L'analyse des dommages réfractaires dans les piliers de goulottes de fours à coke de trempe sèche indique que l'amélioration de la résistance à la flexion et aux chocs thermiques des matériaux réfractaires est un moyen efficace de prolonger leur durée de vie. L'introduction de fibres d'acier dans les pièces moulées en carbure de silicium mullite offre renforcement et ténacité, prolongeant ainsi leur durée de vie. Le type de liant est crucial pour la construction et les performances des bétons réfractaires. Cet article examine les effets de trois liants -ciment d'aluminate de calcium pur (Secar 71), sol de silice et alumino-poudre de gel de silice- sur la structure et les propriétés des bétons pour déterminer le liant approprié.
Propriétés physiques générales
Après séchage à 110 degrés et traitement thermique à 1 000 degrés, l'échantillon lié au ciment d'aluminate de calcium-avait la porosité apparente la plus faible et la densité apparente la plus élevée, indiquant que le ciment-liééléments moulés en carbure de siliciumpossède les meilleures propriétés d'écoulement, facilitant la formation des échantillons. L'échantillon lié au ciment d'aluminate de calcium-a subi une déshydratation significative à 850 degrés, ce qui a entraîné une augmentation de la porosité apparente et une diminution de la densité apparente. Après traitement thermique à 1000 degrés, l’échantillon fritté et rétréci, augmentant ainsi sa densité.
La résistance à la flexion et à la compression à température ambiante des échantillons contenant différents liants augmentait avec l'augmentation de la température de traitement thermique. Après séchage à 110 degrés, l'échantillon lié avec du ciment d'aluminate de calcium avait la résistance à la flexion la plus élevée, à 7,5 MPa, tandis que l'échantillon lié avec de la poudre de gel d'alumine-de silice avait la résistance la plus faible. Cela indique que la réaction chimique entre le ciment et l'eau se solidifie et durcit, ce qui entraîne une résistance maximale, ce qui est le plus propice à la sécurité de la construction des bétons réfractaires. Après traitement thermique à 850 degrés, la résistance à la flexion à température ambiante des échantillons avec les trois liants ne différait pas de manière significative. L'échantillon lié avec du ciment d'aluminate de calcium présentait la résistance à la compression à température ambiante la plus élevée, soit 53,6 MPa. Après un traitement thermique à 1 000 degrés, l'échantillon lié avec du ciment d'aluminate de calcium avait la résistance à la flexion à température ambiante la plus élevée, à 14,3 MPa, tandis que l'échantillon lié avec de la poudre de gel de silice d'alumine avait la résistance à la compression à température ambiante la plus élevée, à 70,2 MPa. Cela indique que les phases monoaluminate de calcium (CA), dialuminate de calcium (CA2) et dodécaluminate de calcium (C12A7) produites par l'hydratation du ciment d'aluminate de calcium possèdent une force de liaison élevée. Les nano-Al2O3 et SiO2 contenus dans la poudre de gel d'alumino-silice réagissent pour former une phase de liaison mullite, ce qui peut améliorer la résistance du moulage en carbure de silicium.
Distribution de la taille des pores
Après traitement thermique à 1 000 degrés, la taille moyenne des pores des échantillons liés avec du ciment d'aluminate de calcium (groupe A) était de 0,23 μm, avec un diamètre médian de 0,74 μm. La distribution de la taille des pores était la plus concentrée (0,01 µm à 2 µm). Les échantillons liés au sol de silice (groupe B) présentaient la plus petite taille moyenne de pores, 0,13 µm, avec un diamètre médian de 0,40 µm, et une distribution de tailles de pores plus large (0,01 µm à 4 µm). Les échantillons liés avec de la poudre de gel d'alumino-silice (groupe C) avaient la plus grande taille moyenne de pores, 0,28 μm, avec un diamètre médian de 0,77 μm. La distribution de la taille des pores variait de 0,01 µm à 6 µm, mais la distribution de la taille des pores était concentrée dans la plage de 0,01 à 1 µm.
