Un four de fusion du verre est un équipement thermique servant à fondre le verre fabriqué à partir de matériaux réfractaires. Son efficacité et sa durée de vie dépendent largement de la variété et de la qualité des matériaux réfractaires. Le développement des techniques de production du verre repose en grande partie sur l'amélioration des techniques de fabrication des réfractaires. Par conséquent, le choix et l'utilisation judicieux des matériaux réfractaires constituent un aspect essentiel de la conception des fours de fusion du verre. Pour ce faire, il est indispensable de maîtriser deux points : d'une part, les caractéristiques et les zones d'application du matériau réfractaire sélectionné ; d'autre part, les conditions de service et le mécanisme de corrosion de chaque composant du four.
Briques de corindon fonduesL'alumine est fondue dans un four à arc électrique, puis coulée dans un moule de forme spécifique. Après recuit et maintien en température, elle est transformée pour obtenir le produit fini. Le procédé de fabrication général consiste à utiliser de l'alumine calcinée de haute pureté (supérieure à 95 %) et une faible quantité d'additifs. Ces ingrédients sont introduits dans le four à arc électrique et coulés dans des moules préfabriqués après fusion à une température élevée supérieure à 2 300 °C. Après recuit, la pièce est démoulée et transformée en produit fini conforme aux exigences après un usinage à froid précis, un pré-assemblage et un contrôle qualité.
Les briques de corindon fondu se divisent en trois types selon la forme cristalline et la proportion d'alumine : les briques de corindon α sont principalement composées d'α-Al₂O₃ ; les briques de corindon αβ sont composées majoritairement d'α-Al₂O₃ et de β-Al₂O₃ en proportions équivalentes ; les briques de corindon β sont principalement composées de β-Al₂O₃. Les briques de corindon fondu les plus couramment utilisées dans les fours de fusion du verre flotté sont les briques de corindon αβ et β. Cet article porte sur les propriétés physico-chimiques des briques de corindon αβ et β et sur leur application dans les fours de fusion du verre flotté.
1. Analyse des performances des briques de corindon fondu
1. Brique de corindon αβ fondue
Les briques de corindon αβ fondu sont composées d'environ 50 % d'α-Al₂O₃ et de β-Al₂O₃. Ces deux cristaux sont imbriqués pour former une structure très dense, conférant une excellente résistance à la corrosion par les alcalis forts. La résistance à la corrosion à haute température (supérieure à 1350 °C) est légèrement inférieure à celle des briques AZS fondues, mais à des températures inférieures à 1350 °C, sa résistance à la corrosion par le verre en fusion est équivalente. L'absence de Fe₂O₃, de TiO₂ et d'autres impuretés explique la très faible proportion de phase vitreuse dans la matrice. Le risque de formation de corps étrangers, tels que des bulles, au contact du verre en fusion est ainsi considérablement réduit, préservant la matrice vitreuse de toute contamination.
Les briques de corindon αβ fondu sont denses en cristallisation et présentent une excellente résistance à la corrosion par le verre en fusion en dessous de 1350 °C ; elles sont donc largement utilisées dans le bain de fusion et au-delà des fours de fusion du verre, généralement dans les canaux, les briques de lèvre, les briques de porte, etc. Les meilleures briques de corindon fondu au monde sont fabriquées par le japonais Toshiba.
1.2 Brique de corindon β fondue
Les briques de β-corindon fondu sont composées à près de 100 % de β-Al₂O₃ et présentent une structure cristalline en plaquettes de β-Al₂O₃. De grande taille, elles sont moins résistantes. En revanche, elles offrent une excellente résistance à l'écaillage et, surtout, une résistance extrêmement élevée à la corrosion par les vapeurs alcalines concentrées. C'est pourquoi elles sont utilisées dans la partie supérieure des fours de fusion du verre. Cependant, chauffées dans une atmosphère faiblement alcaline, elles réagissent avec le SiO₂ et le β-Al₂O₃ se décompose facilement, provoquant un retrait volumique et l'apparition de fissures. Leur utilisation est donc réservée aux endroits éloignés des sources de matières premières verrières.
1.3 Propriétés physiques et chimiques des briques de corindon αβ et β fondues
La composition chimique des briques de corindon α-β et β fondues est principalement Al 2 O 3 , la différence réside principalement dans la composition de la phase cristalline, et la différence de microstructure conduit à la différence dans les propriétés physiques et chimiques telles que la densité apparente, le coefficient de dilatation thermique et la résistance à la compression.
