Brique de carbone de magnésieest le choix réfractaire dominant pour les revêtements de fours à arc électrique et de fours à oxygène de base - et ce depuis des décennies. Sa combinaison d'une teneur élevée en MgO, du comportement non mouillant du graphite envers le métal en fusion et les scories et de la conductivité thermique qui maintient la brique au frais grâce à l'aide des panneaux d'eau en fait le matériau éprouvé le plus fiable pour les conditions à l'intérieur d'une cuve de fabrication d'acier.
Mais « dominant » ne signifie pas uniforme. Spécifier la même brique MgO-C dans chaque zone d'un EAF ou d'un BOF, ou l'utiliser par défaut sans examiner les exigences en carbone, produit des revêtements qui soit échouent prématurément dans les zones qui en avaient besoin de plus, soit coûtent beaucoup plus que nécessaire dans les zones qui en avaient moins besoin. Et dans la production d'acier propre, où le captage de carbone du réfractaire contamine la chaleur, la brique MgO-C standard n'est pas seulement sous-optimale -, c'est le mauvais matériau.
Pourquoi le carbone graphite est la variable clé, pas le MgO
La plupart des ingénieurs spécifiant la brique MgO-C se concentrent principalement sur la teneur et la pureté du MgO. La qualité du MgO est importante, en particulier pour la résistance aux scories : - la magnésie fondue d'une pureté supérieure à 97 % de MgO offre une meilleure résistance à la pénétration des scories que la magnésie frittée à la même pureté nominale. Mais la variable qui détermine le plus directement le comportement d’une brique dans chaque zone d’un récipient sidérurgique est la teneur en carbone, et elle influence simultanément les performances dans deux directions.
Le graphite dans la brique MgO-C remplit plusieurs fonctions. Sa caractéristique non mouillante envers l'acier fondu et les scories empêche la pénétration dans la microstructure de la brique. - les scories qui ne peuvent pas mouiller la surface ne peuvent pas dissoudre les grains de MgO derrière elles. Sa conductivité thermique élevée crée un gradient thermique abrupt à travers la brique, maintenant la température de la face chaude en dessous de la température à laquelle les scories dissoudraient rapidement le MgO. Et sa présence sous forme de phase continue dans la matrice de brique supprime la propagation des fissures sous choc thermique -. La structure cristalline flexible du graphite absorbe l'énergie de déformation qui briserait une céramique purement oxydée.
Une teneur plus élevée en carbone amplifie les trois effets. Une brique à 18 % de carbone résiste plus efficacement à la pénétration des scories, maintient plus efficacement le gradient thermique et absorbe mieux les chocs thermiques que la même brique à 10 % de carbone. Mais il perd également plus de chaleur à travers la coque du récipient -, ce qui est important pour l'efficacité énergétique et la température de la coque - et s'oxyde plus rapidement dans les zones où l'atmosphère du four s'oxyde pendant les périodes de chaleur-. L'oxydation du carbone produit du CO gazeux dans la brique, qui s'échappe et laisse derrière lui une couche décarburée et affaiblie à la surface de la face chaude. Une brique MgO-C décarburée se comporte de plus en plus comme une brique de magnésie à faible résistance- à mesure que le front de carbone se retire vers l'intérieur.
C'est pourquoi la sélection de la teneur en carbone est spécifique à une zone-et non à l'ensemble du four-.
Zone-par-Sélection de carbone et de MgO de zone
Ligne de scories EAF et points chauds
La ligne de laitier - la zone en contact avec la surface du bain de laitier - et les points chauds directement en face des électrodes sont les positions d'usure les plus élevées dans un EAF. Les températures atteignent 1 600 degrés à 1 700 degrés, la chimie des scories est agressive (généralement basique, rapport CaO/SiO₂ supérieur à 2,5) et le rayonnement de l'arc frappe directement les briques à points chauds. Ces zones nécessitent la teneur en carbone la plus élevée dans le four - généralement 16 à 20 % - combinée à de la magnésie fondue supérieure à 97 % de MgO. La teneur élevée en graphite est ici essentielle car l'effet de gradient thermique protège la surface de la brique de la dissolution des scories, et le comportement non mouillant du graphite au niveau de la face chaude empêche l'infiltration des scories pendant la chaleur. Les ajouts d'antioxydants - aluminium, silicium ou carbure de bore - sont standard dans ces qualités pour ralentir l'oxydation du carbone pendant les périodes d'absence de scories oxydantes -.
