Brevet FR2463107A1 — publié le 19810220

Qi. L'invention concerne un procédé permettant d'éviter de ma- nière appropriée l'éclatement thermique d'un produit réfractaire. Il est bien connu que les briques réfractaires ou les divers produits céramiques servant à l'installation des fours sidérur- giques subissent un éclatement thermique en raison d'un change- ment rapide de température. Quant à l'éclatement thermique, lorsqu'un produit réfrac- taire subit une différence de température, la déformation libre de chacun des éléments constituant le produit est empêché en raison des matériaux différents constituant les éléments ou en raison des différences de dilatation thermique provoquée par la différence de température, et l'éclatement thermique se tra- duit par la fissuration du produit lorsque les contraintes ther- miques provoquées par l'empêchement de la déformation atteignent un tel point que la destruction du produit s'ensuit. Pour résoudre le problème de l'éclatement thermique, on a proposé diverses solutions, par exemple une méthode qui consiste à diminuer le changement de température subi par le produit, une méthode qui consiste à utiliser des matériaux présentant une résistance élevée aux chocs thermiques, ou bien une méthode de traitement thermique à la température de ramollissement qui con- siste à maintenir uniforme la température du produit, comme par exemple pour le verre renforcé, et à refroidir sous pression sa surface afin d'assurer à cette dernière une contrainte de com- pression résiduelle. Toutefois, la première méthode présente les inconvénients d'une durée trop longue et d'un contrâle dif- ficile de la température. La seconde méthode est désavantageuse du point de vue économique et peut entraîner le problème d'au- tres caractéristiques physiques, ce qui n'est pas toujours utile. La troisième méthode présente l'inconvénient qu'il est difficile à assurer une contrainte résiduelle à la substance frittée différente du verre et, en outre, la distribution de la contrainte résiduelle est telle que la surface est en compres- sion tandis que l'intérieur est en tension correspondante, et si le produit est une plaque mince, il résiste à l'éclatement thermique, mais s'il a une autre forme sa résistance est moin- dre. La présente invention a été conçue en vue de ces problèmes 02. après des expérimentations et des études. Un premier but de l'invention est de fournir un procédé per- mettant d'augmenter de manière remarquable la résistance à l'é- clatement d'un produit céramique destiné à être utilisé dans les fours. Un second but de l'invention est de fournir un procédé permettant de prolonger la vie utile d'un produit céramique en lui procurant une meilleure résistance à l'éclatement dans un but de stabilisation pendant une longue période d'utilisation. Un troisième but de l'invention est de fournir un procédé per- mettant d'empêcher l'éclatement thermique, procédé qui peut être mis en oeuvre pour un faible cêut pour diversessortes de bri- ques réfractaires. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une brique en argile réfractaire utilisée pour la mise en oeuvre de l'inven- tion; - la figure 2 est une vue de la distribution de températu- res à l'intérieur de la brique; - la figure 3 est une vue en perspective représentant l'ap- parition de fissures dans la brique; - les figures 4 et 5 sont des vues représentant le procédé conforme à l'invention appliquée à une buse pour acier fondu - la figure 6 est une vue en perspective du traitement thermique conforme à l'invention pour la production de briques - la figure 7 est une vue de la distribution de températu- res à l'intérieur de la brique lors du procédé de refroidisse- ment selon la figure 6; - la figure 8 est une vue de la distribution des contrain- tes à l'intérieur de la brique dans un mode de réalisation con- forme à l'invention; - la figure 9 est un graphique de comparaison de l'appari- tion de fissures entre la brique conforme à l'invention et un exemple de comparaison; - la figure 10 est un graphique représentant l'intervalle de températures dans lequel l'invention peut être avantageuse- 03. ment utilisée. Diverses études ont été effectuées sur le mécanisme de créa- tion de l'éclatement thermique du réfractaire. La figure 1 repré- sente la forme d'une brique en argile réfractaire utilisée pour l'expérimentation (dimensions: hauteur = 10 cm, largeur = 18 cm, longueur = 30 cm). Cette brique sert à garnir l'intérieur de fours métallurgiques et, dans les conditions normales de fonc- tionnement, les briques sont chauffées du côté A à environ 20C/mi- nutes. On a constaté que si le côté est chauffé à plus de 50C/min, l'éclatement thermique se produit quel que soit l'état du four, et le fonctionnement du four est par conséquent entravé. A cet égard, B désigne le côté de refroisissement. L'éclatement thermique est engendré du fait que les con- traintes de tension deviennent importantes au niveau de la posi- tion 1 sur la figure 3 à l'intérieur de la brique lorsque la distribution des températures à l'intérieur de la brique devient comme représentée en (b) sur la figure 2 (b désigne la distri- bution de températures produite par une montée de température de 50C/min), et une fissure apparaîtra comme représentée en 2 sur la figure 3. Par contre, lorsque la vitesse de chauffage est faible, la distribution devient comme représentée en (c) sur la figure 2. Lorsqu'on compare la distribution (c) avec la distribution (b), la première est plus faible