Corrosion kinetics of an alumina refractory by liquid oxides Al₂O₃-CaO and Al₂O₃-CaO-SiO₂
Cinétique de corrosion d’un réfractaire d’alumine par les oxydes liquides Al₂O₃-CaO et Al₂O₃-CaO-SiO₂
Résumé
This work presents a kinetic study of the alumina refractory corrosion by a liquid slag Al₂O₃-CaO then Al₂O₃-CaO-SiO₂. The objectives are: to adapt an original method of characterization by X-ray diffraction at high temperature combined at a Rietveld quantification; to determine reactional kinetics; to describe a mechanism and to model reactions by numerical simulations. Two different tests were performed: ex situ experiments to obtain expanded time treatment (up to 24 hours); and in situ experiments to acquire firsts moments of the interaction. The ex situ corrosion tests between 1500 °C and 1600 °C show some very fast dissolution/precipitation kinetics and slower diffusion kinetics. The in situ experiment at high temperature is adapted to obtain kinetics curves of alumina corrosion. In association with Inel society, the in situ method in asymmetric geometry associated to a curved detector sensitive show a fast precipitation in 5 minutes or less. A combined dissolution/precipitation/diffusion mechanism was proposed where the alumina grain is coated by some calcium aluminates according to Al₂O₃ – CA₆ – CA₂ – slag order. The data were integrated at some numerical simulations and showed that the Valensi-Carter equation is suitable to results. To fit the in situ results, a theoretical model was tested by association of n-binary growth equation (Buscaglia model) with spherical grain dissolution (Rice model).
Ce travail présente une étude cinétique de la corrosion d’un réfractaire d’alumine par un laitier liquide Al₂O₃-CaO puis Al₂O₃-CaO-SiO₂. Les objectifs sont : d’adapter une méthodologie originale de caractérisation en diffraction des rayons X associée à une quantification des phases par affinement de profil Rietveld en température ; de déterminer les cinétiques réactionnelles ; d’établir un mécanisme et de modéliser les réactions via des simulations numériques. Deux types d’essais ont été menés : ex situ pour des temps de quelques heures (jusqu’à 24 h) ; in situ pour acquérir les informations dès les premières secondes. Les essais de corrosion ex situ entre 1500 °C et 1650 °C montrent que les cinétiques de dissolution/précipitation sont très rapides et que les cinétiques de diffusion sont lentes. Le suivi in situ à haute température a permis d’établir les cinétiques de corrosion. Ainsi, la méthodologie in situ en géométrie asymétrique avec un détecteur courbe en collaboration avec la société Inel montre que les phases précipitent en un temps inférieur à 5 minutes. Un mécanisme combiné de dissolution/précipitation/diffusion a été proposé où le grain d’alumine est enrobé par les aluminates de calcium selon l’ordre : Al₂O₃ – CA₆ – CA₂ – laitier. Les données in situ intégrées aux simulations numériques ont montré que le modèle Valensi-Carter est le plus adapté. Pour les résultats in situ, un modèle théorique a été testé en associant une croissance multicouche (modèle Buscaglia) à une dissolution de grain sphérique (modèle de Rice).
Origine : Version validée par le jury (STAR)