Baril et paroi latérale de l'EAF au-dessus de la ligne de laitier
La zone du baril au-dessus de la ligne de scories connaît une température plus basse que la ligne de scories et un contact moins direct avec les scories. La teneur en carbone chute à 12–16 % dans cette zone -, suffisante pour maintenir la résistance aux chocs thermiques et le comportement non-mouillant, mais inférieure aux spécifications de la ligne de laitier pour réduire les pertes de chaleur à travers la paroi latérale du récipient et l'exposition à l'oxydation. La magnésie frittée à 95–96 % de MgO est souvent adéquate ici à la place de la magnésie fondue de première qualité, qui est justifiée au niveau de la ligne de laitier mais ajoute des coûts inutiles dans le baril.
Zones de canon et de tourillon BOF
Dans les fours à oxygène basiques, la zone du baril s'étend sur toute la hauteur du récipient entre la plateforme de charge et la conduite de laitier. Pendant le coup d'oxygène, le baril BOF subit des cycles thermiques intenses et des éclaboussures de scories. La teneur en carbone dans cette zone est généralement de 12 à 16 %, avec des ajouts d'antioxydants pour résister à l'atmosphère oxydante de la lance à oxygène. La zone de tourillon - est structurellement la position la plus importante car elle supporte la charge de rotation du navire - utilise des briques avec une pureté de MgO plus élevée et une teneur en carbone contrôlée pour équilibrer la résistance chimique et l'intégrité mécanique. La fissuration au niveau du tourillon est une défaillance structurelle, pas seulement une défaillance d'usure, c'est pourquoi cette zone justifie des spécifications distinctes de celles du fût plutôt qu'une application globale de la qualité de la ligne de laitier.
Foyer et fond
Les briques du foyer d'un EAF se trouvent sous le bain d'acier et subissent un contact soutenu avec le métal en fusion entre 1 550 et 1 650 degrés. MgO-C est utilisé ici mais à une teneur en carbone inférieure à celle de la paroi latérale - généralement 8 à 12 % - car l'exigence de non-mouillage contre l'acier plutôt que les scories n'exige pas la fraction de graphite la plus élevée, et l'intégrité structurelle du foyer sous le poids total du bain d'acier est une contrainte de conception plus importante que la résistance aux scories. Certains fonds BOF utilisent des mélanges de projection à base de magnésie- plutôt que des briques dans cette position, corrigeant le fond entre les campagnes à mesure qu'il s'érode plutôt que de le regarnir à chaque retournement de campagne.
Quand MgO-C n'est pas le bon choix : production d'acier à très-faible teneur en carbone
La limitation fondamentale de la brique de carbone-magnésie est inscrite dans son nom : elle contient du carbone. Dans un EAF ou une poche produisant des aciers à très faible teneur en carbone - qualités électriques, des aciers d'emboutissage profond pour automobiles - et certaines nuances d'acier inoxydable où le carbone doit être inférieur à 0,003 % -, chaque surface réfractaire en contact avec le bain d'acier est une source potentielle de carbone. Le carbone est transféré de la brique à la masse fondue par dissolution directe et réduction du gaz CO à l'interface de la brique en acier-. La brique MgO-C standard avec 14 % de carbone dans une ligne de laitier de poche contribue à la capture mesurable du carbone aux calories traitées dans cette poche.