en ce qui concer- ne le gradient de température et les contraintes thermiques, et par conséquent il ne se produit pas d'éclatement thermique. Ainsi, on constate qu'il est possible d'empêcher de maniè- re appopriée l'éclatement thermique en prévoyant à l'avance une contrainte de compression résiduelle à l'intérieur de la brique et en contrebalançant la contrainte de tension engendrée lors du chauffage par cette contrainte résiduelle. -EXEMPLE 1 On chauffe une brique en argile réfractaire, avant de l'u- tiliser dans l'installation, d'un côté à une vitesse assez fai- pour qu'il ne se produise pas d'éclatement thermique, et on maintient la brique pendant 8 heures avec une température maxi- male du côté chauffé de 12000C et du côté opposé de 200'C. La 04. distribution de températures de la brique change de (a) - (c) - (d) - (e) - (f) sur la figure 2. La contrainte thermique compa- rativement importante à l'intérieur de la brique intervient juste après que la température atteigne (f) de la distribution de températures constante, mais la contrainte thermique est mo- dérée au fur et à mesure du refrittage. Selon l'invention, plus la température du côté chauffé A est-élevée, plus le temps de maintien du traitement thermique est court, et vice versa. La vitesse de chauffage peut donc être plus élevée plus la brique est petite, mais quand il s'a- git d'une brique importante, la vitesse de chauffage doit être plus faible, autrement le produit risque d'éclater lors de son chauffage. On refroidit la brique à une telle vitesse qu'il ne se pro- duit pas d'éclatement. Conformément à l'invention, il est pré- férable de refroidir la brique sensiblement à la même vitesse que son chauffage. Dans le présent exemple, on refroidit la brique à une vitesse de 20C/min. Lorsque la brique a été refroidie à la température ambian- te, la déformation formée par refrittage en soumettant la bri- que au gradient de températures, est emmagasinée comme contrain- te initiale et par conséquent la contrainte résiduelle produit son effet à l'intérieur de la brique. La distribution de la contrainte résiduelle agit de façon que la contrainte dans cha- que partie de la brique soit affaiblie, lorsqu'on maintient le même gradient de températures comme pour le refrittage. C'est à dire que la contrainte de compression résiduelle agit au ni- veau de la partie 1 sur la figure 3, et cette contrainte rési- duelle est contrebalancée par la contrainte de tension qui se produit lors de la montée de la température. Par conséquent, même si la brique est chauffée après le traitement thermique à une vitesse de 50C/min d'un côté et subit la distribution re- présentée sur la figure 2 (b), la contrainte à l'intérieur de la brique est moins importante que celle intervenant dans une brique qui n'a-pas subi un traitement thermique, et l'éclate- ment thermique ne se produit pas. On va décrire ces relations avec plus de détails en se ré- 05. férant à la figure 8. Lorsqu'il se produit une fissure, la dis- tribution de températures est comme (b) sur la figure 2, et la contrainte le long de la ligne médiane de la brique est repré- sentée en (k). La contrainte maximale en tension est de 130kg/cm. Dans cette expérience on suppose qu'il se produit des fissures dans la brique en argile réfractaire au-dessus de 120kg/cn?, et l'apparition de la fissure peut être observée en chauffant à une vitesse de 50C/min. (1)représente une contrainte qui se produit lorsqu'on sup- pose que le refrittage ne s'effectue pas selon le gradient de températures (f) de la figure 2 du traitement thermique, toute- fois, le refrittage a vraiment lieu et cette contrainte devient presque nulle au fur et à mesure du chauffage. (m) est une con- trainte résiduelle qui se forme à la température ambiante après le traitement thermique. (n) est une contrainte produite dans une brique traitée par voie thermique lors d'un chauffage à la vitesse de 5SC/min, donnant la distribution de températures en (b) sur la figure 2, et cette contrainte est égale à la somme de (k) et(m). La con- trainte maximale en tension est de 57kg/cmd et il ne se produit pas de fissure parce que cette valeur est bien inférieure à kg/cmn Lorsqu'on a garni un four avec des briques traitées par voie thermique, il ne se produit pas d'éclatement. Ainsi, il est confirmé que le procédé décrit ci-dessus est utile. Lorsqu'il s'agit d'une brique plus grande, on effectue le traitement thermique à une vitesse de montée en température de 0,50C/min et on obtient le même résultat. EXEMPLE 2 Dans cet exemple, on applique le procédé de l'invention à une buse pour métal fondu,comme le montre la figure 4. Cette buse subit souvent une fissuration juste après être utilisée. La raison en est que la brique est chauffée rapidement par l'a- cier en fusion traversant la buse. La figure 4 (g) représente la distribution de températures de la buse lorsqu'il se produit un éclatement thermique. 