Choix et configuration des matériaux réfractaires pour les fours de verrerie

Détails clés de la configuration des matériaux réfractaires pour les fours à verre (répartis en cinq grandes catégories : choix des matériaux, mise en œuvre, structure par couches, adaptation aux conditions d’exploitation et gestion de la production et de la maintenance, briques électrofusibles /  Brique de silice /  Matériaux réfractaires à base de magnésie (point clé)

I. Détails relatifs à l’adaptation des matériaux (le piège le plus fréquent)

1.  La zone de la ligne de niveau du liquide est d’une importance capitale.

Grand différentiel de température entre la surface et le fond du liquide, vapeurs alcalines +  Érosion bidirectionnelle du verre fondu ; il est strictement interdit d’utiliser uniquement du verre ordinaire. AZS33 , il faut mettre à jour AZS36/41 Brique réfractaire à fusion électrique sans cavités ;

Il est interdit que les briques de silice entrent en contact avec la surface du verre liquide ; en présence de verre sodocalcique à l’état liquide, ces briques se dissolvent rapidement et donnent naissance à des incrustations de silice.

La hauteur des joints de la ligne de niveau doit être prévue avec une marge suffisante ; lors du maçonnage, la ligne de niveau doit se situer au milieu d’une brique entière et ne pas tomber sur le joint.

2.  Fours à combustion assistée par air distincts /  Différences des réfractaires dans les fours à oxygène pur

Four à air à flamme transversale et à flamme en fer à cheval classiques : la voûte de l’espace de combustion et la partie supérieure des murs de poitrine peuvent être réalisées en briques de silice, ce qui réduit les coûts ;

Four à combustion en oxygène pur : la teneur en vapeur d’eau des fumées est extrêmement élevée, ce qui rend les briques de silice particulièrement sujettes à la pulvérisation et au décollement ; l’espace de flamme est entièrement remplacé par de l’α. - Alumine bêta / Fusion électrique AZS , il est impossible d’utiliser des briques de silice ;

Dans les fours à oxygène, il est strictement interdit d’installer des briques de magnésie ordinaires à proximité de la zone flamme, car la vapeur d’eau réagit avec ces briques et provoque leur pulvérisation.

3.  Limitation des catégories de verre pour le choix des matériaux réfractaires

Verre float incolore / Verre blanc d’usage courant : il est interdit d’utiliser des réfractaires à haute teneur en chrome et en fer (briques magnésio‑chrome, corindon‑chrome ordinaire), car ils peuvent engendrer des points noirs, des bulles et des stries de couleur ; la surface du bain et les canaux d’écoulement ne doivent contenir qu’une faible teneur en fer. AZS , corindon sans chrome ;

Verre teinté (verre vert) /  Verre brun : la chambre de stockage de la chaleur peut être revêtue de briques magnésio‑chrome, mais le bassin de fusion ne doit toujours pas faire appel à des matériaux à base de chrome.

Verre borosilicaté : la vapeur de bore corrode fortement les briques de silice et les matériaux ordinaires. AZS , remplacé par des briques réfractaires à haute teneur en zircone obtenues par fusion et par de la zircone‑corindon frittée ;

Verre au plomb : la vapeur de plomb corrode les briques magnésiennes ; dans la couche supérieure de stockage thermique, on renonce aux briques magnésiennes et l’on opte pour une brique à base d’alumine‑zircone‑mullite.

4.  Détails de la sélection des matériaux par couches dans la chambre de stockage de chaleur

Zone de haute température au sommet ( 1300 (au‑dessus de ℃) : il est indispensable d’utiliser des briques de magnésie à liaison directe de haute pureté ; les briques de magnésie ordinaires présentent un point de ramollissement sous charge insuffisant et s’affaissent facilement.

Niveau intermédiaire 1000~1300 ℃ : Il est préférable d’éviter l’utilisation exclusive de briques magnésio‑chrome ; dans les conditions d’exploitation avec des matières volantes à forte alcalinité, privilégier les briques à spinelle magnésium‑aluminium afin d’éliminer les problèmes environnementaux liés au chrome hexavalent.

800 à 1000 Zone de température : les matériaux magnésiens sont susceptibles de subir une fissuration due à la réaction magnésium‑calcium ; on passe alors aux briques à haute teneur en alumine, et il est impossible d’assurer un joint direct entre les briques magnésiennes et les briques réfractaires d’argile.

Section inférieure à basse température : utiliser des briques d’argile réfractaire à faible porosité et à haute densité afin de prévenir la pénétration et la pulvérisation des poussières alcalines.

5.  Éviter le contact direct entre des matériaux réfractaires de nature différente (fissuration par réaction)

Brique de silice ↔   Briques de magnésie : à haute température, le silicium et le magnésium réagissent chimiquement pour former des composés à bas point de fusion, ce qui entraîne une fusion rapide des joints; il est donc indispensable d’intercaler, au niveau de la jonction, des briques isolantes à haute teneur en alumine.

