Optimisation de la mesure de champ de déformation à haute température et caractérisation thermomécanique de matériaux réfractaires d’alumine spinelle

Improvement of strain field monitoring at high temperature and thermomechanical characterization of alumina spinel refractory materials

• Auteur / Autrice : Robert Piotr Kaczmarek
• Direction : Marc Huger, Octavian Pop
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 22/12/2021
• 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
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Huger, Octavian Pop, Eric Henri Blond, Jean-Christophe Dupré
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Giovanni Bruno, Dietmar Gruber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrélation d'images numériques

Propriétés thermomécaniques

Alumine

Matériaux réfractaires

Mots clés libres

Réfractaires d'alumine spinelle

Comportement thermomécanique

Microfissuration

Mouchetis

Chocs thermiques

Alumina spinel refractories

Thermomechanical behaviour

Microcracking

Digital image correlation

Speckle pattern

Thermal shock monitoring

Résumé

Les réfractaires d'alumine spinelle sont connus pour leurs bonnes performances en tant que revêtement de poche d'acier. Une première partie de l’étude s’est focalisée sur le comportement thermomécanique de briques industrielles d'alumine spinelle et a permis de mettre en évidence le développement de microfissures (au cours du refroidissant en dessous de 650 °C), une transition ductile fragile (aux environs de 1100 °C) et des changements de teneurs en spinelle et de stoechiométrie étroitement liés au traitement thermique appliqué. Une deuxième partie de l’étude concerne des bétons modèles d'alumine spinelle, et a permis de révéler l’impact de différents types d’agrégats, de différents types d'alumines réactives et de différents ciments. En sus des investigations portant sur les propriétés thermomécaniques des matériaux, une partie importante de cette thèse a également été consacrée à l'amélioration de deux techniques expérimentales. La première concerne des mesures de champs de déformations par corrélation d'images numériques (DIC) lors d’essais mécaniques à haute température (1200 °C). Afin d’optimiser la précision de mesures dans ces conditions expérimentales difficiles, une optimisation a spécifiquement porté sur des mouchetis résistant à haute température et sur l’application de prétraitements d'images avant les mesures DIC proprement dites. La deuxième concerne un nouveau banc de choc thermique (dispositif ATHORNA) qui est en cours de développement. Les résultats expérimentaux, obtenus sur ce banc par des méthodes optiques, ont pour la première fois pu être comparés aux résultats de modélisés par éléments finis. En outre, une étude comparant les résultats des tests d'ATHORNA et des essais de wedge splitting, réalisée sur des matériaux modèles de spinelle de magnésie, a permis de démontrer qu'ATHORNA pouvait également être utilisé pour comparer la résistance aux chocs thermiques de réfractaires.

Alumina spinel refractories are known for their good performance in several areas of steel ladle lining. This study includes a thermomechanical investigation of an industrial alumina spinel bricks which allowed to detect microcracking (while cooling below 650 °C), brittle-ductile transition (at around 1100 °C) and variations of spinel content and stoichiometry being dependent on applied thermal treatment. Another investigation, related to model alumina spinel castables, reveals impacts of different types of aggregates, reactive aluminas and cements. Results obtained from both above-mentioned studies are interpreted in relation to likely performance in application. Apart from the material-oriented investigations, a significant part of this PhD study is dedicated to an improvement of two experimental techniques. The first one, used for high-temperature mechanical testing coupled with Digital Image Correlation (DIC) methods, has been improved to accurately monitor strain fields at high temperatures (1200 °C). This investigation includes optimization of high-temperature resistant speckle pattern and image pre-treatment for more accurate DIC measurements. The second type of improved experimental technique is a novel thermal shock bench (ATHORNA device). In this case, the experimental results, obtained by optical methods, are compared with finite element modelled results, being the first attempt to validate the numerical model with this device. Additionally, an investigation comparing ATHORNA and wedge splitting test results, performed on model magnesia spinel materials, allowed to demonstrate that ATHORNA can also be used for comparing thermal shock resistance of refractories.