06. Pour empêcher l'éclatement thermique, on traite la brique comme suit. On introduit, comme le montre la figure 5, un élé- ment chauffant 4 dans une partie creuse de la buse 3, et on chauffe le côté intérieur 5 de la buse et en même temps on re- froidit son côté extérieur 6, et on maintient la température pour assurer la distribution de températures représentée en (h) sur la figure 4. Il est nécessaire que la buse soit chauffée à une telle vitesse qu'il ne se produit pas d'éclatement thermi- que et elle doit être maintenue à une température suffisamment élevée pour le refrittage. Dans cet exemple, on chauffe labrique à une vitesse comprise entre 1 et 20C/min jusqu'à 1200'C et on maintient pendant 8 heures le côté chauffé à 1200'C et le côté opposé à 200'C. Il est également nécessaire que le refroidisse- ment s'effectue à une telle vitesse qu'il ne se produise pas d'éclatement thermique. Dans cet exemple, la vitesse de refroi- dissement est de 30C/min. Dans la buse refroidie à la température ambiante, la con- trainte résiduelle agit de telle façon que la contrainte en- gendrée dans chaque partie de la buse soit faible lorsque le gradient de températures devient comme représenté en (h) sur la figure 4. Par conséquent, lorsque la distribution de tempéra- tures de la buse devient comme représentée en (g) sur la figure 4, la buse traitée par voie thermique présente une contrainte inférieure à celle d'une buse non traitée. Il ne se produit donc pas d'éclatement thermique. EXEMPLE 3 Dans les exemples 1 et 2, on soumet le produit fini à un traitement thermique. Dans cet exemple, une contrainte rési- duelle était assurée lors de la fabrication du produit. Le but et les conditions d'utilisation de cet exemple sont les mêmes que pour l'exemple 1. C'est à dire que lors de la fabrication de la brique, de l'air froid est fourni sous un plateau de four 7 comme le montre la figure 6 lors de l'étape de refroi- dissement après une opération de cuisson. La température du plateau de four. 7 est inférieure à l'atmosphère régnant à l'in- térieur du four. La chaleur s'échappe du côté inférieur de la 07. brique 8, et la température de la surface supérieure est supé- rieure à celle de la surface inférieure. La figure 7 (i) repré- sente les températures sur la surface supérieure, (j) les tem- pératures sur la surface inférieure. Dans cet exemple, un brûleur peut être utilisé pour commu- niquer un gradient de températures à la brique. Un tel produit présente une contrainte résiduelle équiva- lente à celle de la brique traitée par voie thermique dans 1' EXEMPLE 1 et, par conséquent, la même résistance à l'éclate- ment peut être obtenu. Comme on le voit dans cet exemple, le traitement thermique conforme à l'invention peut être appliqué à diverses briques, et par conséquent cet exemple est plus pratique comparativement aux EXEMPLES 1, 2 et 4 (décrit ci-après), et avantageux quant à son côut, et dans cet exemple la brique était marquée en haut et en bas. EXEMPLE 4 Dans cet exemple, on effectue le traitement thermique con- forme à l'invention après la mise en place des briques. Les briques en argile réfractaires sont incorporées dans un four électrique expérimental et chauffées à une vitesse de 50C/min jusqu'à une température de 13000C, cette température étant maintenue pendant 20 heures après quoi on refroidit à une vites- se de 5SC/min. Pendant le maintien à 13000C, le gradient de températures s'établit dans les briques comme pour l'EXEMPLE 1 ainsi que la contrainte résiduelle. Ainsi, ce procédé permet d'atteindre le but de l'invention. La figure 9 représente une comparaison entre une brique traitée par voie thermique selon l'invention (exemple 1) et des briques non traitées quant à l'instant d'apparition d'une fissure. A à C concerne les briques non traitées, D et E les briques traitées. Il ressort de cette comparaison que la résis- tance à l'éclatement thermique a. beaucoup augmentée grâce à la présente invention. Dans le traitement thermique conforme à l'invention il est nécessaire que la température de la brique soit supérieure à 0. la température à laquelle s'effectue le refrittage et dans le cas de la brique en argile réfractaire, cette température est d'environ 800'C. L'intervalle préféré de températures est repré- senté sur la figure 10 pour la brique réfractaire. La présente invention n'est pas bien entendu limitée à des briques en argile réfractaire, et peut s'appliquer, bien entendu, à des produits céramiques qui risquent de subir un éclatement thermique. Dans un tel cas, le gradient de températures, entre autres, pour réaliser la contrainte résiduelle désirable est fonction de la propriété de la substance utilisée. 09. REVENDICATIONS 1. Procédé permettant d'empêcher l'éclatement thermique d'un produit céramique, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer ou à refroidir le produit céramique sur un côté afin de communiquer un gradient de températures pour provoquer un frittage de façon à assurer à l'avance une contrainte résiduelle à son intérieur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer extérieurement et à refroidir intérieurement un produit céramique cylindrique. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à refroidir un côté du produit céramique lors de sa fabrication, l'étape de refroidissement s'effectuant après une étape de cuisson. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer à l'aide d'un brûleur le produit céramique lors de sa fabrication afin d'assurer un frittage pour lui com- muniquer un gradient de températures. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer les produits céramiques sur un côté après leur installation. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les produits céramiques sont des briques en argile réfractaires. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer le produit cérami- que à une vitesse de chauffage comprise entre 0,50C/min et 50C/ min. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il consiste à refroidir le produit cérami- que à une vitesse sensiblement égale à la vitesse de chauffage.