CHAPITRE NEUVIÈME MATÉRIAUX RÉFRACTAIRBS

Matériaux des fours. — Qualités. — Argiles. ^ Fusibilité. — Fabrication des briques. — Propriétés des pâtes argileuses cuites. — Silice. — Transformatioas. — Briques de silice. — Alumine. — Magnésie. — Matériaux calcaires. — Minerais divers. — Carbone. — Carborundum. — Choix des prodoits réfrac taires. — Propriétés. — Waterjacket.

Les tours industriels employés pour le chauffage à températures élevées présentent des dispositions indéfiniment variables avec les usages auxquels ils sont destinés. Leur description détaillée ne peut être donnée qu'à l'occasion de chaque industrie particulière. Il est possible cependant, au milieu de la variété indéfinie des différents types de fours, de dégager certaines dispositions générales, se retrouvant dans un grand nombre d'entre eux, celles qui dépendent soit des propriétés du combustible, soit des propriétés des matériaux de construction et non des matières traitées.

On peut envisager dans un four deux points de vue essentiellement différents :

1* Les matériaux qui entrent dans sa construction ;

2° Ses formes et dispositions générales.

Nous étudierons successivement ces deux points de vue.

Matériaux des fours. — Presque tous les fours employant des températures élevées comprennent trois parties distinctes constituées avec des matériaux différents.

I* Un revêtement réfractaire intérieur, qui doit résister à Taction de la chaleur et à Faction chimique des matières chauffées dans

le four; cette double condition impose dans certains cas Tobligation d'employer des matériaux très coûteux; aussi réduit-on au minimum l'épaisseur de ce revêtement pour réduire les frais de construction.

Le plus souvent, ce revêtement est constitué par des briques cuites au préalable à une température aussi voisine que possible de celle à laquelle elles devront être employées. Exceptionnellement dans les anciens fours de verrerie et aujourd'hui dans quelques fours tournants à ciment, on emploie des briques crues qui cuisent dans le four lui-même; enfin, dans quelques cas, on emploie ce que Ton appelle des pisées, c'est-à-dire des matières préparées comme pour la fabrication habituelle des briques mais mises immédiatement en place, sans façonnage préalable, et damées sur la paroi intérieure du four pour les agglomérer en leur donnant la forme voulue. On prépare ainsi les soles d'un grand nombre de fours métallurgiques;

2° Un massif solide construit avec des matériaux à bon marché, destiné à donner aux fours, en tant que construction, une stabilité suffisante et en même temps à diminuer les pertes* de chaleur par transmission à travers les parois. Au lieu d'employer un second massif, on pourrait se contenter de donner une plus grande épaisseur au revêtement réfractaire intérieur ; le résultat obtenu serait le même au point de vue de la solidité et des pertes de chaleur. On lé fait parfois, par exemple, dans les cornues Ressemer, mabdansia majeure partie des cas on est obligé^ par des raisons d'économie évidentes, à réduire au strict minimum Tèpaisseurdu massif réfractaire et à employer pour la construction extérieure des matériaux plus économiques; par exemple, des briques ordinaires, de la pierre, quelquefois même du béton, lorsque réchauffement des parois extérieures n'est pas trop élevé;

3° Une armature métallique destinée à consolider l'ensemble du four et à empêcher sa dislocation sous l'action des dilatations résultant de l'action de la chaleur. La température varie dans Tépaisseur des parois d'une façon continue depuis la surface intérieure, où elle est la plus élevée, jusqu'à la surface extérieure. La

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dilatation plus grande du revêtement intérieur tend à faire fendre le massif extérieur du four. Il est impossible de s'opposer aux dilatations des matériaux de construction ; les efforts développés sont énormes et quand on cherche à serrer trop exactement les armatures métalliques contre la paroi extérieure du massif du four, ces armatures cassent infailliblement. Un raisonnement très simple permet de le comprendre ; supposons un four avec un massif intérieur en briques réfractaires. de lo cm. d'épaisseur chauffé à i.ooo° ; la dilatation sur i m. de diamètre sera de 7 mm. Supposons une enveloppe en tôle de i cm. d'épaisseur, dimension d'ailleurs absolument exagérée, que l'on ne songerait jamais à employer en raison de son prix de revient trop élevé ; la dilatation élastique du fer sous le même diamètre ne peut pas dépasser i mm. ; il faut donc que toute Tarmature en fer cède, ou que le massif réfractaire s'écrase sur lui-même. La résistance à l'écrasement d'une brique, dans les conditions où l'on fait habituellement cet essai « 'c'est-à-dire sur un cube dont 4 faces sont libres, est en moyenne de 100 kg. par centimètre carré. Mais dans un massif continu, les conditions sont tout autres, il n'y a plus de surface libre permettant le cisaillement, ou du moins il n'y en a qu'une seule, de forme cylindrique et concave, ne se prêtant pas aux déformations. Pour faire un essai dans des conditions comparables à celles de la paroi d'un four, il faudrait enfermer le cube soumis à la compression dans une boite d'acier indéformable et l'écraser à l'intérieur. La pression serait de 10 à 100 fois celle que Ton trouve dans l'essai ordinaire. Prenons le coefficient 10 qui est certainement un minimum ; il faudra, pour écraser le revêtement réfractaire de 10 cm. d'épaisseur, développer un effort de 10.000 kg. par i cm. de hauteur, ce qui correspond, pour la même hauteur de la tôle de i cm. d'épaisseur, à un effort de 100 kg. par millimètre carré, soit cinq fois la limite élastique du fer, c'est donc lui qui devra céder pratiquement. Les armatures employées ont des sections bien plus faibles, au moins cinq fois moindres, de telle sorte que l'effort représente 25 fois au moins la limite élastique de cette armature.

