Quel réfractaire, où dans le four ?
Choisissez une cuve et cliquez sur les zones de garnissage. Chaque zone exige son réfractaire selon son agression — laitier, température, abrasion. Voyez ce qui convient où, et pourquoi.
Une poche semble simple mais constitue l’un des environnements réfractaires les plus rudes : acier liquide à 1600–1700 °C, laitier actif à la ligne de contact et cycle thermique sévère à chaque vidange et remplissage. Aucun garnissage unique ne convient — chaque zone reçoit le réfractaire adapté à son agression. Cliquez sur la carte.
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Ligne de laitier
1600–1700°CLa zone la plus agressive de toute la poche — le laitier actif ronge le garnissage ici même. Il faut une résistance à la corrosion, pas seulement à la chaleur.
Le spinelle alumine-magnésie et la magnésie fondue sont ici la norme.
Virole (paroi)
1500–1650°CLa plus grande surface en contact avec l’acier liquide. Ici l’équilibre entre résistance thermique, stabilité dimensionnelle et coût compte — un béton alumine-spinelle est le choix courant.
Béton à faible ciment à base d’alumine tabulaire et réactive.
Fond
1500–1650°CSupporte tout le poids de l’acier liquide et encaisse le choc lors de la coulée depuis le four. Un béton haute alumine ou spinelle à forte résistance en compression.
Béton haute alumine lié au ciment d’aluminate de calcium pur.
Busette et sable de puits
1600–1700°CLe canal d’écoulement de l’acier. Le sable de remplissage doit rester ouvert face à l’acier liquide pour que la poche s’écoule librement à la coulée — l’ouverture libre dépend de ce sable.
Sable de puits — à base de chromite ou olivine sans chrome.
Garnissage de sécurité
< 1000°CLa couche derrière le garnissage de travail — si celui-ci est pénétré, elle empêche le métal d’atteindre la coque en acier et réduit les pertes de chaleur. Ici l’isolation prime sur la corrosion.
Brique isolante légère derrière le garnissage de travail.
Un four à arc électrique fond la ferraille avec un arc à plusieurs milliers de degrés. Son garnissage subit trois agressions à la fois : rayonnement direct de l’arc, laitier actif chaud et impact mécanique de la charge de ferraille. Chaque zone reçoit le réfractaire adapté à l’agression dominante.
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Points chauds (face aux électrodes)
> 1800°CLa paroi face aux électrodes reçoit le rayonnement direct de l’arc. Le point le plus chaud et le plus consommé du four ; une brique magnésie-carbone à haute teneur en graphite s’impose ici.
Brique magnésie-carbone à magnésie fondue ; le graphite augmente la conductivité thermique.
Ligne de laitier
1600–1700°CLa ligne de contact où le laitier chaud érode continuellement le garnissage. La résistance à la corrosion est décisive.
Magnésie-carbone ou spinelle à haute résistance à la corrosion.
Paroi inférieure et talus
1500–1650°CSous la ligne de laitier, en contact avec l’acier liquide. Un équilibre entre résistance thermique et coût — la magnésie frittée est courante.
Brique ou masse de damage en magnésite frittée.
Trou de coulée (EBT)
1600–1700°CLe trou de coulée excentré en fond de cuve. Le sable de remplissage doit rester ouvert face à l’acier pour couler librement — sans chrome pour éviter la contamination.
Sable EBT à l’olivine, l’alternative sans chrome au sable de chromite.
Voûte (delta)
1400–1700°CLa voûte reçoit le rayonnement de l’arc et les gaz chauds par le haut et porte les passages d’électrodes. Un béton haute alumine à bonne résistance aux chocs thermiques.
Béton haute alumine à faible ciment pour le delta de voûte.
Le haut fourneau possède le garnissage réfractaire le plus haut et le plus durable de l’industrie — une campagne peut durer 15 à 20 ans. En haut, abrasion par la charge et les gaz ; en bas, fonte et laitier en fusion. Voyez chaque zone sur la coupe.
