Céramique : les matériaux réfractaires

avril30

Céramique : les matériaux réfractaires

Considérations générales

 

Les matériaux réfractaires appartiennent au domaine des céramiques techniques, leur principale propriété est la résistance au feu, c’est-à-dire aux altérations générées par la température. Le volume principal de ces matériaux s’adresse au garnissage des grands fours de l’industrie, de ce fait on a tendance à leur donner une définition qui est celle de leur emploi réservé aux applications dont la température est supérieure à 1200°C. Ceci exclut donc les matériaux tels que les briques de cheminée et autres matériaux utilisés à plus basse température.

 

Si la portée du mot réfractaire cible bien la résistance thermique, de nombreuses autres propriétés doivent être prises en compte pour en définir les qualités requises en vue des diverses applications. On parle là, par exemple, de l’altération liée aux contraintes d’utilisation, la plus courante est la dégradation par des liquides (par exemple des laitiers), des gaz, on retient alors le vocable de « corrosion ».

 

Le métier dans lequel j’ai travaillé durant plus de vingt ans est celui de la plus grande masse des réfractaires consommés, ceux de l’industrie que l’on peut qualifier de « lourde ». C’est par exemple le cas des grands fours de la métallurgie – haut fourneau, poches aciers -, de la fonderie, de la pétrochimie, de la cimenterie, de la calcination des minerais, des traitements thermiques divers, de la cuisson des céramiques traditionnelles…

Avant d’entrer dans le détail de la nature des produits pour de telles applications, je vais faire l’inventaire des caractéristiques à prendre en compte pour leur choix d’emploi

  • Au niveau des contraintes liées à la température
    • dilatation/capacité de relaxation- accommodation
    • retrait de frittage
    • fluage sous charge
    • conductivité thermique
    • tenue au choc thermique / comportement au refroidissement
    • température limite d’utilisation
  •  Au niveau des contraintes liées aux agressions chimiques
    • imprégnation
    • réaction/dissolution
    • réduction
  • Interaction des contraintes physiques et chimiques
    • création d’un zonage de différentes densités/compositions
    • chute de la réfractarité de la zone imprégnée
    • sensibilité nouvelle au choc thermique

La porosité et la perméabilité sont deux grandeurs déterminantes dans la tenue des réfractaires en service. La porosité détermine la quantité de matière pouvant être absorbée lors de contact avec des liquides, la perméabilité à la vitesse d’imprégnation et la pénétration des gaz.

La plus part des matériaux ont un niveau de porosité ouverte compris entre 15% et 25%, l’apparition de matériaux à forte compacité, par exemple les bétons à basse teneur en ciment (dits LCC comme low cement concrete) ont largement contribué à améliorer cette caractéristique en la positionnant entre 8% et 12%.

 

La perméabilité est une caractéristique plus difficile à appréhender, elle varie fortement en fonction du degré de traitement thermique et de l’existence ou non d’une phase vitreuse générée par les réactions de frittage. Cette affirmation est particulièrement vraie pour les réfractaires mis en place in situ du fait qu’ils subiront un grand réarrangement durant la première montée en température et, que d’autre part, ils conserveront un important échelonnement de structure lié au gradient de température dans l’épaisseur du garnissage.

 

Enfin, et c’est un aspect qui a souvent été négligé dans l’approche du type de matériau à utiliser, les matériaux mis en place au sein du garnissage – les Non-Façonnés qui s’opposent aux matériaux cuits avant mise en œuvre, les Façonnés, plus communément nommés « les briques » – sont totalement aptes à encaisser les phénomènes de dilatation, une accommodation temporaire à la première montée en température du fait qu’ils n’ont pas de liaison céramique avant cuisson. C’est une donnée importante, mais aussi qui a des conséquences : au retour en température il peut apparaître de grosses fissures si aucun artifice ne permet de préparer des zones de partage du retour de dilatation. Après traitement à 1500°C, selon le type de matériau, le retrait de dilatation peut être voisin de 1% soit 1cm par mètre !

A l’inverse un revêtement en brique doit être bien calculé en regard de l’épaisseur et de la qualité des produits de jointement : c’est ces derniers qui encaissent toute la contrainte liée à la dilatation. Les briques ont une forte liaison céramique, elles sont, de ce fait, très rigide à basse température,  cependant elles offrent en même temps une meilleure tenue à la corrosion du fait des tailles des phases de liaison. Au retour en température, chaque joint est sollicité par le « raccourcissement », dans le cas parfait on n’a aucune fissure de cumul de retrait.

 

Façonnés et Non Façonnés ont, avant mise en œuvre, une composition faite d’un granulat, en général, sa taille maximum n’excède pas 5 mm ; de granulométries intermédiaires et d’une fraction fine liante de taille inférieure à 100 microns, ces fractions peuvent être de différentes qualités.

 

Les Non Façonnés sont livrés en sacs, sous forme de composition sèche pour les bétons, ou prêts à l’emploi avec la plasticité adéquate, par exemple pour les pisés et les masses à damer.

