Propriétés thermo-physiques de matériaux réfractaires isolants

Thermo-physical properties of insulating refractory materials

• Auteur / Autrice : Diana Vitiello
• Direction : David Stanley Smith, Nicolas Tessier-Doyen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 29/04/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques (Limoges ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Foucaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvie Foucaud, Agnès Delmas, Jacques Poirier, Thorsten Tonnesen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Agnès Delmas, Jacques Poirier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants

Corrosion

Microstructure (physique)

Propriétés thermiques

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Propriétés thermiques

Matériaux réfractaires isolants

Contrainte de compression

Joints

Corrosion

Poche d’acier

Thermal properties

Insulating refractory materials

Compression load

Joints

Corrosion

Steel ladle

Résumé

Les performances des matériaux réfractaires isolants sont fortement dépendantes de leurs propriétés thermophysiques. La première partie de cette thèse est consacrée à l’évaluation de la conductivité thermique, qui est un paramètre important dans la modélisation du transfert de chaleur à travers le revêtement d’une poche d’acier. Les méthodes expérimentales utilisées ont révélé des différences entre les valeurs mesurées, qui peuvent être réduit d’environ 10% pour une direction du flux de chaleur considérée, dès lors que les pertes de chaleur, l’humidité, l’anisotropie et l’hétérogénéité sont prises en compte. La conductivité thermique est donc significativement influencée par la microstructure. Étant donné que les réfractaires industriels sont des matériaux multi-phasés complexes, une approche permettant de mieux appréhender leur comportement consiste à étudier des matériaux modèles de microstructure voisine mais simplifiée, afin d’identifier la contribution de paramètres tels que la porosité, les joints de grains, la taille des grains et la présence de secondes phases. Puis trois cas d'intérêt industriel en lien avec les réfractaires précédents ont été examinés. Comme une poche d’acier est constituée de différentes briques, les joints jouent un rôle majeur. Leur résistance thermique interfaciale a été estimée entre 10-4 et 10-3 m2·K·W-1, ce qui constitue une valeur expérimentale de haute importance pour améliorer la fiabilité de la modélisation. De plus, le revêtement est soumis à des contraintes de compression induites par la pression hydrostatique de l’acier en fusion, ce qui implique que les matériaux requièrent une résistance mécanique suffisante. Pour des valeurs de contrainte appliquée de 0.4 MPa et de 0.04 MPa, aucun effet significatif n'a été observé respectivement sur la dilatation et la conductivité thermique des matériaux isolants étudies. Enfin, l'un des principaux problèmes rencontré dans l’industrie sidérurgique concerne la corrosion, qui conduit souvent au remplacement prématuré des matériaux afin de garantir des conditions de service optimales. Le rôle de la contamination par le carbone sur la conductivité thermique du revêtement isolant a ainsi été évalué.

The performance of insulating refractory materials is determined by the thermo-physical properties. The first part of this thesis is dedicated to the evaluation of the thermal conductivity, which is an input parameter in modelling studies of heat transfer through a steel ladle lining. Comparison of different methods for its determination leads to some variation in the experimental results. However, taking into account effects such as heat losses, humidity, anisotropy and heterogeneity, the discrepancy could be reduced to within 10% when the same heat flow direction through the material is considered. Thermal conductivity is significantly modulated by the microstructure. Given that refractories are multi-phase materials, model materials with similar microstructures were studied to identify the role of factors such as porosity, grain boundaries, grain size and presence of second phases. Then three real cases of industrial interest were examined. The ladle is a vessel made by different bricks. Therefore, joints play an important role. The interface thermal resistance was estimated to be in the range 10-4 to 10-3 m2·K·W-1 useful as a first approximation in computer modelling. In fact the lining is subjected to hydrostatic pressure when the ladle is filled with hot liquid steel implying the materials require sufficient compressive strength. For compression loads up to 0.4 MPa on the thermal expansion and up to 0.04 MPa on the thermal conductivity of insulating lining materials, no significant effect was observed. Finally, one of the main problems for steelmaking industry is represented by corrosion, which can require replacement of the materials in order to guarantee the same operation condition for all the campaign. The role of carbon contamination for the thermal conductivity of the insulating lining was evaluated.