Etude du phénomène de bullage du verre en contact des matériaux réfractaires

Study of the blistering phenomenon of molten glass in contact with refractories

• Auteur / Autrice : Julien Hell
• Direction : Marlu César Steil, Isabelle Cabodi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 11/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (Grenoble ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Céline Darie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Gaubil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Marie Geffroy, Jorge Frade

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verre -- Fabrication

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Réfractaire

Bullage

Verre

Refractory

Blistering

Glass

Résumé

Les interactions entre le verre fondu et les réfractaires dans l'industrie verrière ont un impact important sur la qualité finale du verre. L'une des conséquences de ces interactions est le phénomène de bullage au sein du verre fondu. Il a été montré par divers auteurs que la formation de bulles résulte de réactions électrochimiques entre le verre et le matériau réfractaire tapissant les parois du four. Cependant, les mécanismes proposés reposent sur des hypothèses discutables. L'objectif de cette étude est de définir les paramètres clés du processus de bullage et de proposer un mécanisme de bullage du verre au contact de réfractaires à base de zircone fondue.Des caractérisations physico-chimiques et électriques des réfractaires étudiés ont été réalisées au cours de cette thèse. En plus des tests standards réalisés, des expériences XANES pour déterminer l'état redox des réfractaires et des mesures de spectroscopie d'impédance en fonction de la température et de la pression partielle d'oxygène ont été effectuées afin d’estimer les conductivités ioniques et électroniques partielles. Les réfractaires étudiés étant des matériaux composites biphasés à base de zircone cristallisée et d'une phase vitreuse, des mesures de tomographie aux rayons X ont permis de reconstituer la distribution des deux phases afin d'évaluer leur éventuelle percolation et leur tortuosité en trois dimensions.Des montages originaux ont été fabriqués au cours de ce travail pour des études in-situ du phénomène de bullage, comme des montages de perméation fonctionnant à haute température (jusqu'à 1500°C), couplés à un spectromètre de masse pour étudier le transport à travers le réfractaire tout en permettant l'étude temporelle du bullage ; ainsi qu’un montage de goutte posée pour estimer la durée de vie de la bulle.

The interactions between glass melts and refractories in glass industry have a large impact on the final glass quality. One of the consequences of these interactions is the blistering phenomenon within the glass melt. It has been shown by various authors that the blistering results from electrochemical reactions. However, the proposed mechanisms are based on assumptions that appear highly questionable. The objective of this study is to define the key parameters of the blistering process and to propose a mechanism for blistering of glass melts in contact with fused-cast zirconia-based refractories.Physico-chemical and electrical characterizations of the studied refractories were performed during this thesis. Apart from the standard tests, XANES experiments to determine the redox state of the refractories and impedance spectroscopy measurements as functions of temperature and oxygen partial pressure to estimate the partial ionic and electronic conductivities were carried out. The studied refractories being bi-phasic composite materials composed of crystallized zirconia and a vitreous phase, X-ray tomography measurements were used to reconstruct the distribution of the two phases to assess their possible percolation and tortuosity in three dimensions.Original set-ups were realized during this work for in-situ studies of the blistering phenomenon like permeation set-ups working at temperature up to 1500°C coupled to mass spectrometer to study the transport through the refractory and allowing the temporal study of the blistering process, and sessile drop set-up to estimate the lifetime of the bubble.