Les réfractaires d'isolation thermique désignent les réfractaires à porosité élevée, faible densité apparente et faible conductivité thermique, également appelés réfractaires légers. Ils comprennent les produits réfractaires isolants, les fibres réfractaires et les produits en fibres réfractaires. Selon la température d'utilisation : les matériaux réfractaires d'isolation basse température (température d'utilisation inférieure à 900 °C), tels que les briques isolantes en diatomite, les produits en silice expansée, les panneaux de silico-calcaire, les produits en perlite expansée, etc. ; les réfractaires d'isolation moyenne température (température d'utilisation de 900 à 1 200 °C), tels que les briques réfractaires d'isolation thermique en argile, les fibres réfractaires en silicate d'aluminium, etc. Matériaux réfractaires d'isolation thermique haute température, la température d'utilisation est supérieure à 1200℃, tels que les briques réfractaires d'isolation thermique à haute teneur en aluminium, les briques réfractaires d'isolation thermique à l'alumine, les briques réfractaires d'isolation siliceuses, les briques à billes creuses en alumine, les briques à billes creuses en zircone, les fibres réfractaires à haute teneur en alumine, les fibres réfractaires polycristallines (fibres d'alumine polycristalline, fibres de zircone polycristalline, fibres de mullite polycristalline), etc.
La production de matériaux réfractaires isolants thermiques repose principalement sur des procédés permettant d'obtenir une structure poreuse, tels que l'utilisation de matières premières légères, la cuisson, le moussage et les procédés chimiques. Les fibres réfractaires amorphes, comme les fibres de silicate d'aluminium ou les fibres à haute teneur en alumine, sont généralement produites par fusion. Les fibres réfractaires polycristallines, comme les fibres de mullite ou les fibres d'alumine, sont quant à elles produites par le procédé colloïdal.
Les réfractaires isolants se caractérisent principalement par une porosité élevée, généralement supérieure à 45 %, une faible masse volumique apparente, généralement inférieure à 1,5 g/cm³, et une faible conductivité thermique, le plus souvent inférieure à 1,0 W/(m·K). Utilisés principalement comme isolants thermiques dans les fours industriels, ils permettent de réduire les pertes et l'accumulation de chaleur, d'optimiser les économies d'énergie et d'alléger l'équipement thermique. Comparés aux briques réfractaires classiques, les réfractaires isolants présentent une faible résistance à la corrosion par les scories, une faible résistance mécanique et une faible résistance à l'usure. Ils ne conviennent donc pas aux structures porteuses des fours ni aux pièces en contact direct avec les scories, la charge, le métal en fusion, etc.
Méthode de classification des produits réfractaires isolants
Les produits réfractaires à isolation thermique sont des produits réfractaires présentant une porosité d'au moins 45 %. Leurs principales caractéristiques sont une porosité élevée et une faible densité volumique. Leur conductivité thermique est faible, leur capacité thermique réduite et leurs performances d'isolation thermique sont excellentes. Ils conservent et résistent à la chaleur. Ils peuvent être utilisés comme couche d'isolation thermique pour divers équipements thermiques, et certains peuvent également servir de couche active. Ils constituent un matériau écoénergétique pour la construction de fours. Le remplacement des produits réfractaires denses classiques par des produits réfractaires à isolation thermique dans la construction de fours permet de réduire les pertes par stockage et dissipation de chaleur de 40 à 50 %, notamment pour les équipements thermiques discontinus.
Il existe de nombreux types de produits isolants et réfractaires, qui sont généralement divisés en trois catégories selon la température d'utilisation, la densité apparente et la forme du produit.
(1) Classées selon leur densité apparente. Celles dont la densité apparente est de 0,4 à 1,3 g/cm3 sont des briques légères ; celles dont la densité apparente est inférieure à 0,4 g/cm3 sont des briques ultra-légères.
