle : remplacement par blocs graphite super microporeux. Durée vie foyer HF dépend :

• Facteurs opérationnels : (i) haute productivité → charges thermiques élevées, (ii) haute vitesse fluides → plus érosion, (iii) forte injection charbon → perméabilité plus faible. Aucun contrôlé par opérateur → seule solution : revêtement réfractaire robuste.
• Design système revêtement : Ensemble soumis contrainte thermique (rôle dominant si design inadéquat). Design doit : (i) optimiser résistance thermique, (ii) prévoir soulagement dilatation, (iii) prévenir fissuration, (iv) éliminer barrières intégrées.
• Propriétés réfractaires : (i) Haute conductivité thermique, (ii) résistance alcalis, (iii) faible perméabilité, (iv) faible dilatation thermique, (v) faible élasticité.

Développement récent briques carbone microporeuses et amélioration qualité semi-graphite/graphite → résistance infiltration fer/scories supérieure, conductivité thermique. Problème couche friable ~800 °C isotherme (condensation alcalis + contraintes thermiques) adressé : blocs plus petits, allowances dilatation optimaux. Réfractaires carbone couverts par briques chamotte/mullite contre oxydation. Design « coupe céramique » (ceramic cup) important : isothermes modifiées selon qualité/épaisseur matériau coupe.

Briques cheminée : forte abrasion/érosion matériaux charge depuis haut + particules fumées/poussières haute vitesse sortant sous haute pression blast en milieu CO. Demande réfractaires : haute résistance, faible perméabilité, haute résistance abrasion, résistance désintégration CO. Briques chamotte super duty ou briques alumine dense Al₂O₃ 39–42 % apportent ces caractéristiques.

Tuyères et bosse : attaque changement température, abrasion, alcalis ; ventre et bas cheminée : choc thermique, abrasion, attaque CO. Zones critiques (tuyères, bosse, ventre, bas cheminée) : carbure silicium (SiC), SiC-Si₃N₄, corindon ont remplacé carbone et 62 % Al₂O₃ ou mullite. Profite haute conductivité SiC + refroidisseurs à lames (stave coolers). Mais problème fuites eau zone gueulard/tuyères → beaucoup HF revêtus alumine haute ou corindon alumine-chrome. Tendances actuelles et futures tableau 2.

Tableau 2 : Réfractaires haut fourneau
Zone	Actuel	Tendance
Cheminée	39–42 % Al₂O₃	Chamotte super duty
Ventre	39–42 % Al₂O₃	Corindon, SiC-Si₃N₄
Bosse	62 % Al₂O₃, Mullite	SiC-Si₃N₄
Tuyères	62 % Al₂O₃, Mullite	SiC auto-lié, Alumine-chrome (Corindon)
Bas foyer	42–62 % Al₂O₃, Mullite, Bloc carbone conventionnel	Bloc carbone/graphite super micropores
Gueulard	Chamotte goudron, Alumine haute/SiC goudron	Chamotte goudron, Alumine haute/SiC goudron
Gouttière principale	Masses piquage argile/grog/goudron, Coulables	Coulables ciment ultra-faible (ULCC), mélanges SiC/Alumine, technique gunning réparation
Bec verseur basculant	Masses piquage alumine haute/SiC / Coulables ciment faible	Alumine haute/SiC/Carbone/ULCC