2. Application des briques de corindon fondu dans les fours de fusion du verre
Le fond et les parois de la piscine sont en contact direct avec le liquide vitreux. Pour toutes les parties en contact direct avec ce liquide, la propriété la plus importante du matériau réfractaire est sa résistance à la corrosion, c'est-à-dire l'absence de réaction chimique entre le matériau réfractaire et le liquide vitreux.
Ces dernières années, lors de l'évaluation des indicateurs de qualité des matériaux réfractaires fondus en contact direct avec le verre en fusion, outre la composition chimique, les indicateurs physico-chimiques et la composition minérale, les trois indicateurs suivants doivent également être évalués : l'indice de résistance à l'érosion du verre, l'indice de bulles précipitées et l'indice de cristallisation précipitée.
Avec des exigences accrues en matière de qualité du verre et l'augmentation de la capacité de production des fours, l'utilisation de briques réfractaires électriques se généralisera. Les briques réfractaires couramment utilisées dans les fours de fusion du verre sont celles de la série AZS (Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂). À une température supérieure à 1350 °C, la résistance à la corrosion des briques AZS est 2 à 5 fois supérieure à celle des briques αβ-Al₂O₃. Les briques réfractaires αβ sont composées de fines particules d'α-alumine (53 %) et de β-alumine (45 %) étroitement alternées, contenant une faible quantité de phase vitreuse (environ 2 %). Ces particules remplissent les pores entre les cristaux. De haute pureté, elles peuvent être utilisées comme briques de paroi et de fond de bassin de refroidissement, ainsi que comme briques de jointoiement, etc.
La composition minérale des briques de corindon αβ fondues ne contient qu'une faible quantité de phase vitreuse, qui ne s'infiltre pas et ne contamine pas le verre liquide pendant son utilisation. Elles présentent une bonne résistance à la corrosion et une excellente résistance à l'usure à haute température (inférieure à 1350 °C). Elles constituent la partie refroidie du four de fusion du verre. Ce matériau réfractaire est idéal pour les parois, les fonds et les canaux des fours de fusion du verre flotté. Dans les projets d'ingénierie de fours de fusion du verre flotté, les briques de corindon αβ fondues sont utilisées pour les parois du bassin de refroidissement. Elles servent également pour les revêtements et les joints de recouvrement dans cette même section.
La brique de corindon β fondu est un produit blanc composé de gros cristaux de β-Al₂O₃, contenant 92 à 95 % d'Al₂O₃ et moins de 1 % de phase vitreuse. Sa résistance structurelle est relativement faible en raison de la faible densité de son réseau cristallin. Sa porosité apparente est inférieure à 15 %. L'Al₂O₃ étant saturé en sodium au-dessus de 2000 °C, il est très stable face aux vapeurs alcalines à haute température et présente une excellente stabilité thermique. Cependant, au contact de SiO₂, le Na₂O contenu dans le β-Al₂O₃ se décompose et réagit avec le SiO₂, transformant facilement le β-Al₂O₃ en α-Al₂O₃. Il en résulte un important retrait volumique, pouvant provoquer des fissures et des dommages. Par conséquent, il ne convient qu'aux superstructures éloignées des poussières volantes de SiO2, telles que la superstructure du bassin de travail d'un four de fusion du verre, le bec verseur à l'arrière de la zone de fusion et son parapet adjacent, le nivellement des petits fours et autres parties.
Comme elle ne réagit pas avec les oxydes de métaux alcalins volatils, aucune matière fondue ne risque de s'écouler de la surface de la brique et de contaminer le verre. Dans le four de fusion du verre flotté, le rétrécissement soudain de l'entrée du canal d'écoulement de la partie refroidissement favorise la condensation de vapeurs alcalines ; c'est pourquoi ce canal est constitué de briques β fondues, résistantes à la corrosion par la vapeur alcaline.
3. Conclusion
Grâce à ses excellentes propriétés de résistance à l'érosion du verre, à la formation de mousse et à la corrosion par les pierres, et notamment à sa structure cristalline unique, le corindon fondu pollue très peu le verre en fusion. Il trouve d'importantes applications dans les bandes de clarification, les sections de refroidissement, les canaux de coulée, les petits fours et autres composants.
Date de publication : 5 juillet 2024