Presque toutes les matières premières utilisées dans la fabrication des réfractaires sont des minéraux présents dans la nature. Les matières premières qui perdent beaucoup de volume ou de poids au cours du chauffage sont préchauffées dans des fours rotatifs afin d’obtenir des matières premières denses et stables.
En raison des exigences accrues en matière de pureté et de propriétés des matériaux réfractaires, les matières premières synthétiques sont de plus en plus fréquemment utilisées.
Principales matières premières
- La silice
Les matières premières utilisées pour la fabrication des briques de silice doivent avoir une teneur en SiO2 supérieure à 95 %. Les matières premières quartzites sont des roches granulaires compactes que l’on trouve dans la nature sous terre.
- Argile réfractaire / Mullite
Les argiles réfractaires à teneur variable en alumine sont produites en mélangeant des argiles minérales brutes riches en alumine (généralement des matériaux à base de kaolinite) et en les calcinant à une température de 1500 à 1600°C. À cette température, les argiles réagissent ensemble pour produire le matériau réfractaire qui est généralement un mélange de mullite, de quartz, de cristobalite et d’une phase vitreuse qui contient les impuretés des matières premières. En contrôlant la quantité de chaque argile minérale dans le mélange d’origine, il est possible de produire un produit réfractaire avec la teneur en alumine souhaitée. Toutefois, pour les argiles réfractaires à forte teneur en alumine, des minéraux bauxitiques peuvent être mélangés aux matériaux kaolinitiques ou un mélange de minéraux bauxitiques et de sable siliceux peut être utilisé pour produire un produit réfractaire avec une teneur en alumine de 60 à 70 %. Les principales sources d’argiles réfractaires de haute qualité sont les États-Unis, la Chine, la France et l’Afrique du Sud.
- Silimanite, andalousite et kyanite
Les minéraux de silimanite, d’andalousite et de kyanite sont couramment rencontrés dans les roches volcaniques et leurs produits d’altération. La silimanite, l’andalousite et le disthène se décomposent en un mélange de mullite et de silice pendant la cuisson. Elles sont extraites principalement en Afrique du Sud, aux États-Unis et en France.
- La bauxite
La bauxite est une roche latéritique, caractérisée par sa forte teneur en alumine Al2O3. Elle est formée par l’altération continentale dans les climats chauds et humides. La bauxite contient des proportions variables d’hydrate d’alumine, de kaolinite, de silice et d’oxydes de fer qui lui donnent souvent une coloration rouge. L’ Australie est le premier producteur de bauxite avec près d’un tiers de la production mondiale, suivie par la Chine et le Brésil.
La bauxite de qualité réfractaire doit avoir une teneur élevée en alumine et une très faible teneur en alcalis. Les niveaux d’oxyde de fer et de titane dans le minerai sont également très importants, car ils ont un impact sur les propriétés de résistance à haute température du matériau réfractaire. Pour produire la bauxite utilisée dans les réfractaires, les minerais sont calcinés à 1600 – 1650°C pour produire des agrégats denses et plus stables en volume. Les fonderies d’aluminium du CCG produisent déjà ce type d’alumine pour leurs besoins en cellules électrolytiques.
- Sable de zircon
Le sable de zircon est un sable naturel avec d’excellentes propriétés réfractaires. Le sable de zircon est également appelé silicate de zircon (ZrSiO4).
les matières premières synthétiques
- Alumine frittée/fusionnée
Les réfractaires les plus riches en alumine sont des matériaux synthétiques formés à très haute température. Il existe trois catégories générales : l’alumine frittée, l’alumine brune fondue (Brown Fused Alumina BFA) et l’alumine blanche fondue (White Fused Alumina WFA).
L’alumine brune fondue est obtenue par fusion de bauxite dans un four à arc électrique. Cela permet d’éliminer les impuretés comme un ferro-alliage. L’alumine fondue est ensuite refroidie et solidifiée avant d’être transformée en fractions de la taille souhaitée.
Le WFA est formé de la même manière que le BFA, mais la source d’alumine dans ce cas est l’alumine calcinée issue du procédé Bayer. Dans le procédé Bayer, la bauxite est traitée avec de la soude caustique pour précipiter l’hydroxyde d’alumine qui est ensuite chauffé à 1200-1300°C pour produire l’alumine calcinée. En raison de la plus grande pureté du matériau de départ, le produit WFA est plus pur que le BFA, avec une teneur en Al2O3 de 99,5 %.
- Magnésie
Les matières réfractaires extraites de la magnésite (MgCO3) ou du chlorure de magnésium (MgCl2) de l’eau de mer ou des saumures constituent la base de la magnésie frittée ou fondue. La magnésie frittée (MgO) est généralement cuite dans des fours à cuve ou des fours rotatifs afin d’éliminer le carbonate et de la fritter pour obtenir une faible porosité ; pour la calcination et le frittage, on utilise souvent des fours séparés. La magnésie fondue est fabriquée par fusion électrique, soit directement à partir du carbonate, soit à partir de la magnésie calcinée. La magnésie est principalement produite en Chine. Les autres pays producteurs sont le Brésil, la Russie, la Turquie, la Pologne et l’Autriche.
- Carbone et graphite
Le graphite et le carbone sont des minéraux naturels présents dans différentes roches métamorphiques et nécessitent un processus d’enrichissement par broyage et flottation avant d’être utilisés comme graphite en paillettes dans des produits réfractaires. Les principaux fournisseurs se trouvent en Chine.
En résumé, les matériaux réfractaires, indispensables dans les industries de haute température, sont principalement élaborés à partir de minéraux naturels. Afin d’optimiser leurs propriétés et de répondre aux exigences toujours plus poussées des procédés industriels, ces matières premières subissent des traitements thermiques et physico-chimiques complexes. Parallèlement, l’émergence de matériaux synthétiques, tels que l’alumine frittée ou la magnésie fondue, offre de nouvelles perspectives en termes de pureté, de résistance et de durabilité. Le choix des matières premières et des procédés de fabrication dépend étroitement des applications visées et des contraintes thermiques et chimiques auxquelles les réfractaires seront soumis.