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Gueulard et haut de cuve
200–800°CLa charge solide — coke, minerai, fondant — tombe sans cesse sur le garnissage et l’abrase. Ici, c’est l’abrasion, non la température, qui décide.
Brique et béton de carbure de silicium et de bauxite pour résister à l’abrasion.
Ventre et étalages
900–1400°CLà où l’oxyde de fer est réduit et où la charge commence à ramollir. L’attaque chimique par les alcalins et le gaz CO est importante.
Carbure de silicium pour la conductivité thermique et la résistance aux alcalins.
Zone des tuyères
1400–1800°CLa zone la plus chaude ; le vent chaud est injecté par les tuyères et le coke brûle. Une combinaison de chaleur extrême, d’abrasion et d’attaque chimique.
Le carbure de silicium lié au nitrure supporte les conditions les plus dures.
Creuset (bain en fusion)
1450–1550°CLa fonte et le laitier en fusion s’y accumulent. La durée de toute la campagne du four dépend de la tenue de ce creuset.
Blocs haute alumine et carbone ; le garnissage le plus critique du four.
Contrairement à une poche ou un haut fourneau, un four à ciment est horizontal et rotatif : la matière entre d’un côté et le clinker sort de l’autre. La température monte par paliers le long du four et culmine dans la zone de cuisson. Voyez les zones sur sa longueur.
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Zone de préchauffage
800–1100°CLa matière fraîche entre et se réchauffe. La température est modérée mais il y a abrasion par la matière et attaque alcaline.
Brique de chamotte et isolante ; cette zone ne justifie pas la haute alumine.
Zone de transition
1100–1400°CLa température monte et le clinker commence à se former. La contrainte thermique et l’abrasion sont toutes deux élevées.
Brique magnésie-spinelle, remplaçante sans chrome de l’ancienne magnésie-chrome.
Zone de cuisson
1400–1700°CLa zone la plus chaude ; le clinker se forme à température maximale. L’attaque du clinker fondu et le cycle thermique de rotation en font l’endroit le plus rude.
Brique magnésie-spinelle, la norme mondiale pour la zone de cuisson.
Un four verrier diffère fondamentalement d’une poche ou d’un four à acier : le verre fondu est en contact avec le garnissage sans interruption pendant des années, et toute particule libérée par le garnissage apparaît comme un défaut — pierre ou cordon — dans le produit transparent. La corrosion y est très lente mais implacable, d’où des réfractaires spéciaux. Voyez les zones clés.
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Sole et paroi au contact du verre
1400–1600°CEn contact direct et permanent avec le verre fondu. Les blocs AZS (alumine-zircone-silice) sont la norme ; la zircone se dissout le moins dans le verre.
Blocs de zircone et AZS ; la zircone se dissout à peine dans le verre.
Superstructure (au-dessus du bain)
1500–1600°CAu-dessus de la surface du verre, exposée aux vapeurs alcalines volatiles et à la chaleur. Silice ou alumine-zircone résistante à l’évaporation alcaline.
Alumine-zircone, résistante à la corrosion par vapeur alcaline.
Voûte (toit en arc)
1550–1650°CLa voûte en arc supporte la haute température de l’espace de combustion et renvoie la chaleur vers la surface du verre. Silice, ou alumine-zircone dans les fours modernes.
Brique de voûte en silice ou alumine-zircone.
Régénérateur (récupération de chaleur)
800–1450°CUn empilage de briques qui stocke la chaleur des gaz d’échappement et la restitue à l’air entrant — le cœur de l’efficacité énergétique du four. Magnésie ou chamotte selon la température de chaque couche.
Empilage en magnésie dans les couches chaudes, chamotte dans les plus froides.
La fusion du cuivre pose un problème que la sidérurgie ignore. Le laitier n’y est pas calcique mais fayalitique : un silicate de fer fluide riche en FeO. Pire que le laitier, la matte sulfurée elle-même mouille le réfractaire et s’infiltre dans le moindre pore. La conclusion est nette : une porosité faible et fermée est ici une nécessité, pas un bonus.