(2) Classés selon la température de fonctionnement. Température d'utilisation 600~900℃ pour les matériaux d'isolation basse température ; 900~120℃ pour les matériaux d'isolation moyenne température ; plus de 1200℃ pour les matériaux d'isolation haute température.
(3) Classés selon la forme du produit : d'une part, les briques réfractaires légères façonnées, y compris les briques légères en argile, à haute teneur en alumine, en silicium et certaines briques légères en oxyde pur ; d'autre part, les briques réfractaires légères non façonnées, telles que le béton réfractaire léger.
Le procédé de fabrication des produits réfractaires isolants thermiques diffère de celui des matériaux denses classiques. Il existe de nombreuses méthodes, notamment l'incinération, le moussage, les procédés chimiques et l'utilisation de matériaux poreux.
1) Méthode de combustion et d'ajout de matériaux. Également appelée méthode d'ajout de combustibles. Elle consiste à incorporer à la pâte à briques des combustibles faciles à brûler, tels que du charbon de bois, de la sciure de bois, etc., afin de conférer au produit une certaine porosité après cuisson.
2) Méthode de trempage. Ajouter à l'argile destinée à la fabrication des briques des agents moussants, tels que du savon de colophane, et les faire mousser par voie mécanique. Après cuisson, on obtient un produit poreux.
3) Méthode chimique. En utilisant une réaction chimique capable de générer correctement du gaz, un produit poreux est obtenu lors de la fabrication de briques, généralement de la dolomite ou du périclase plus du gypse, et de l'acide sulfurique comme agent moussant.
4) Méthode des matériaux poreux. Utiliser de la terre de diatomées naturelle ou du clinker de mousse d'argile artificielle, des sphères creuses d'alumine ou de zircone et d'autres matières premières poreuses pour fabriquer des briques réfractaires légères.
L'utilisation de matériaux réfractaires isolants à faible conductivité thermique et faible capacité thermique comme matériaux de structure du corps du four permet de réduire la consommation de combustible, d'améliorer l'efficacité de la production, de diminuer le poids du corps du four, de simplifier sa structure, d'améliorer la qualité des produits et de réduire la température ambiante, améliorant ainsi les conditions de travail. Les matériaux réfractaires isolants sont principalement utilisés comme couche d'isolation thermique, revêtement ou couche isolante des fours.
1. Briques réfractaires isolantes en alumine
Les briques réfractaires isolantes en alumine utilisent comme matières premières principales le corindon fondu, l'alumine frittée et l'alumine industrielle. Elles présentent une excellente résistance aux atmosphères acides et alcalines, à la réduction et aux chocs thermiques. Leur utilisation est durable jusqu'à 1700 °C. Leur procédé de fabrication repose sur deux méthodes : le moussage et l'ajout d'additifs par incinération. Les briques obtenues par moussage se caractérisent par une structure uniforme, une faible conductivité thermique et d'excellentes performances d'isolation.
Les briques réfractaires isolantes en alumine sont légères, présentent une résistance à la compression élevée, une faible conductivité thermique, un faible retrait volumique après recuit et une bonne résistance aux chocs thermiques. Elles peuvent être utilisées pour l'isolation thermique des équipements thermiques haute température ou des fours en contact direct avec les flammes, ainsi que pour le revêtement des équipements thermiques de précision. Cependant, elles ne conviennent pas aux zones corrosives en contact direct avec le liquide de four et les scories en fusion. Leur stabilité est accrue en atmosphère réductrice. La température d'utilisation dépend de la pureté du produit et se situe généralement entre 1650 et 1800 °C. Le tableau 3-105 présente les caractéristiques physico-chimiques typiques de ces produits.