AZS Brique de fusion électrique ↔ Briques de silice : mise en place d’une couche de transition en zircone‑mullite au niveau des joints ;

Brique magnésienne ↔ Brique à haute teneur en alumine : elle ne réagit pas aux températures moyennes et basses, mais nécessite une fine couche d’isolation lors d’une utilisation prolongée à haute température.

II. Détails de la structure en couches du revêtement composite (valables pour le fond du bassin, les murs de rive et la voûte)

Toutes les zones à haute température doivent être constituées d’une couche de travail. +  Couche de transition +  La couche d’isolation thermique est constituée d’une structure à trois couches ; il n’est pas possible d’utiliser une seule couche de briques épaisse.

Stratification standard du fond de la cuve de fusion (de haut en bas)

Fusion électrique AZS Couche de travail ( 150 à 250 mm ) → Couche de transition en zircone‑mullite frittée ( 100mm ) → Brique réfractaire haute alumine de masse volumique élevée → Brique isolante légère haute alumine → Panneau de fibres d’alumino-silicate ;

Détail : Il est strictement interdit de poser directement des fibres d’isolation sur les briques à fusion électrique ; le rétrécissement des fibres à haute température peut entraîner un décollement et des fissures des briques.

Cénotaphe et mur d’entrée en strates : AZS Niveau de travail +  Brique de transition zircone‑mullite, avec isolation thermique à l’extérieur ;

Isolation thermique de la voûte : il est impossible de poser directement une couche épaisse de fibres sur la partie supérieure de la voûte en briques de silice ; il convient d’intercaler d’abord des briques de silice légères afin d’éviter l’écaillage lié aux différences de dilatation thermique entre les briques.

Disposition en quinconce : les joints de chaque rangée de briques doivent être décalés verticalement ; des joints verticaux continus créeraient des voies de pénétration, permettant à la lave de verre et aux fumées de s’infiltrer et d’attaquer la couche isolante interne.

III. Détails complémentaires du chantier de maçonnerie (qui influencent directement la durée de vie du four)

1.  Fusion électrique AZS Exigences spécifiques aux briques

Distinction entre la buse d’alimentation (face de retrait) : la face présentant le retrait doit être orientée vers l’extérieur (côté opposé au feu), tandis que la surface lisse et dense doit être tournée vers le verre en fusion. / Flamme ; les cavités de retrait orientées vers l’intérieur entraînent une pénétration rapide du verre et des gonflements suivis de ruptures ;

Joints de maçonnerie : zone de contact avec le verre maçonnée à sec, joint ≤ 0.5mm , interdiction de la boue épaisse ; la zone supérieure de combustion peut être équipée d’un dispositif spécifique AZS Mortier de ciment ;

Les faces de coupe des briques réfractaires électrofusées ne doivent pas être exposées directement au verre en fusion ; ces faces présentent de nombreuses porosités et une faible résistance à l’attaque chimique. Lors de la disposition, l’ensemble de la face lisse doit être orienté vers la surface soumise à l’agression.

2.  Points clés de la maçonnerie en briques de silice

Les briques de silice doivent être jointoyées avec du mortier réfractaire à base de silice ; l’utilisation de mortiers réfractaires à haute teneur en alumine ou en magnésie est strictement interdite, car ces mortiers d’origines différentes peuvent se fissurer lors de la fusion à haute température.

Joints de dilatation prévus : la brique de silice présente une forte dilatation thermique, chaque… 1,5 à 2 m Configuration 20 à 30 mm Joints de dilatation, remplis de fibres réfractaires ; l’absence de joints peut entraîner la voûte à se bombé et à s’effondrer.

Après la pose à sec, il est impératif de procéder à un séchage complet du four, en augmentant la température progressivement afin d’éviter que l’eau contenue dans le mortier réfractaire ne s’évapore et n’entraîne l’éclatement des briques de silice.

3.  Norme unifiée pour les joints de dilatation

Les coefficients de dilatation des différents matériaux sont distincts ; les joints de dilatation doivent être disposés séparément et ne peuvent pas être communs.

Aucune jointure de dilatation continue n’est prévue dans les zones d’érosion critiques, telles que la ligne de niveau du verre et les cavités de coulée, afin d’empêcher l’infiltration du verre liquide.

Les briques de grille des chambres de stockage de la chaleur sont prévues avec des joints de dilatation verticaux et horizontaux; l’expansion à haute température peut entraîner l’effondrement de la structure en grille.

4.  Clé de l’étanchéité des joints de briques

Zones en contact avec le verre liquide : les joints verticaux et horizontaux doivent être aussi courts que possible afin de réduire les voies de pénétration du liquide ;

Les briques du fond du bassin sont disposées en chevron, avec des joints décalés, afin d’éliminer les joints verticaux directs.

Cavités de coulée et petits blocs de briques aux formes irrégulières pour les voies montantes, associés à des éléments préfabriqués spécifiques, permettent de réduire les joints d’assemblage.

