Les réfractaires électrofondus - ANR

$Page 1: Les réfractaires électrofondus - ANR$
Procédé

Michel Boussuge

MINES - ParisTech

Centre des Matériaux

CNRS UMR 7633

Microstructure

Propriétés

Les réfractaires électrofondus

M. BOUSSUGE Réfractaires électrofondus

Réfractaires électrofondus à très haute

teneur en zircone (THTZ)

•MINES-ParisTech, Evry (L. Massard, K. Madi, L. Petroni,

Y. Ding)

•INSA de Lyon (E. Lataste, A. Sibil)

•ENS de Céramique Industrielle de Limoges (E. Yeugo-

Fogaing, C. Patapy)

Financé par le Ministère de l’Industrie

(PROMETHEREF) et l’Agence Nationale pour la

Recherche (NOREV)

•Saint Gobain CREE, Cavaillon

Colloque bilan Mat et Pro

Nantes 15-16 Octobre 2013


Utilisation des réfractaires THTZ

Fours verriers produisant des verres

de haute qualité (TV, LCD, écrans

plasma,…)




Avantages des réfractaires THTZ

• -basse conductivité thermique

• -haute réfractarité

• -haute résistance à la corrosion par le verre

• -faible porosité

• -réalisables en pièces massives




Solidification de type dendritique



1900°C

Solidification

Enthalpie

Changement d’état

950°C

1050°C

Transfo de ZrO2

Changement de

volume et

endommagement

Microfissuration

Endommagement

1500°C

Fluage et rigidification

Equations

constitutives

800°C

Le refroidissement des THTZ

Température

2400°C RT

Tcasting


Microstructure finale

Thèse E. Lataste



Fissuration d’un grain de zircone

Décohésion à l’interface phase vitreuse - zircone

Fissuration suivant les plans intercristallins de la zircone

Branches dendritiques de ZrO2 + verre

60

80

100

120

140

160

180

0 500 1000 1500

T (°C)

E (GPa)

Tm-t

Tt-m

1 2 3

4 5 5

E transition t-m de ZrO2 et fissuration

E endommagement sous l’effet

des désaccords dilatométriques

4

E augmentation de la viscosité

de la phase vitreuse, rigidification

3

E diminution de la viscosité

de la phase vitreuse, guérison

2 E transition m-t de ZrO2 et décohésions

E résorption des défauts par la phase vitreuse

1

E résorption de l’endommagement initial

sous l’effet des différentiels de dilatation

Module d’élasticité

Thèse E. Yeugo-Fogaing

M. BOUSSUGE Réfractaires électrofondus Colloque bilan Mat et Pro


Comportement dilatométrique

Gonflement brutal de 4% au refroidissement

-0.6%

-0.4%

-0.2%

0.0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1.0%

0 500 1000 1500

T (°C)

L/L0 (%)



Thèse L. Massard

Modification du comportement

Thèse C. Patapy




Echelles et complexité

nanomètre micromètre

Comportement complexe, voire parfois imprévisible

mètre



Echelle micro

Observations microstructurales 3D et

explication de certaines propriétés


Principe de la microtomographie X



Reconstruction, stockage et analyse des images

Détecteur CCD Source de RX

Synchrotron Objet

Création d’images 3D

par reconstruction de

projections 2D prises à

différents angles

Résolution : 0.7 mm

E =40 keV

Ø 0,5 mm

ESRF, Grenoble

Thèse K. Madi


Analyse 3D des phases constitutives

Les deux phases percolent ! Colloque bilan Mat et Pro


Thèse K. Madi


Les propriétés étonnantes des THTZ

Capables de subir la transformation de tétragonale à

monoclinique (+4%vol) sans se pulvériser

Excellente résistance à la corrosion et préservation de la

qualité du verre : la dissolution de la phase vitreuse dans

le verre ne provoque pas le déchaussement des

branches de dendrites, contrairement aux grains dans

un réfractaire fritté




Les propriétés étonnantes des AZS

Mais résistance au

fluage excellente

jusqu’à 1600°C pour

un matériau pouvant

contenir jusqu’à 25%

de phase vitreuse !

Compression at 1500°C

Exsudation de la

phase vitreuse à

partir de 1500°C

(Tg = 780°C)

Thèse L. Massard



Analyses d’images 3D


Deux THTZ différents

THTZ ZB THTZ ZBY

ZBY = ZB + 1% d’Yttrine

Quantité et composition de phase vitreuse identiques

La faible quantité d’Yttrium ne suffit pas à stabiliser la zircone

mais abaisse la température de transformation de phase

Les deux matériaux sont isotropes (analyse de covariance)

Thèse Y. Ding




Densité de surface

Dans un élément de volume, rapport entre la surface

d’interface et le volume

Perte_poids-Temps

0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temps (h)

ZS

ZB

ZBY1

ZBY7

ZBY > ZB

Corrélation avec la

vitesse d’attaque par

HF et probablement

par le verre

Thèse Y. Ding




Tortuosité et écart-type associé

Rapport entre la distance géodésique pour aller d’un bord

de l’image au bord opposé et la distance euclidienne

Tortuosité : ZBY = ZB

Ecart-Type : ZBY > ZB

Thèse Y. Ding

ZB ZBY

Corrélation avec les faciès

d’attaque HF




Segmentation par la méthode des bassins

versants

Montée d’eau à partir du point

le plus bas

Quand deux bassins se

mélangent, un barrage est

construit

Lorsque tout est inondé,

l’ensemble des barrages

constitue la ligne de partage

des eaux (surface en 3D)