2. Briques réfractaires à haute teneur en aluminium et à isolation thermique
Les briques réfractaires à haute teneur en aluminium sont des produits réfractaires isolants thermiques dont la teneur en alumine est d'au moins 48 %, fabriquées à partir de matières premières principales. Ces briques sont principalement composées de bauxite, d'argile, de liants et de sciure de bois. Pour améliorer leurs performances, on y ajoute de l'alumine industrielle, du corindon, de la sillimanite, du cyanite et de la silice. La poudre fine ainsi obtenue permet de fabriquer des produits présentant différentes densités apparentes et différentes températures maximales d'utilisation. Généralement, la température d'utilisation se situe entre 1250 et 1350 °C, et peut atteindre 1550 °C pour certains produits.
Les briques isolantes à haute teneur en aluminium sont principalement produites par le procédé de moussage, et leur masse volumique se situe entre 0,4 et 1,0 g/cm³. Elles peuvent également être fabriquées par incinération avec ajout d'additifs. Les caractéristiques physico-chimiques des briques réfractaires isolantes à haute teneur en aluminium sont présentées dans le tableau 3-106.
Les briques réfractaires à haute teneur en aluminium permettent de réaliser des couches et des pièces isolantes thermiquement résistantes à la corrosion et à l'abrasion par des matériaux en fusion à haute température. En contact direct avec la flamme, la température de surface de ces briques ne doit pas dépasser 1 350 °C. Les briques réfractaires à base de mullite, quant à elles, supportent le contact direct avec la flamme et se caractérisent par une excellente résistance aux hautes températures, une grande robustesse et un rendement énergétique important. Elles sont idéales pour le revêtement des fours de pyrolyse, des fours à air chaud, des fours à rouleaux pour céramique, des fours à tiroirs électriques pour porcelaine et de divers fours à résistance. La brique réfractaire à base de corindon-mullite, avec une teneur en Al₂O₃ de 82,4 %, peut être utilisée comme revêtement de four jusqu'à 1 550 °C.
3. Briques réfractaires isolantes à base d'argile
Les briques réfractaires isolantes à base d'argile sont des produits réfractaires isolants contenant de 30 % à 48 % d'Al₂O₃. Elles sont fabriquées à partir d'argile réfractaire comme matière première principale, de billes flottantes et de clinker d'argile réfractaire, auxquels on ajoute des liants et de la sciure de bois. Après mélange, formage, séchage et cuisson, on obtient des produits d'une masse volumique apparente de 0,3 à 1,5 g/cm³. Leur production représente plus de la moitié du volume total des briques réfractaires isolantes.
Le procédé de fabrication le plus courant pour les briques réfractaires isolantes à base d'argile est la méthode d'ajout par incinération avec billes flottantes ; la méthode par moussage peut également être utilisée. Voir le tableau 3-107 pour les caractéristiques physiques des briques réfractaires isolantes à base d'argile.
Les briques réfractaires isolantes à base d'argile ont de nombreuses applications. Elles sont principalement utilisées dans les équipements thermiques et les fours industriels. Elles conviennent aux pièces non corrodées et non exposées aux projections de matériaux en fusion à haute température. Certaines surfaces en contact direct avec la flamme sont revêtues d'une couche réfractaire qui réduit l'érosion par les scories et les poussières de gaz de four, limitant ainsi les dommages. La température de service du produit ne dépasse pas la température d'essai de la ligne de retour. La brique isolante en argile appartient à la catégorie des matériaux isolants légers à porosité multiple. Ce matériau présente une porosité de 30 % à 50 % et offre une isolation thermique médiocre, mais une bonne résistance mécanique et à la corrosion.
4. Briques réfractaires isolantes en silicone
La brique réfractaire isolante siliceuse est composée principalement de silice et présente une teneur en SiO₂ inférieure à 91 %. Outre ses propriétés d'isolation thermique, elle conserve en grande partie les caractéristiques des briques réfractaires siliceuses. Sa température de début de ramollissement est élevée et son volume se dilate légèrement lors de la chauffe, ce qui renforce l'intégrité du four.