 

Les Façonnés sont compactés par pressage ou damage, la densification est assurée par l’aptitude au glissement de la fraction le plus fine : argile, ou autres composés rendus plastiques par ajout d’eau et de composés organiques divers plastifiants. S’en suit un séchage puis une cuisson, soit au four tunnel, soit au four intermittent, le niveau de température atteint va de 1200°C à plus de 1500°C, exceptionnellement à plus haute température comme, par exemple 2000°C pour la magnésie (granulat). Ce process demande  au minimum trois semaine de fabrication. Chaque four a une géométrie particulière, il s’en suit qu’un garnissage comprend une quantité importante de forme de pièces, chaque commande est unique. Un problème inattendu rencontré peut mettre à l’arrêt plusieurs semaines une unité, ce fait impose d’avoir un revêtement d’avance.

 

Les Non Façonnés ont une liaison faite d’une multitude de compositions, ces dernières sont en directe relation avec le type de matériaux : ciment pour les bétons ou les produits à projeter, phase plastique pour les pisés et les masses à damer (voisine de celle des briques avant cuissson), chimiques pour les enduits et les masses à injecter…Ils sont livrés sous forme pulvérulente sèche, en sac pour les bétons- parfois en bigs- bags- ou prêts à l’emploi à l’état humide pour les pisés et les plastiques. Leur délai de fabrication- mise à disposition est de l’ordre de la journée.

Dans les deux cas de figure, matériaux Non Façonnés ou briques, la conception du garnissage et sa mise en œuvre sont déterminants pour la performance. Le métier de la fumisterie qui gère cette étape est très technique, c’est aussi un métier  difficile par les conditions de travail : chaleur, exposition à tout l’environnement des unités de production, machines de mise en œuvre…

 

Les types de garnissages sont très divers, en général ils comprennent une couche dite « d’usure », une de sécurité qui a la fonction de protéger en cas de disparition locale du revêtement de travail, une couche isolante qui évite les déperditions et permet une certaine souplesse générale à la dilatation globale de l’ensemble du revêtement. L’épaisseur globale peut aller de 15 cm à plus de 1mètre, en moyenne 30 cm. Dans les cas d’applications à haute température au contact de liquides très fluides (fonte, acier..) des accidents de percées ne sont pas rares, parfois dramatiques même, et… toujours coûteux.

 

Les  matériaux disponibles

 

Le classement de ces derniers peut être fait par une suite dichotomique :

  • En premier, tel que déjà sommairement décrit, deux groupes :
    • les Façonnés qui comprennent donc tous les matériaux déjà mis en forme : briques, pièces de forme particulières, blocs obtenus par fusion refroidissement et usinés (les électro fondus principalement destiné à l’industrie du verre) les nappes de fibres céramiques et leur dérivés.
    • Les Non Façonnés  avec les bétons (à liant ciment alumineux), les pisés humides, les plastiques, les produits à projeter, les matériaux à injecter, les pisés secs, les ciments de jointoiement (qui comprennent, au-delà de leur nom, peu ou pas de ciment au sens propre), les sprays, les badigeons…
  • En dessous  de ce premier niveau se positionne celui du type de compacité: matériaux denses ou isolants (à définir)
  • A l’étage suivant,  l’appartenance  à des familles définies par la chimie avec deux grandes divisions : les matériaux acides (siliceux, silico alumineux, alumineux…), les matériaux basiques (magnésiens, dolomitiques…) puis une autre catégorie fourre tout comme les produits chromés, contenant de la zircone, du spinelle…

A la conjugaison de ces trois étages s’ajoutent d’autres critères comme la granulométrie, la teneur en différents éléments mineurs (carbone, carbure de silicium…), ils  conduisent à un champ de plusieurs centaines de qualités, chacune justifiant un critère de prix/qualité (coût spécifique calculé sur le service rendu rapport au coût global matériau/mise en œuvre, y compris les matériaux de réparation intermédiaire), une expérience d’utilisation, parfois une habitude de comportement…

 

Conclusion

 

Les matériaux réfractaires, leurs applications, constituent une discipline où l’on retrouve presque toute les secteurs classiques de la physique et de la chimie, y compris le génie industriel. C’est un terrain d’immense apprentissage ou la science côtoie et s’enrichit de l’expérience. La base du métier, au niveau de la conception, demeure la formulation. En effet cet « art », difficile  définit la qualité du matériau dans sa faisabilité, son évolution sous le phénomène du frittage, ses performances à la tenue. Ceci est particulièrement vrai pour les Non Façonnés dont la mise en place est étroitement liée à la consistance.

 

La profession est, aussi,  un métier d’humilité où se sont parfois perdus les scientifiques trop sûr de leur savoir. Il n’est pas étonnant, ainsi que nous l’avons déjà dit, que tous les acteurs de l’industrie du feu se sentent partie prenante d’une confrérie forte et chaleureuse : souvent il n’y a plus de statuts de client, de fournisseurs, il ne  reste que des hommes conscients de leur dur et passionnant travail !