IV. Détails d’adaptation aux conditions de température et de choc thermique

Régions soumises à de fréquentes alternances de températures (bouche d’alimentation, regard d’observation, porte de travail) : interdiction des briques de silice pure et des briques de magnésie ordinaires ; choisir des briques zircone‑mullite à haute résistance aux chocs thermiques, α. - Alumine bêta ;

Briques à bulles et périphérie de l’agitateur : le verre liquide y subit une érosion intense ; il convient d’utiliser un matériau à haute densité. AZS41 Briques réfractaires frittées, améliorant la résistance à l’érosion ;

Points de surchauffe localisés (bouche d’éjection du petit four) : épaisseur accrue des briques conventionnelles 20 % à 50 % , ou réfractaire composite à double couche ;

Zone de point de rosée à basse température (partie finale des conduits de fumées, cheminée) : condensation alcaline des fumées et pénétration de l’humidité ; utilisation de briques réfractaires en argile à faible porosité et d’une épaisseur accrue pour la doublure intérieure.

V. Détails de la protection contre l’érosion par les vapeurs alcalines, les projections de matière et le verre en fusion

Le déversement de matière à la trémie est très important ; la partie inférieure du mur frontal a été renforcée. AZS , protection supérieure en zircone‑mullite ; l’accumulation des matériaux projetés accélère la dégradation par fusion des réfractaires ;

À l’intérieur du four, les vapeurs alcalines de sodium et de potassium s’accumulent vers le haut; la vitesse d’érosion au niveau inférieur de la voûte et le long du bord supérieur des murs de poitrine est celle des parois du bassin. 2  Le double, l’épaisseur du réfractaire dans cette zone augmente. 30%；

La condensation des poussières alcalines dans la chambre de stockage de la chaleur constitue le principal facteur d’endommagement des briques à grille : la surface des briques de magnésie de la couche supérieure peut être revêtue d’un revêtement de protection haute température afin de réduire la pénétration des alcalins.

Il est strictement interdit que les briques isolantes légères soient exposées directement à l’espace de flamme, car les vapeurs alcalines pénètrent rapidement dans ces matériaux, entraînant des décollements étendus.

VI. Détails d’exploitation relatifs à la cuisson du four et à la montée en température (il convient de prévoir ces aspects dès la phase de conception)

Lors de la conception des matériaux réfractaires, il convient de prévoir une marge de dilatation pour le séchage et la cuisson du four ; les vitesses de montée en température varient considérablement selon les types de matériaux réfractaires (briques de silice…). 5-10 °C /h À l’intérieur, AZS Peut 10 à 15 °C /h ) ;

Fusion électrique AZS La brique contient une faible quantité de phase vitreuse, pendant la phase de montée en température. 600 à 900 °C, ralentir la montée en température pour éviter les fissures dues aux contraintes internes ;

Avant la mise en service de la nouvelle fosse, une marge de corrosion est prévue dans les matériaux réfractaires de la ligne de niveau du bain; l’épaisseur des briques prévue au projet dépasse d’autant l’épaisseur théorique de l’usure. 100mm , prolonger la durée de vie du four ;

VII. Détails de l’équilibre entre coût et durée de vie

Ne pas opter aveuglément pour des briques électrofusées haut de gamme dans l’ensemble du four : utiliser de la brique réfractaire d’argile pour les conduits de fumée à basse température et pour la couche inférieure de stockage de chaleur. /  Les briques à haute teneur en alumine permettent de maîtriser les coûts ; les points d’érosion critiques — niveau du bain, trous de coulée, briques à bulles, briques de seuil de four, orifices d’alimentation, petites ouvertures de four, etc. — ne font l’objet d’aucune réduction de la qualité des matériaux.

Ne réduisez pas simplement l’épaisseur des matériaux réfractaires afin d’abaisser les coûts de construction : réduction de l’épaisseur au niveau de la ligne du bain et des buses de soufflage. 20mm , l’âge du four est directement réduit 1/3 ；

Prévention environnementale : pour les nouvelles lignes de cuisson, privilégier des réfractaires sans chrome (la spinelle magnésio‑alumine remplaçant les briques magnésio‑chrome), afin d’éviter les coûts liés au traitement des déchets solides contenant des sels de chrome.

VIII. Les détails cachés souvent négligés

Un isolant thermique doit être installé entre la structure métallique et le revêtement intérieur réfractaire afin d’éviter que la tôle d’acier, sous l’effet de la température élevée, ne se déforme et n’écrase les matériaux réfractaires.

Des passages de dissipation thermique sont prévus dans la structure métallique du fond du four ; la couche d’isolation du plancher ne doit pas être totalement étanche, afin d’éviter une surchauffe due à l’accumulation de chaleur au niveau du fond.

Les briques de forme spéciale (briques à cavités de refroidissement, briques à bulles, briques d’arc de petit four) doivent être toutes issues du même fabricant et utiliser des réfractaires assortis, avec un coefficient de dilatation thermique identique, afin d’éviter la fissuration des joints.

Prévision d’entretien : les éléments les plus susceptibles de s’user (petits fours, briques de revêtement du niveau de liquide) sont réalisés en briques préfabriquées modulaires, ce qui permet, lors des réparations à froid ultérieures, de remplacer uniquement les pièces concernées, sans avoir à démonter l’ensemble du four sur une large surface.