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Four de fusion flash
1200–1300°CLe concentré de cuivre est brûlé à l’oxygène, donnant deux phases : matte riche en cuivre et laitier fayalitique. Attaque oxyde et sulfure simultanée.
Brique magnésie-chrome ; le spinelle de chrome résiste au FeO.
Convertisseur
1200–1350°CDe l’air est soufflé pour brûler le fer et le soufre et produire du cuivre blister. La rotation du convertisseur crée un cycle thermique sévère — la zone la plus agressive de toute la filière.
Chrome-magnésie ; meilleure résistance aux chocs thermiques que la magnésie pure.
Four à anodes
1100–1250°CAffinage thermique final et coulée des anodes. La température est plus basse mais le long contact avec le cuivre fondu se poursuit.
Brique de magnésite ou béton haute alumine.
Rigoles et chenaux
1100–1300°CLe chemin de transfert de la matte et du cuivre fondu entre les unités. Abrasion par l’écoulement plus choc thermique à chaque arrêt et redémarrage.
Béton chargé en carbure de silicium ; le métal fondu n’adhère pas au SiC.
Un four à chaux, rotatif ou droit, calcine le calcaire et en chasse le CO2. L’agression principale n’y est pas la température mais la poussière de chaux alcaline, qui réagit avec la silice et l’alumine du garnissage pour former des phases à bas point de fusion. C’est pourquoi le choix des réfractaires pour la chaux diffère de celui du ciment, malgré des procédés d’apparence semblable.
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Zone de préchauffage
400–900°CLe calcaire entre et se réchauffe. Le problème est l’abrasion par la pierre grossière, pas la température.
Brique de chamotte résistante à l’abrasion ; la haute alumine y est de l’argent gaspillé.
Zone de calcination
900–1200°CLe carbonate de calcium se décompose et libère du CO2. La poussière de chaux fraîchement formée est la plus réactive et attaque le garnissage.
Brique haute alumine à faible silice pour résister à la chaux.
Zone de cuisson
1200–1450°CLa zone la plus chaude, où se forme la chaux vive. La chaux se combine à la silice du garnissage pour former une phase à bas point de fusion — le garnissage doit donc être pauvre en silice et riche en alumine ou magnésie.
Magnésie ou haute alumine à faible silice ; la silice est ici l’ennemie.
Le cubilot est le four de fusion de la fonte le plus ancien et encore le plus répandu : ferraille, coke et calcaire sont chargés par le haut et l’air est soufflé par les tuyères. Son garnissage est petit face à un haut fourneau mais subit les trois mêmes agressions — abrasion de la charge, laitier chaud et chaleur de la zone de fusion.
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Zone de charge et préchauffage
300–900°CLa charge solide tombe par le haut et remplit le puits. L’impact mécanique et l’abrasion de la charge dominent.
Brique de chamotte résistante aux chocs ; la partie économique du four.
Zone de fusion
1450–1600°CJuste au-dessus des tuyères ; le coke brûle et la charge fond. La zone la plus chaude, avec laitier actif et gouttes de fonte.
Béton ou brique au carbure de silicium ; le laitier n’adhère pas au SiC.
Zone des tuyères
1500–1700°CL’air de soufflage entre et le coke s’oxyde violemment. La température locale dépasse même celle de la zone de fusion.
Carbure de silicium ou béton haute alumine autour des tuyères.
Creuset et chenal de coulée
1400–1500°CLa fonte s’accumule et s’écoule par le chenal. Contact permanent avec le métal fondu plus abrasion par l’écoulement.
Garnissage de creuset damé ou coulé ; renouvelé à chaque campagne.
Un four à coke chauffe le charbon à l’abri de l’air pour produire du coke. Contrairement au four à chaux, la brique de silice est ici le bon choix : à température de service, la silice est stable et se dilate à peine, maintenant droites les parois hautes et minces. La règle d’or de ce four tient en une phrase — ne jamais le laisser refroidir. La silice change de phase et se dilate brutalement vers 600 °C, et un refroidissement complet peut détruire toute une batterie.