Les performances des briques réfractaires siliceuses thermo-isolantes de qualité GGR-1.20 pour fours industriels sont spécifiées dans la norme chinoise de l'industrie métallurgique YB386-1994 : la densité apparente ne dépasse pas 1,2 g/cm3, la résistance à la compression à température ambiante est d'au moins 5 MPa, la température de début de ramollissement sous charge inférieure à 0,1 MPa est d'au moins 1 520 °C et la teneur en SiO2 est d'au moins 91 %.
Ce produit convient au revêtement des fours industriels ou à la réalisation de couches d'isolation thermique qui ne sont pas en contact direct avec des matériaux en fusion à haute température ni exposées directement à des gaz corrosifs. La température de service de la maçonnerie ne dépasse pas 1 550 °C.
Les briques réfractaires isolantes à base de silice sont plus nocives pour le corps humain en raison de la poussière de silice, et leur fabrication est plus complexe que celle des briques réfractaires isolantes à base d'argile et d'aluminium, et elles ne représentent qu'une faible proportion de la production totale de matériaux réfractaires isolants.
5. Briques réfractaires isolantes en diatomite
La brique isolante thermique en diatomite est un matériau réfractaire isolant fabriqué à partir de diatomite comme matière première principale. Elle présente des pores fins et fermés, une porosité élevée et de bonnes performances d'isolation thermique, mais une faible résistance mécanique, qui diminue considérablement en présence d'humidité. Sa composition chimique principale est le dioxyde de silicium (SiO₂), suivi de l'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), ainsi que de fer, de potassium, de sodium, de calcium, d'oxydes de magnésium et d'autres impuretés.
Les caractéristiques physiques des briques isolantes en diatomite sont présentées dans le tableau 3-108. Ces briques présentent une faible résistance à la chaleur et une réfractarité d'environ 1280 °C seulement, ce qui limite leur utilisation à des températures inférieures à 900 °C.
6. Produits à base de perlite expansée
Les produits en perlite expansée sont des matériaux réfractaires isolants thermiques composés principalement de perlite. Ces produits isolants sont fabriqués à partir de perlite expansée, utilisée comme agrégat, et de liants appropriés tels que du ciment, du silicate de sodium ou du phosphate. Après malaxage, mélange, mise en forme, séchage, cuisson ou durcissement, la perlite expansée présente une densité relativement faible, généralement de 40 à 120 g/cm³. Sa réfractarité est modérée, généralement comprise entre 1280 et 1360 °C. La température maximale d'utilisation varie selon les liants utilisés, mais reste généralement inférieure à 1000 °C.
Les produits à base de perlite expansée sont classés en quatre catégories de masse volumique apparente, selon la norme nationale : 200, 250, 300 et 350 kg/m³. Selon le type de ciment utilisé, on distingue les produits à base de perlite expansée liés au ciment, au silicate de sodium, au phosphate et au bitume.
7. Produits à base de vermiculite expansée
Les produits en vermiculite expansée sont des matériaux réfractaires isolants thermiques dont la vermiculite expansée est la matière première principale. Leur fabrication repose sur l'utilisation de vermiculite expansée de granulométrie spécifique, à laquelle on ajoute des adjuvants et des liants. Le mélange est ensuite dilué avec de l'eau dans des proportions précises, puis mis en forme, séché, cuit ou durci pour obtenir des produits d'isolation thermique. Les produits présentent des températures maximales d'utilisation différentes selon leur densité apparente, la composition de leurs adjuvants et de leurs liants. On utilise généralement des couches isolantes pour des températures inférieures à 1000 °C. Il existe de nombreux types de produits en vermiculite expansée, généralement classés selon le type de liant et le type d'adjuvant utilisés. Selon le liant, on distingue les produits à liant organique, inorganique et composite organique-inorganique. Selon le type d'adjuvant, on distingue les produits à adjuvant unique, à adjuvants multiples et à adjuvants.