A quoi servent alors les armatures métalliques? Quand on chauffe intérieurement un four non armé, on observe les faits suivants : Au premier chauffage^ le massif extérieur se fend suivant un petit nombre de directions; toutes les briques ne prennent pas un écartementégalde TuneàTautre, commeonserait tenté de le supposer à priori. De plus, l'ouverture totale de ces fentes en nombre limité est bien supérieure à celle que Ton calculerait d'après la dilatation du revêtement intérieur. Il se produit des mouvements d'ensemble du massif extérieur, des rotations autour de certains axes, qui donnent naissance à des fentes béantes, hors de proportion avec la dilatation intérieure des parties chauffées. Qjaand ensuite le four se refroidit, ces fentes ne se referment pas ou le font seulement d'une façon incomplète ; à un nouveau chauffage, le massif réfractaire agit encore, quoique moins énergiquement, sur le massif extérieur, et provoque de nouvelles fentes ou augmente celles qui se sont produites précédemment, si bien qu'au bout d'un certain temps, le four est complètement disloqué et s'effondre.

L'armature métallique a pour objet de limiter l'ouverture de ces fentes en permettant seulement un mouvement du massif extérieur proportionné à la grandeur de dilatation interne. Pour obtenir ce résultat il faut prévoir un certain jeu entre les différentes pièces en contact : des joints de brique pas trop remplis, un espace vide entre la chemise réfractaire et le massif extérieur avec remplissage en matière facilement compressible, comme des fragments de mâchefer, de la silice d'infusoire, etc.. ou enfin des jeux dans les articulations des différentes pièces des armatures métalliques. Souvent on se contente de desserrer les armatures pend-int la première mise en feu. On apprécie la tension par le son que rendent les pièces métalliques frappées avec un marteau.

De ces trois sortes de matériaux entrant dans la construction des fours, les matériaux réfractaires sont de beaucoup les plus importants et les seuls que nous étudierons ici avec quelques détails.

Qnalitéi. — Les points de vue à (aire entrer en ligne de compte dans le choix des matériaux rèfractaires sont extrêmement nombreux; voici quelques-unes des qualités les plus importantes à demander :

1** Infusibilité. Indispensable pour permettre au revêtement réfractaire de remplir son office ; les températures utilisées dans les différents fours sont extrêmement variables, depuis quelques centaines de degrés pour la dessiccation des matières humides, jusqu'à i.ooo'' dans le creuset du haut-fourneau et dans certains fours électriques. Les conditions d'infusibilité sont donc très variables suivant les usages ;

2° Résistance chimique à Taction des corps chauffés. Indispensable pour empêcher Taltération des matières élaborées par leur combinaison avec les éléments de la paroi réfractaire et pour empêcher aussi la fusion de cette paroi au contact des laitiers et scories formées dans un grand nombre d'opérations métallurgiques. Le fer fondu au contact de parois siliceuses se charge en silicium et change de nature. Inversement, le laitier calcaire, nécessaire pour la déphosphoration de Tacier, entraînerait la fusion immédiate des parois siliceuses ;

3'' Invariabilité de volume suffisante pour assurer la stabilité des maçonneries. L'emploi de briques argileuses ou siliceuses peu cuites dans les revêtements rèfractaires des fours à températures très élevées occasionne des accidents graves : la contraction de l'argile par la cuisson amène l'effondrement des voûtes, inversement le gonflement des briques de silice amène le renversement des pieds-droits des voûtes et la rupture des armatures. Ces matériaux rèfractaires doivent, avant leur mise en place, avoir subi une cuisson préalable suffisante pour que Ton n*ait plus à crainde des changements ultérieurs de volume trop importants ;

4° Prix de revient abordable, permettant l'emploi industriel des matériaux. Dans toute opération industrielle, le prix de revient du produit fabriqué doit être la préoccupation dominante ; cette considération s'oppose^ à Tutilisation de certaines matières employées au contraire avec succès dans les laboratoires. La

thorine des manchons Auer est extraordinairement réfracuire et sert parfois pour la construction des fours dans les laboratoires scientifiques; mais on ne pourrait songer actuellement à l'employer industriellement. La magnésie elle-même a une valeur assez élevée pour s'opposer dans bien des cas à la généralisation de son emploi.