 

Qu’ai-je fait dans ce métier ?

 

En tant qu’ingénieur de recherche, durant les quatre premières  années, mon travail consistait à mettre au point de nouveaux matériaux, soit principalement un travail de formulation puis de tests variés en laboratoire. J’ai eu la chance d’avoir une  bonne expérience d’observation microscopique, observation conduisant à l’interprétation de l’influence des microstructures sur les performances recherchées. Personne avant moi, dans ce petit centre de recherche peuplé d’ingénieurs, n’avait fait cette démarche, J’ai donc eu  rapidement des résultats (parfois faciles), d’autres portants sur des problèmes difficiles à résoudre.

J’ai à cette époque travaillé sur des matériaux briques basiques ou silico alumineuses, sur des accessoires comme des busettes de coulée continue en silice vitreuse, des tentatives de développement de formules de Géopolymères.

 

De plus en plus on m’a demandé de travailler sur des matériaux Non Faconnés, principalement sur des familles de bétons ; durant deux années je me suis formé dans ce domaine très spécialisé. Dans un processus de travail en équipe, nous avons mis au point et développé toute une gamme de bétons à basse teneur en ciment.  Cette novation allait changer radicalement la portée des Non façonnés qui devenaient ainsi très concurrentiels des matériaux façonnés, aussi bien au niveau technique qu’à, celui  du coût : les bétons conventionnels comprennent entre 15 et 25% de ciment alumineux, ces bétons nouveaux autour de 4%. Ces matériaux furent nommés LCC comme Low cement Concrete ou bétons à basse teneur en ciment.

 

Au terme de ces six années, je fus nommé directeur technique d’une filiale franco-américaine qui était spécialisée dans les Non Façonnés. J’ai continué pendant sept années à couvrir  les deux fonctions, épaulé par une équipe dans chacun des secteurs. A cette époque, je m’occupais de recherche, de développement technique, de qualité.

 

Après une période  rendue« politiquement »  difficile par des fusions industrielles (et des confusions), soit douze ans après mon arrivée dans ce métier, nous avons créé de toute pièce un petit centre de recherche qui contrôlait la conception, le développement et la qualité pour plusieurs usines. J’en devenais le responsable avec  20 personnes en recherche, 5 en premier développement technique et 35 en contrôle qualité (personnel en usine)

 

Durant cette période qui va durer 10 ans, nous développerons une très large gamme de nouveaux bétons innovants : ultra basse teneur en ciment (voisine de 2%), des bétons autoplaçants… Ainsi que tous les matériaux assimilables à cette nouvelle technologie.

 

Notre société devint le leader mondial des matériaux à basse et très basse teneur en ciment, plusieurs licences furent concédées à l’étranger. L’une d’entre elle fut développée de façon remarquable par une importante société japonaise.

Durant ces années, j’ai fait de très nombreuses missions à l’étranger pour la promotion et l’aide technique : Etats Unis, japon, tous les pays d’Europe, Taiwan où nous avons  ouvert une usine.  J’irai fréquemment en clientèle, souvent pour aider à résoudre un problème technique, une réclamation ou aider à démarrer un marché. De même  pour des conférences ou des participations à des congrès. On me demanda ainsi de faire des jours de formation aux cadres de China Steel à Taiwan, aux réfractoristes québécois…

En marge de cette activité interne à la société, je devins responsable du projet européen de normalisation des matériaux réfractaires Non Façonnés. Une  lourde tâche qui consistait à fusionner en une seule norme toutes celles des pays membres de la communauté européenne : Afnor pour la France, Din pour l’Allemagne, Bsi pour l’Angleterre…En d’autres mots, trois années de combat pour mettre tout le monde d’accord, chacun défendant son système. Plusieurs fois je faillis renoncer, principalement en raison d’une opposition frontale entre les délégations  anglaise et allemande. En 1995, je sortais exténué de cette joute infernale, 80% du projet était accompli, si j’avais beaucoup appris sur ce qu’est la médiation, j’avais aussi appris à refreiner mon impatience.

 

Pour des raisons de coûts (en fait chaque filiale de Lafarge devait proposer un plan d’économie) le petit centre de recherche que je dirigeais fut « délocalisé » de Lyon à Paris en  1994, une partie de l’équipe fut perdue, je démissionnais de mon poste.

 

Après une année passée au siège, à Paris, positionné sur une autre mission, le groupe me proposa de prendre en charge la création d’une équipe de recherche sur les bétons de génie civil, dans la banlieue Lyonnaise, au sein de la recherche centrale. J’acceptais ce nouveau challenge qui, vingt ans après avoir rejoint le réfractaire, me sortait de chemin devenus politiquement difficiles : nous avions assisté à la prise de pouvoir des commerciaux, la technique en était devenue corvéable à merci.

 

Quatre années plus tard, le centre de recherche des réfractaires revint à Lyon, le double déménagement avait coûté près de quatre millions d’Euros !

 

  • Posted by Bernard
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