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Paroi de la chambre de cokéfaction
1100–1350°CLa paroi mince qui sépare le charbon du carneau de chauffe et conduit la chaleur. Elle doit être à la fois mince, conductrice et stable sur une campagne de 30 ans.
Brique de silice ; stable et pratiquement sans fluage à température de service.
Carneau de chauffe
1200–1400°CLe gaz brûle dans ces carneaux et cède sa chaleur à la paroi de la chambre. Plus chaud que la chambre elle-même, en atmosphère oxydante.
Silice, ou chamotte haute alumine dans les sections plus chaudes.
Voûte et orifices de chargement
900–1200°CLa voûte de la chambre et les orifices de chargement. Abrasion lors du chargement du charbon et choc thermique à chaque ouverture et fermeture des portes.
Chamotte et béton ; les portes sont garnies de masse isolante.
Sole et plancher
1000–1300°CLa sole de la chambre sur laquelle repose la charge de charbon et par laquelle le coke chaud est poussé. Abrasion mécanique constante au défournement.
Chamotte résistante à l’abrasion ; le défournement use la sole.
Un four de réchauffage, poussant ou à longerons mobiles, porte les billettes à environ 1200 °C avant laminage. Contrairement à une poche ou un four à arc, il n’y a ici ni laitier ni métal fondu — le plus grand coût caché est la perte de chaleur. La conception du garnissage tourne autour de l’isolation, et la zone critique est là où la billette glisse.
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Zone de préchauffage
600–900°CLes billettes froides entrent et prennent la chaleur des fumées. La température est basse ; le vrai rôle du garnissage est de retenir la chaleur.
Brique isolante légère et fibre ; chaque degré perdu, c’est du combustible.
Zone de chauffe
900–1200°CLes brûleurs portent la billette à température de laminage. Atmosphère oxydante et calamine qui tombe de l’acier.
Béton haute alumine avec doublure isolante.
Zone d’égalisation
1150–1250°CLa température de la billette s’égalise dans la section. La zone la plus chaude, où la calamine fondue peut adhérer au garnissage.
Haute alumine, résistante à la calamine fondue et au FeO.
Système de glissières
1000–1250°CLes tubes refroidis à l’eau sur lesquels glisse la billette. Leur habillage réfractaire est critique : s’il est médiocre, l’énergie est gaspillée et une marque froide reste sur la billette, devenant un défaut au laminage.
Béton isolant sur le tube de glissière ; réduit le point froid.
Le four tunnel est le four standard des carreaux, du sanitaire et de la brique de parement : les wagons chargés traversent lentement un long tunnel selon une courbe de température fixe. Le problème réfractaire n’y est ni le laitier ni le métal fondu — c’est l’uniformité de température et la consommation d’énergie, plus le matériel d’enfournement qui entre au feu avec la pièce.
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Zone de préchauffage
200–900°CLa pièce séchée entre et l’eau résiduelle et les matières organiques sont éliminées. Le chauffage doit être doux sinon le tesson fissure.
Brique isolante légère ; maîtriser la montée compte plus que la réfractarité.
Zone de cuisson
1100–1300°CTempérature maximale ; le frittage et la vitrification du tesson s’y produisent. L’uniformité de température dans la section du tunnel détermine directement la qualité.
Carbure de silicium ; sa conductivité élevée homogénéise la température.
Zone de refroidissement
900–200°CLa pièce cuite refroidit progressivement. Un refroidissement rapide, surtout à la transformation du quartz, fissure le tesson.
Isolation légère ; ce qu’on maîtrise ici est la vitesse de refroidissement, pas la température.
Matériel d’enfournement (wagons et supports)
1100–1300°CLes plaques, piliers et supports sur lesquels repose la pièce, qui entrent au feu à chaque fournée. Ils subissent des milliers de cycles thermiques — la résistance aux chocs thermiques y prime sur la réfractarité.
Carbure de silicium ou cordiérite-mullite ; léger et résistant aux chocs.
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