On doit enfin mentionner quelques qualités d'importance moindre : V absence de porosité qui ralentit l'attaque des parois des fours par les matières fondues en contact avec elles. Un morceau de pain de sucre se dissout infiniment plus vite dans Teau qu'un cristal compact de sucre Candie; de même les laitiers fondus attaquent extraordinairement vite les briques trop poreuses. La faiblesse de dilatation diminue la dislocation des maçonneries et assure une conservation plus longue des fours.

Nous allons étudier successivement les principales matières réfractaires employées dans l'industrie en passant en revue leurs propriétés essentielles dans l'ordre suivant :

1° Etat naturel et impuretés;

2° Fusibilité ;

3° Procédés de fabrication ;

4» Propriétés diverses.

Les matériaux réfractaires que nous allons ainsi passer en revue sont : argile, silice, magnésie, matériaux calcaires, minerais divers, carbone, carborundum.

Argiles. — L'argile se rencontre dans la nature sous deux aspects géologiques distincts, \ argile proprement dite et le kaolin, différant surtout par les conditions de leur gisement et les impuretés qui les accompagnent.

L'argile et le kaolin sont essentiellement constitués par un silicate d'alumine hydraté, la kaolinite :

SiO' . 46,4

ArO' 39.7

2 Si O* AI2 O» 2 H* O

qui est cristallisée en lamelles hexagonales très ânes. Un gisement de rUtah présente des cristaux de i/io de mm. de diamètre, mais dans les argiles ordinaires, ces dimensions tombent souvent au-dessous du millième de millimètre. On reconnaît alors Texistence de cette structure lamellaire au chatoiement que produit la matière, mise en suspension dans l'eau et légèrement agitée.

Cest à cette structure lamellaire que Targile doit sa plasticité, c'est-à-dire la propriété de donner avec Teau des pâtes déformables sans rupture, mais en même temps suffisamment résistantes, ce qui permet de la façonner sous les formes les plus variées. Tous les corps également lamellaires et tins possèdent la même plasticité, par exemple, le mica et même la glauconie. Cette dernière matière se trouve à Tétat naturel sous forme d'un sable en grains ronds dépourvus de toute plasticité, mais ces grains se clivent au broyage en donnant des lamelles très fines.

Le kaolin est une argile provenant de la décomposition de certaines roches feldspathiques; on le trouve en amas ou filons dans les terrains granitiques ; il est remarquable par sa belle couleur blanche. Il renferme comme impuretés des fragments de feldspath, de quartz et quelquefois de mica; il est facile de l'obtenir très pur par lavage à Teau. Les impuretés se séparent facilement grâce à leurs fortes dimensions; le kaolin serait l'argile réfractaire par excellence, si ses gisements étaient plus abondants et, par suite, son prix de revient moins élevé.

Vargik se trouve au contraire en masses très abondantes dans un grand nombre de terrains sédimentaires, tantôt en couches stratifiées, tantôt en poches dans le calcaire ; son mode de formation est inconnu ; elle est généralement colorée en gris et même en noir par de petites quantités de matières organiques qui disparaissent à la cuisson ; elle conserve alors une teinte jaunâtre, due sans doute à la présence constante de petites quantités de titane.

Elle est souvent mêlée à des impuretés très variées et parfois très abondantes, dont les principales sont le mica blanc et le quartiî

qui se trouvent même dans les variétés les plus pures employées comme argiles réfractaires. Le mica blanc

2 Si O' Al« O» (1/3 K" O 2/3 W O)

se trouve en lamelles extrêmement fines que Ton a longtemps confondues avec celles de la kaolinite. Il contribue pour sa part à la plasticité de l'argile, mais en augmente en même temps la fusibilité. Sa proportion ne tombe guère au-dessous de 10 Vo dans les argiles les plus pures et s'élève jusqu'à 30 et même 50 Vo dans les argiles, àiitsk grès, qui grâce à la présence de ce mica donnent déjà à 1.200^ une pâte semi-vitriâée, imperméable. Le quartz se trouve à l'état de sable relativement grossier, car ses parties les plus fines sont supérieures comme grosseur aux lamelles de kaolinite les plus grandes; ses dimensions cependant atteignent rarement i mm. Sa proportion est très variable, elle ne descend guère au-dessous de 5 ^/o dans les argiles les plus pures et atteint 75 ^/o dans certaines argiles très sableuses.

Fusibilité. — La fusibilité de l'argile chimiquement pure, c'est-à-dire de la kaolinite, est très faible; elle fond à 1.830*', mais son point de fusion s'abaisse rapidement, quand elle renferme du quartz et surtout du mica; avec le quartz seul, le maximum de fusibilité correspond au mélange suivant, fondant à 1.690^ :

SiO' 85,5