Study of the cooling down sequence of high ziconia fused-cast refractories
Étude du comportement post-coulée de réfractaires électrofondus à Très Haute Teneure en Zircone (THTZ)
Résumé
This work has been carried out in the frame of a French national research program on new refractories for glass production (NOREV) and focussed on the numerical simulation of the post-casting cooling of fused-cast refractories with a very high zirconia content (HZ). A numerical model of the cooling-down sequence of a tile has been developed from thermal measurements performed in a mould during a casting on industrial site. This calculation allowed the time positioning, for each location in the tile, of the physical phenomena occurring during cooling: solidification, creep and phase transformation of zirconia. Isothermal and non-isothermal mechanical tests allowed the constitutive equations of creep (isotropic hardening) and during zirconia transformation (Leblond transformation-induced viscoplasticity model). From the thermal loadings, the thermal stresses induced by cooling have been calculated, as well as the residual stresses remaining at room temperature. The phase transformation of zirconia, which induces a 4% volume swelling, seems to be the most critical physical phenomenon for both types of stresses. The performed parametric studies proved the interest of the numerical model as a tool for improving the process by varying different parameters: cast material properties, mould shape, properties of its constituents,...
Cette étude, inscrite dans le Programme National de Recherche NOREV (Nouveaux REfractaires Verriers), porte sur la simulation numérique par éléments finis du refroidissement post-coulée de réfractaires électrofondus à très haute teneur en zircone (THTZ). Un modèle numérique thermique du refroidissement d'une dalle a été développé, à partir de mesures thermiques réalisées dans un moule lors d'une coulée en usine. Ce calcul a permis de situer dans le temps, pour les différents points de la dalle, les phénomènes intervenant au cours du refroidissement : solidification, fluage et transformation de la zircone. Des essais mécaniques isothermes et anisothermes ont permis de définir les équations constitutives du comportement en fluage (écrouissage isotrope) et lors de la transformation de phase de la zircone (modèle de plasticité de transformation de Leblond). A partir des chargements thermiques, les contraintes générées au cours du refroidissement ont été calculées, ainsi que les contraintes résiduelles après retour à température ambiante. La transformation de phase de la zircone, qui induit un gonflement volumique de 4%, semble s'avérer être le phénomène physique le plus critique pour ces deux types de contraintes. Les études paramétriques réalisées ont prouvé l'intérêt du modèle numérique en tant qu'outil d'aide à l'amélioration du procédé en jouant sur les propriétés de divers paramètres : propriétés du matériau coulé, géométrie du moule, propriétés de ses constituants,...