Des entités volumiques

(« grains ») sont ainsi créées et

l’image est alors dite

segmentée Thèse Y. Ding




Connectivité

ZB ZBY Rapport entre la surface d’un grain en contact avec d’autres

et son volume

ZBY > ZB

Corrélation avec la rigidité des squelettes

Thèse Y. Ding



Calculs par éléments finis

Exemple de modélisation classique

Modélisation 2D ou 3D

Cellules (ou polyèdres)

de Voronoï

Distribution aléatoire

des phases

constitutives

Demande un maillage

fin ne prenant pas en

compte les entités

constitutives et la

distribution des phases

Description non réaliste

de la microstructure M. BOUSSUGE Réfractaires électrofondus Colloque bilan Mat et Pro



Maillage de la microstructure réelle à partir

d’images 3D

Détection de l’isosurface (surface

d’interface entre phases) par

l’algorithme du « marching cube »

Maillage de cette surface par

triangulation

Maillage des phases par des

tétraèdres construits à partir de

l’isosurface

Exemple avec des éléments

linéaires tétraédriques : plus de 4

millions de degrés de liberté !

Thèse K. Madi




Calcul thermoélastique du refroidissement

Contraintes moyennes

dans la microstructure

dues au différentiel de

dilatation thermique

entre 600°C et

l’ambiante :

Phase vitreuse :

-130 MPa

Zircone : 20 MPa

Cisaillement interfacial :

120 MPa

Thèse K. Madi



Création et « test » de matériaux virtuels

Exemple de la teneur en phase vitreuse



Thèse K. Madi

Echelle macro

Caractérisation mécanique


Traction sur réfractaires jusqu’à 1600°C



Système de chargement inversé :

les lignes de chargement travaillent

en compression

Contrainte uniforme et uniaxiale

assurée par trois vérins

hydrauliques

Mesure des déformations par trois

extensomètres à 120°

Section utile 25 * 50

Thèse L. Massard


Fluage en traction

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Temps (sec)

Défo

rmati

on

(%

)

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

Co

ntr

ain

te (

MP

a)

Dip-test à 1100°C

Recouvrance de la

déformation lors de

déchargements partiels

(contrainte interne)

Modélisation par un terme

d’écrouissage cinématique

qui décrit le fluage transitoire,

le stationnaire et la

recouvrance (6 paramètres)

0,00E+00

5,00E-03

1,00E-02

1,50E-02

2,00E-02

2,50E-02

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000Temps (sec)

Déf

orm

atio

n

1400°C - THTZ

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0,008

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000Temps (sec)

Défo

rmati

on

1400°C 1350°C

1300°C 1100°C

900°C

THTZ à 1

MPa

Thèse L. Massard



Simulation numérique du procédé


Coulée en moule instrumenté

Broad

face Narrow face

TC

Thèse L. Petroni




Maillage 2D pour calcul EF

Tile

Mold Metallic box

Annealing

medium

Thèse L. Petroni



Identification des échanges thermiques



Ajustement par méthode inverse de la résistance thermique

de l’interface pièce/moule et des propriétés thermiques du

milieu de recuisson

Comparaison simulation - expérience

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temps (hr)

tem

pé

ratu

re (

°C)

exp MM GF

exp MS GF

exp MM PF

exp MS PF

calc MM GF

calc MS GF

calc MM PF

calc MS PF

x

x

Thèse L. Petroni

Champ de température dans la dalle



Evolution de la température au sein de la dalle

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Temps (hr)

Tem

péra

ture

(°C

)

Noeud au coeur de la dalle

Noeud dans le coin de la dalle

Noeud au milieu de la grandeface

The tile core

The tile corner

The centre of the large face

Cœur, coin et milieu de la grande

face de la dalle

Fin de la libération de l’enthalpie

de solidification visible

Réchauffage (effet rebond) du coin

de la dalle

Thèse L. Petroni


Front de solidification (2400°C-1900°C)

Thèse L. Petroni




Influence du fluage sur les contraintes

-5,00E+06

-3,00E+06

-1,00E+06

1,00E+06

3,00E+06

5,00E+06

7,00E+06

9,00E+06

5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 23000 25000

time (s)

str

ess (

Pa

)

core creep behavior

large face creep behavior

core

large face

Relaxation mais développement de contraintes internes

(résiduelles) Thèse L. Petroni



La plasticité de transformation (TRIP)


Transformation sous contraintes

Comparaison entre un essai de dilatométrie et un essai

de compression sous 1 MPa

La contrainte augmente la déformation de manière

significative

Thèse L. Massard




La transformation martensitique :

ennemie ou amie ?

Un THTZ totalement

stabilisé ne supporte

pas le refroidissement !

Oui, mais…



Eprouvette de flexion

après passage de la

transformation sous

2MPa


« L'avenir est la seule chose qui

m'intéresse, car je compte bien y

passer les prochaines années »

(Woody Allen)

Le projet ANR Mat et Pro ASZTech sur

la caractérisation expérimentale et

la simulation numérique de la

plasticité de transformation




Merci aux :

• Doctorants : – Edwige Yeugo-Fogaing, Cédric Patapy (ENSCI Limoges)

– Emilie Lataste, Arnaud Sibil (INSA Lyon)

– Ludovic Massard, Kamel Madi, Laetitia Petroni, Yang Ding (MINES-ParisTech)

• Financeurs : – Ministère de l’industrie (programme PROMETHEREF)

– Agence Nationale pour la Recherche (programme NOREV)

– Saint Gobain CREE (M. Gaubil, I. Cabodi, L. Massard)

• Encadrants : M. Huger, C. Gault, T. Chotard (ENSCI Limoges)

C. Olagnon, G. Fantozzi, J. Y. Buffières, N. Godin, M. R’Mili (INSA Lyon)

S. Forest, D. Ryckelynck (MINES-ParisTech)




Et merci pour votre attention !

Photo :

René Maltête



Documents

Les réfractaires électrofondus - ANR