La vermiculite expansée présente une faible conductivité thermique, une faible résistance et n'est pas étanche, ce qui limite considérablement ses applications. L'utilisation d'un liant à haute résistance pour agglomérer la vermiculite expansée en un produit fini lui confère une résistance supérieure et une capacité de charge plus importante. En revanche, l'utilisation d'un liant étanche permet d'obtenir un produit étanche, utilisable en milieu humide. La conductivité thermique du liant étant généralement supérieure à celle de la vermiculite expansée, son ajout ouvre de nouvelles perspectives pour ce matériau, mais réduit son pouvoir isolant.
8. Plaque en silicium calcique
Les panneaux de silicate de calcium sont composés principalement de terre de diatomées et de chaux. Les produits réfractaires isolants thermiques obtenus par l'ajout de fibres de renforcement sont également appelés panneaux de silicate de calcium ou panneaux de silicate de calcium microporeux. Selon leur composition, les panneaux de silicate de calcium se divisent en deux catégories : les panneaux de silicate de calcium ordinaires, dont le rapport CaO/SiO₂ est d'environ 0,8 et la composition minérale est la tobermorite (5CaO·6SiO₂·5H₂O) ; et les panneaux de silicate de calcium dur, dont le rapport CaO/SiO₂ est d'environ 1,0 et la composition minérale est également le silicate de calcium dur.
Le silicate de calcium possède d'excellentes propriétés telles qu'une faible capacité portante, une forte adhérence, une faible conductivité thermique, une mise en œuvre aisée et un faible taux de perte. La densité des panneaux de silicate de calcium est généralement spécifiée à l'échelle mondiale comme ne dépassant pas 220 kg/m³, et certains sont classés en 33 catégories : ≤ 220 kg/m³, ≤ 170 kg/m³ et ≤ 130 kg/m³. En Chine, la classification est la suivante : ≤ 240 kg/m³, ≤ 220 kg/m³ et ≤ 170 kg/m³, répartis en 33 catégories. La résistance à la compression est supérieure à 0,4 MPa et la résistance à la flexion supérieure à 0,2 MPa. la conductivité thermique (70℃±5℃) est de 0,049～0,064W/(m·K) la température de fonctionnement la plus élevée, et la mullite torbe est de 650℃, le type silicate de calcium est de 1000℃.
Le panneau de silicate de calcium peut être scié ou cloué et transformé en panneaux, blocs ou coffrages. Il sert d'isolant thermique pour les canalisations thermiques et les fours industriels dans les secteurs de l'énergie électrique, de la chimie, de la métallurgie, de la construction navale, etc. ; il assure l'isolation thermique et ignifuge des bâtiments, des instruments et des équipements. Il est également utilisé comme couche d'isolation thermique pour les fours de séchage à haute température et les plateformes des wagonnets de fours tunnel. Ses deux faces peuvent être recouvertes de placage plastique, de contreplaqué, de panneaux de fibrociment, etc., pour une meilleure isolation thermique. La plupart des matériaux d'isolation thermique utilisés dans le monde sont à base de silicate de calcium, et dans certains pays, ce matériau représente 70 à 80 % des applications industrielles.
9. Brique à particules flottantes (Brique de cénosphère)
Les briques de cénosphères sont des produits réfractaires isolants thermiques fabriqués à partir de cénosphères comme matière première principale. Au début des années 1970, mon pays a commencé à utiliser des cénosphères de cendres volantes pour produire des briques réfractaires isolantes thermiques à base d'argile. Grâce à un procédé simple et à l'abondance des ressources, la qualité du produit était bonne. Depuis les années 1980, la méthode du clinker poreux ou l'ajout de cénosphères de cendres volantes par cuisson sont utilisés pour fabriquer des briques de cénosphères.
Les briques de cénosphères sont des sphères creuses de verre de silicate d'aluminium, obtenues par flottation à partir de cendres volantes issues des centrales thermiques. Elles présentent une faible densité, des parois fines, une structure creuse, une surface lisse, une faible conductivité thermique, d'excellentes performances d'isolation, une réfractarité élevée et une grande résistance à la compression. Grâce à ces caractéristiques, il est possible de fabriquer des matériaux réfractaires isolants thermiques aux performances exceptionnelles en matière de conservation de la chaleur. La production de briques de cénosphères peut être réalisée par un procédé semi-sec, simple et ne nécessitant aucune finition.
