Soutenance de thèse de Tiphaine Houdard

Etude thermo-mécanique de la solidification de produits réfractaires électrofondus à base d'alumine, de zircone et de silice

 

 

 

Les blocs de cuve des fours verriers sont principalement composés de Al2O3 – ZrO2 – SiO2, d'où leur abréviation courante de blocs AZS. Ils sont produits par électrofusion. Cette étude porte sur la solidification de ces blocs une fois coulés dans leur moule. Un objectif est de prévoir la formation des criques à chaud au cours du refroidissement. Un second objectif est de prédire la géométrie de la retassure dans la masselotte. 

 

Tout d'abord, une étude du matériau AZS a été réalisée pour valider les données thermodynamiques prédites par la base de données TCOX10. Celle-ci anticipe la présence de mullite, qui n'est pas observée expérimentalement. Des traitements thermiques à haute température valident cependant les résultats thermodynamiques et témoignent ainsi d’une certaine cinétique de cristallisation. Pour la suite de l'étude, la mullite est suspendue pour extraire les données utiles pour les simulations, telles que le chemin de solidification, la composition, la densité et l'enthalpie des phases en présence (zircone, corindon, phase vitreuse ici assimilée au dernier liquide présent à basse température).

 

L'histoire thermique est mesurée sur des blocs industriels et est simulée avec le logiciel THERCAST®. Modéliser l'histoire thermique nécessite de tabuler les propriétés des différents domaines et d'ajuster les paramètres numériques.

 

Le comportement mécanique d'un bloc est ensuite modélisé pour prédire la formation de criques à chaud, défauts qui peuvent être présents sur les arêtes des blocs. Après des observations expérimentales, différents critères pouvant prédire la susceptibilité de leur formation sont comparés. La déformation cumulée sur un intervalle de température donné est retenue. Une analyse porte sur les variations des valeurs obtenues selon le domaine de température ou la consistance viscoplastique. Une fois optimisées, les simulations prédisent correctement la susceptibilité de fissuration à chaud sur les blocs industriels.

Pour prédire la retassure, des simulations thermomécaniques avec THERCAST® montrent que la composition, qui influence fortement la densité de la phase liquide, doit être connue localement. Cela nécessite donc de prédire la macroségrégation. Une cartographie expérimentale de la chimie du bloc est réalisée. Les tabulations des propriétés pour des oxydes à concentrations élevées a nécessité une adaptation de l'outil PATH de la librairie PhysalurgY®. En appliquant des solveurs de CIMLIB® depuis THERCAST® pour les résolutions thermique, hydraulique et solutale (pour les solutés Al2O3, SiO2 et Na2O présents dans les phases liquide, zircone et corindon), il est alors possible de modéliser, en supposant un domaine incompressible, la convection thermo-solutale au cours du refroidissement, la sédimentation des cristaux étant négligée. Les simulations prédisent la formation de canaux ségrégés partant des parois du bloc et remontant vers le centre du bloc ainsi qu'un enrichissement de la masselotte en phase vitreuse. La compressibilité pour modéliser l'impact sur la retassure dans la masselotte n'a cependant pas pu être implémentée.

 

 

Mots-clés : solidification, criques à chaud, macroségrégation, AZS, THERCAST, simulations numériques