La réponse de l’industrie à cette contrainte a suivi deux voies. Les qualités de brique - MgO-C à faible teneur en carbone avec une teneur en carbone réduite à 5 à 8 % grâce à la substitution de certains graphites par des additifs sans -oxydes - réduisent le transfert de carbone tout en conservant une partie de la résistance aux scories et du comportement aux chocs thermiques du MgO-C. La teneur réduite en graphite augmente la vulnérabilité de la brique à la pénétration des scories et à la fissuration par choc thermique, qui est compensée par une pureté plus élevée du MgO et des antioxydants plus agressifs. Pour les lignes de scories de poche dans la production d'acier propre, un MgO-C à faible teneur en carbone à 5–8 % de graphite est la spécification standard.
Pour les applications d'acier propre les plus exigeantes, - aciers à très faible-dégazage sous vide à faible teneur en carbone et les positions où même le MgO-C à faible teneur en carbone produit une capture inacceptable du carbone - spinelle de magnésie oubrique d'alumine de magnésiesans carbone, le risque de contamination par le carbone est nul. Ces matériaux sacrifient la résistance aux scories et la tolérance aux chocs thermiques du MgO-C, ce qui est acceptable dans les positions spécifiques du récipient où ils sont utilisés, mais ne constituent pas un substitut général au revêtement complet.
La question antioxydante
Chaque publicitéBrique MgO-CLa qualité comprend des additifs antioxydants - composés métalliques ou carbures qui réagissent préférentiellement avec l'oxygène à haute température, protégeant la phase graphite de l'oxydation. Le choix de l'antioxydant détermine à quelle température la protection s'active et quels produits d'oxydation restent dans la brique.
La poudre d'aluminium s'active à une température relativement basse (au-dessus de 800 degrés) et forme Al₂O₃ in situ, qui remplit les pores et ralentit la diffusion de l'oxygène vers le graphite. C'est l'antioxydant le plus courant dans les qualités standard de MgO-C. Le silicium s'active à une température légèrement plus élevée et forme du SiC puis du SiO₂, ce qui crée une phase vitreuse visqueuse qui scelle la zone décarburée. La combinaison d'antioxydant composite Al et Si - Al-Si - offre la plage de températures de protection la plus large et constitue la préférence actuelle de l'industrie pour les qualités de scories EAF et BOF.
Le carbure de bore (B4C) offre la protection contre l'oxydation la plus efficace à des températures supérieures à 1 500 degrés, où les ajouts d'Al et de Si sont déjà consommés. Il est ajouté en petites proportions (généralement 1 à 3 %) aux côtés du principal antioxydant plutôt que comme seul additif, et son coût limite son utilisation aux qualités premium dans les positions de service les plus oxydantes.
Par où commencer lors de la spécification d'un nouveau projet
La première question n'est pas "quelle qualité de MgO-C ?" Il s'agit de « quelles zones contrôlent la durée de vie du revêtement et quel est le mécanisme de défaillance dans chacune ? » L'érosion des lignes de scories et la perte de points chauds sont des défaillances dues à la chimie-pour lesquelles une pureté de MgO et une teneur en carbone plus élevées sont la réponse appropriée. L'oxydation du carbone dans le baril pendant les périodes-de chauffage est un échec dû à l'oxydation-où la sélection d'antioxydants et la réduction de la teneur en carbone peuvent être plus efficaces qu'une pureté plus élevée du MgO. La fissuration par choc thermique dans le tourillon est une défaillance structurelle dans laquelle la teneur en graphite et la distribution granulométrique du MgO déterminent la solution, et non le niveau de pureté du MgO.
Un revêtement qui utilise une seule qualité dans tout le navire traite tous les modes de défaillance comme équivalents alors qu'ils ne le sont pas. La différence de coût entre la qualité de ligne de scories de magnésie fondue de qualité supérieure et la qualité de baril de magnésie frittée standard est substantielle - appliquée à 30 à 40 % du volume du récipient qui est la zone du baril plutôt que la ligne de scories, cette différence est significative sur le budget réfractaire d'une campagne.
Pour la sélection de la qualité des briques MgO-C par zone de four, la spécification de la teneur en carbone pour les applications en acier propre ou la fourniture par projet de briques de carbone de magnésie pour les revêtements EAF, BOF et de poche,contacter Thermaxcel Réfractaireavec votre type de four, les dimensions de votre cuve et vos exigences en matière de qualité d'acier.