Les briques de cénosphères surpassent les matériaux d'isolation thermique existants pour blocs intermédiaires en termes de résistance mécanique, de résistance aux hautes températures, de conductivité thermique et de performances d'utilisation, et sont comparables aux fibres de silicate. Ce matériau est largement utilisé dans divers fours industriels à haute température (jusqu'à 1200 °C) afin d'améliorer l'efficacité thermique et de réduire la consommation d'énergie. Les briques de cénosphères sont utilisées dans les fours industriels et les équipements à haute température des secteurs de la métallurgie, de la mécanique, de la chimie, du pétrole, des matériaux de construction, de l'industrie légère, de l'énergie électrique et autres. Elles permettent généralement de réaliser des économies d'énergie de 15 % à 40 %. Il s'agit d'un nouveau type de cloison légère et performante.
10. Brique sphérique creuse
Brique sphérique creuse en alumine
La brique à sphères creuses d'alumine est un produit réfractaire isolant thermique dont la matière première principale est la sphère creuse d'alumine. Ses caractéristiques techniques typiques sont les suivantes : teneur en Al₂O₃ ≥ 98 %, teneur en SiO₂ ≤ 0,5 %, teneur en Fe₂O₃ ≤ 0,2 %, masse volumique apparente de 1,3 à 1,4 g/cm³, porosité apparente de 60 à 80 %, résistance à la compression ≥ 9,8 MPa, température de ramollissement sous charge (0,2 MPa) ≥ 1 700 °C et conductivité thermique de 0,7 à 0,8 W/(m·K).
Comparée aux produits d'isolation thermique et réfractaires ordinaires, la brique sphérique creuse d'alumine se caractérise par une porosité importante. De ce fait, elle présente une résistance élevée, une structure poreuse stable, une faible densité et une faible conductivité thermique. Elle est principalement utilisée pour le revêtement de fours industriels à haute température (inférieure à 1 800 °C), notamment dans les industries réfractaires, électroniques et céramiques ; ainsi que pour l'isolation thermique d'équipements thermiques à haute température, tels que les fours de gazéification dans l'industrie pétrochimique, les fours à gaz et les réacteurs industriels au charbon ; et pour l'isolation des fours à induction dans l'industrie métallurgique.
Brique sphérique creuse en zircone B
La brique de sphères creuses de zircone est un produit réfractaire isolant thermique composé principalement de sphères creuses de zircone. Sa phase cristalline dominante est la zircone cubique (environ 70 à 80 % de sa composition minérale). Ses performances typiques sont les suivantes : une réfractarité supérieure à 2 400 °C, une porosité apparente de 55 à 60 %, une masse volumique de 2,5 à 3,0 g/cm³, une résistance à la compression d’au moins 4,9 MPa et une conductivité thermique de 0,23 à 0,35 W/(m·K).
Les sphères creuses de zircone sont des matériaux réfractaires isolants thermiques aux performances exceptionnelles. Leur température maximale d'utilisation en toute sécurité est de 2 200 °C. Les briques de sphères creuses de zircone présentent une résistance mécanique élevée à haute température et une structure poreuse stable, ce qui leur permet d'être utilisées en toute sécurité jusqu'à 2 200 °C. Leur faible densité et leur faible conductivité thermique contribuent à réduire les pertes et l'accumulation de chaleur. Par conséquent, utilisées comme revêtement haute température en contact direct avec la flamme dans les équipements thermiques des industries métallurgique, pétrolière, chimique, électronique, etc., elles permettent de réduire la consommation d'énergie et le poids des fours haute température, offrant ainsi un excellent rapport qualité-prix.
Date de publication : 26 novembre 2021