Différents Types de Réfractaires HF

• Blocs carbone cuits (Baked carbon blocks) – Blocs carbone microporeux, semi-graphitiques, carbone-silicium microporeux : anthracite calciné électriquement haute température, graphite synthétique, SiC matières premières. Conductivité thermique supérieure, perméabilité faible, bonne résistance métal chaud/alcalis. Blocs semi-graphitiques : revêtement bas fond. Blocs microporeux : revêtement haut fond et bas foyer HF intensifié. Blocs carbone-silicium microporeux : maçonnerie foyer, gueulard, trou scories.
• Petites briques carbone cuites (Small sized baked carbon bricks) – Briques carbone microporeux moulées, briques carbone-SiC moulées : formage pressage à chaud, cuisson haute température, rectification finie. Matières : anthracite calciné HT, graphite synthétique, SiC, huiles dérivées charbon/résine phénol-formaldéhyde liant, poudres ultra-fines additifs. Briques carbone-SiC microporeux moulées : maçonnerie tuyères, trou scories, gueulard, foyer, zones formation scories.
• Brique coupe céramique (Ceramic cup brick) – Brique composite corindon liant phase plastique. Composée mullite haute qualité + corindon fusion haute pureté + liant spécifié, formage haute pression, frittage haute température. Caractéristiques : RUL élevé, structure compacte, porosité faible, haute résistance corrosion. Utilisées : fond HF, fond coupe céramique, brique combinée tuyères/gueulard/trou scories gros HF.
• Brique corindon (Corundum brick) – Corindon fusion brun + SiC matières premières, additifs spéciaux, pressage moule, frittage, usinage fin. Résistance alcaline et corrosion scories bonne → fond, coupe céramique foyer, tuyères, gueulard, trou scories.
• Brique SiC-Si₃N₄ – Nombreux types SiC différents systèmes liants, teneurs SiC variables. Généralement : SiC liant direct = haute résistance alcalis/Zn, haute conductivité thermique, excellente résistance érosion, très bonnes propriétés choc thermique, résistance corrosion/attaque CO. SiC liant nitrure généralement applications ex. ventre HF.
• Brique alumine-carbone microporeuse (Micro porous alumina carbon brick) – Clinker bauxite grade spécial, corindon, graphite, alumine moyenne matières premières, poudres superfines additifs. Micropores, bonne résistance alcalis, haute conductivité thermique. Revêtement bosse, cheminée, paroi refroidissement HF.
• Briques classe 50 % alumine – Réfractaires typiquement briques feu super duty améliorées. Généralement mélange bauxite, chamotte silex/argile plastique. Faible porosité, expansion réchauffage 1 600 °C, bonne résistance cyclage thermique. Brique puretés supérieures : bonnes qualités portance, excellente résistance attaque alcalis.
• Briques classe 60 % alumine – Matériaux grande variété. Plus courants/estimés : minéraux groupe sillimanite (généralement + petites quantités alumine calcinée, argiles plastiques). Autres : chamotte synthétique, bauxites, alumine calcinée, argiles plastiques. Hauts niveaux formation mullite → excellente résistance fluage (surtout sillimanite). Briques sillimanite souvent liant phosphate/chimique cuit pour améliorer résistance choc thermique.
• Briques classe 70 % alumine – Basées matières premières primaires bauxite ou chamotte haute alumine + argile feu. Cuites ~1 400 °C pour éviter expansion excessive cuisson (réaction ingrédients siliceux + bauxite → mullite). Expansion service élevée → réduction dimension joints.
• Briques classe 80 % alumine – Basées bauxite + alumine calcinée + argiles. Cuites ~1 420–1 480 °C pour dimension constant. Produits cuits : ~20 % porosité, bonne résistance, résistance cyclage thermique. Association liant phosphate/chimique (cuit/non cuit) pour résistance abrasion accrue, porosité réduite.
• Briques chamotte (Fireclay bricks) – Mélange généralement deux+ argiles. Silex/kaolin = réfractarité, chamottes = contrôle retrait séchage/cuisson, argiles plastiques = formage/cohésion. Groupées : (i) super duty (PCE > 33) Al₂O₃ 40–45 %, bonne réfractarité, résistance choc thermique, stabilité volume hautes températures ; (ii) high duty (PCE 31½–33) similaires super duty mais flint/chamottes/plastiques qualité inférieure (Al₂O₃ 40–45 %), remplacent medium duty si cyclage thermique problème ; (iii) medium duty (PCE 29–31) (Al₂O₃ 38–42 %) applications moins sévères, résistance choc thermique inférieure super/high duty ; (iv) low duty (PCE 15–29) (Al₂O₃ 35–38 %) revêtements arrière, applications températures modérées ; (v) semi-silice (Al₂O₃ 18–25 %, SiO₂ 72–80 %) excellente résistance portance, stabilité volume températures relativement hautes.
• Masse gueulard (Tap hole mass) – Caractéristiques principales : bonne viscosité, bonnes propriétés frittage combinées résistance corrosion/érosion.