Lors de leur utilisation, les matériaux réfractaires fondent et se ramollissent facilement sous l'effet de facteurs physiques, chimiques, mécaniques et autres à haute température (généralement entre 1000 et 1800 °C), ou s'érodent, se fissurent et s'endommagent, ce qui interrompt le fonctionnement et contamine le matériau. Il est donc impératif que le matériau réfractaire possède des propriétés lui permettant de s'adapter à diverses conditions d'utilisation. Voici quatre indicateurs qui déterminent la performance des matériaux réfractaires à haute température :
(1) Réfractaire
La réfractarité désigne la température à laquelle un matériau atteint un certain degré de ramollissement sous l'effet de hautes températures et caractérise sa résistance à ces dernières. Elle est essentielle pour déterminer si un matériau peut être utilisé comme réfractaire. L'Organisation internationale de normalisation (ISO) stipule que les matériaux inorganiques non métalliques dont la réfractarité est supérieure à 1 500 °C sont des matériaux réfractaires. Elle diffère du point de fusion et représente la nature composite d'un mélange de solides multiphasés constitués de divers minéraux.
Le facteur fondamental déterminant la réfractarité est la composition chimique et la distribution des minéraux du matériau. Diverses impuretés, notamment celles ayant un fort pouvoir solvant, réduisent considérablement la réfractarité du matériau. Par conséquent, des mesures appropriées doivent être mises en œuvre lors de la production afin de garantir et d'améliorer la pureté des matières premières.
La réfractarité n'est pas une grandeur physique absolue propre à une substance, mais un indicateur technique relatif qui caractérise un matériau atteignant un certain degré de ramollissement, mesuré dans des conditions d'essai spécifiques. Le matériau testé est façonné en un cône triangulaire tronqué (appelé cône d'essai) selon la méthode prescrite, et un cône triangulaire tronqué standard (appelé cône standard) est préparé à une température de flexion fixe et à une vitesse de chauffage spécifique. La réfractarité est ensuite déterminée en comparant le degré de flexion du cône d'essai à celui du cône standard. La base inférieure du cône triangulaire tronqué mesure 8 mm de côté, la base supérieure 2 mm de côté, et sa hauteur est de 30 mm. Lors de la mesure, une phase liquide peut apparaître dans le cône à haute température. À mesure que la température augmente, la quantité de phase liquide augmente, sa viscosité diminue et le cône se ramollit. Lorsque le ramollissement atteint un certain niveau, le cône se courbe progressivement sous son propre poids. Lorsque le cône d'essai et le cône standard sont pliés en même temps jusqu'à ce que leur sommet soit en contact avec le châssis, la température de pliage déterminée du cône standard prévaudra comme réfractarité du cône d'essai.
Également appelée point de ramollissement sous charge ou température de déformation sous charge, elle indique la résistance du réfractaire à l'action combinée d'une température élevée et d'une charge constante, ou encore la plage de températures dans laquelle le réfractaire présente une déformation plastique notable. La température maximale d'utilisation du réfractaire peut être déduite de la température de ramollissement sous charge. Cette dernière représente la résistance structurelle du réfractaire dans des conditions d'utilisation similaires et peut servir de base à la détermination de sa température maximale d'utilisation.
Le principal facteur déterminant la température de ramollissement sous charge est la composition chimique et minérale du matériau, elle-même directement liée à son procédé de fabrication. La température de frittage influe fortement sur la température de déformation par ramollissement sous charge. Une augmentation appropriée de cette température permet d'élever la température de début de déformation grâce à la diminution de la porosité, la croissance des cristaux et une meilleure cohésion. Améliorer la pureté des matières premières et réduire la teneur en bas point de fusion ou en solvant contribuent également à augmenter la température de déformation par ramollissement sous charge. Par exemple, l'oxyde de sodium présent dans les briques d'argile et l'alumine dans les briques de silice sont des oxydes nocifs.
(3) Stabilité volumique à haute température des matériaux réfractaires
Sous l'effet prolongé d'une température élevée, le matériau réfractaire subit une dilatation volumique, appelée dilatation résiduelle. L'amplitude de cette dilatation résiduelle (déformation) reflète la qualité de la stabilité volumique du matériau réfractaire à haute température. Plus la déformation résiduelle est faible, meilleure est la stabilité volumique ; à l'inverse, plus la stabilité volumique est faible, plus le risque de déformation ou d'endommagement de la maçonnerie est élevé.
Le changement de la ligne de recuisson est souvent utilisé pour juger de la stabilité volumique à haute température du matériau, ce qui est un indicateur important pour évaluer la qualité du matériau.
La plupart des matériaux réfractaires se contractent sous l'effet des hautes températures. Lors d'une nouvelle cuisson, ce retrait est principalement dû au fait que la phase liquide générée à haute température remplit les pores, comprimant et étirant davantage les particules. Plus récemment, une recristallisation s'est produite, entraînant une densification supplémentaire du matériau. Certains matériaux se dilatent également lors d'une nouvelle cuisson. Par exemple, la brique de silice se dilate en raison d'une transformation polycristalline pendant son utilisation. Ceci est dû au fait que le quartz non transformé de la brique de silice continue de se transformer en tridymite ou en quartz sous l'effet des hautes températures. Le quartz, responsable de l'expansion volumique, représente environ 10 % de quartz non transformé dans les briques de silice. Afin de réduire le retrait et la dilatation du matériau lors d'une nouvelle cuisson, il est efficace d'augmenter la température de cuisson et de prolonger le temps de maintien, sans toutefois excéder ces valeurs, sous peine de provoquer la vitrification de la structure du matériau et de réduire sa résistance aux chocs thermiques. En raison de l'expansion des particules de quartz dans le matériau lors de la cuisson et de l'utilisation, qui compense le retrait de l'argile, le changement de volume des briques semi-silicatées est faible, et certaines d'entre elles se dilatent légèrement.
(4) Stabilité aux chocs thermiques
La capacité des matériaux réfractaires à résister à des variations rapides de température sans se détériorer est appelée stabilité aux chocs thermiques. Cette propriété est également connue sous le nom de résistance aux chocs thermiques.
Le principal facteur influençant l'indice de stabilité aux chocs thermiques d'un matériau réside dans ses propriétés physiques, telles que la dilatation thermique et la conductivité thermique. De manière générale, plus le coefficient de dilatation linéaire du matériau est élevé, plus sa stabilité aux chocs thermiques est faible ; inversement, plus sa conductivité thermique est élevée, meilleure est sa stabilité. Par ailleurs, la microstructure, la composition et la morphologie des particules du matériau réfractaire ont également un impact sur sa stabilité aux chocs thermiques.
Date de publication : 15 juillet 2022