Thermomechanical behaviour of refractory castable impact pads in steel ladles
Tenue thermomécanique des dalles d'impact des poches à acier en céramiques réfractaires
Résumé
The impact pad is a reinforced zone of the refractory lining of the bottom part of the steel ladle designed to resist against thermo-mechanical loads due to the liquid steel impact during filling. Results of an inquiry performed on a steel plant are first presented. Degradations observed on different kinds of impact pad materials have been indentified and the influence of process parameters on their life span has been evaluated. Mechanical experiments (compression tests and three-point bend tests) have been performed up to 1500°C on different alumina-magnesia refractories. They allow for the characterization of the thermomechanical behaviour and the strains due to phase-transformations at high temperatures. A thermo-elasto-viscoplastic model taking into account the phasetransformations is proposed. The last part deals with numerical simulations carried out with ABAQUS and FLUENT softwares. These computations aim at describing the thermal and mechanical behaviour of the impact pad during the steel making process, and more precisely during the impact of the liquid steel. Combined with micro-structural observations and refining process data, these simulations enabled us to figure out how the different types of loads might be responsible for the degradations observed on worn impact pads
La dalle d'impact est une zone du revêtement en céramique réfractaire du fond de la poche à acier, renforcée pour résister aux sollicitations thermomécaniques induites par l'impact du jet d'acier liquide lors du remplissage. Les résultats d'une enquête menée sur un site de production sont d'abord présentés. Les causes et les modes de dégradation observés sur différents types de dalles ont été identifiés et l'influence de certains paramètres du procédé d'affinage de l'acier sur la durée de vie de la dalle a été évaluée. Une campagne d'essais mécaniques de compression simple et de flexion 3-points a ensuite été réalisée jusqu'à 1500°C sur différents types de bétons réfractaires alumine-magnésie formant des spinelles MgAl2O4. Elle a permis de caractériser le comportement mécanique de ces céramiques et les déformations induites par les changements de phases se produisant à haute température. Une loi de comportement thermoélasto-viscoplastique prenant en compte les changements de phases a été construite pour décrire le comportement en service des réfractaires. La dernière partie du document est consacrée à des simulations numériques réalisées avec les codes de calculs FLUENT et ABAQUS. Elle vise à décrire le comportement thermique et mécanique de la dalle d'impact au cours d'un cycle d'affinage et en particulier lors de l'impact du jet de métal liquide. Associées à des observations de la microstructure et des données recueillies sur le procédé d'affinage, ces simulations ont permis de reconstruire l'historique des sollicitations s'appliquant sur la dalle et de mieux comprendre à quelles étapes du procédé d'affinage certaines dégradations observées pouvaient être attribuées.