Résistance à la flexion à haute-température
L'échantillon lié au sol de silice-avait la résistance à la flexion à haute température-la plus élevée, à 13,7 MPa. Les échantillons liés au ciment-et à l'alumine-poudre de gel de silice-avaient des résistances à la flexion à haute-température inférieures, à 7,8 MPa et 8,3 MPa, respectivement. En effet, le nano-SiO2 dans le sol de silice forme un réseau de silicium-oxygène au sein de l'échantillon et est très réactif. À 1 000 degrés, il réagit facilement avec la micropoudre active -Al2O3 pour former un réseau de mullite, améliorant ainsi la résistance de l'échantillon. La poudre de gel de silice d'alumine - contient moins de SiO2, de sorte que le réseau de mullite formé dans l'échantillon à 1 000 degrés n'est pas aussi résistant que celui de l'échantillon lié au sol de silice -, ce qui entraîne une résistance à la flexion à haute température - inférieure. Le ciment d'aluminate de calcium contient une certaine quantité de CaO, qui réagit facilement avec SiO2 et Al2O3 dans le matériau à haute température pour former des phases à bas point de fusion-- telles que 3CaO×Al2O3 et 2CaO×Al2O3×SiO2. Ces phases deviennent alors liquides à haute température, réduisant la résistance à la flexion à haute température de l'échantillon.
Stabilité aux chocs thermiques
L'échantillon lié au sol de silice-présentait la résistance résiduelle à la flexion la plus élevée, à 7,8 MPa. L'échantillon lié avec de la poudre de gel d'alumine-silice présentait la résistance résiduelle à la flexion la plus faible, à 5,3 MPa. L'échantillon lié avec du ciment d'aluminate de calcium présentait à la fois une résistance résiduelle à la flexion et une rétention de résistance à la flexion élevées. La résistance supérieure aux chocs thermiques des échantillons liés au ciment d'aluminate de calcium-et au sol de silice-peut être due à leur distribution concentrée de la taille des pores et à leur structure de réseau de silicium-oxygène, respectivement. Dans les matériaux réfractaires multiphasés hétérogènes, les différences de coefficients de dilatation thermique entre les phases provoquent la formation de nombreuses microfissures dans les bétons en carbure de silicium lors d'un décalage de dilatation thermique. Ces microfissures absorbent non seulement l'énergie de déformation élastique, réduisant ainsi la force motrice de la croissance primaire des fissures, mais dispersent également les contraintes concentrées au fond de la fissure, dissipant ainsi l'énergie nécessaire à la propagation des fissures et améliorant la résistance aux chocs thermiques du matériau.
Résistance à l'usure
Des tests d'abrasion ont été réalisés sur des échantillons avec différents liants après frittage à 1000 degrés. Les résultats ont montré que les échantillons liés au ciment d'aluminate-et à l'alumino-poudre de gel de silice-liés présentaient moins d'usure, l'échantillon lié au ciment d'aluminate-présentant l'usure la plus faible, à 3,75 cm³, et l'échantillon lié à la silice colloïdale-présentant l'usure la plus élevée, à 7,58 cm³. Pour les matériaux réfractaires hétérogènes constitués d'agrégats et de matrice, l'usure par érosion élimine généralement d'abord la matrice, laissant les particules saillantes et isolées ressemblant à des îlots - comme cible principale de l'usure. Ces particules tombent alors, formant des fissures et endommageant encore davantage la matrice environnante. Les échantillons liés au ciment d'aluminate-présentaient une densité plus élevée, formant des liaisons Si-O-Al entre la poudre de SiO₂ et l'hydrate de ciment, ce qui entraînait une liaison matricielle étroite et une meilleure résistance à l'usure. Dans les échantillons liés d'alumino-poudre de gel de silice-, le nano-Al₂O₃ a réagi avec SiO₂ pour former une matrice de mullite, améliorant ainsi la résistance à l'usure. Les échantillons liés à la silice colloïdale- présentaient de nombreuses microfissures dans la matrice, les rendant moins résistants à l'usure par érosion.
Analyse microstructurale
Après un traitement thermique à 1 000 degrés, les échantillons liés au ciment d'aluminate de calcium-ont présenté la liaison la plus étroite entre la matrice et l'agrégat, contribuant ainsi à leur densité, leur résistance et leur résistance à l'usure plus élevées. De plus, la matrice contenait de nombreuses microfissures, ce qui se traduisait par une distribution concentrée de la taille des pores et une excellente résistance aux chocs thermiques. Les échantillons liés au sol de silice-présentaient de nombreux vides et microfissures, contribuant à leur porosité apparente élevée, à leur large répartition de la taille des pores et à leur faible résistance à l'usure. De plus, la présence d'une grande structure de réseau de silice-oxygène a contribué à leur haute résistance à la flexion à haute température-et à leur excellente résistance aux chocs thermiques. Les échantillons liés à l'alumine-poudre de gel de silice- présentaient une meilleure liaison entre l'agrégat et la matrice, avec un grand réseau de mullite en colonnes dans la matrice, ce qui se traduisait par des propriétés mécaniques et une résistance à l'usure supérieures.
