EP2697182A1 - Produit d'oxydes de chrome, de zirconium et d'hafnium - Google Patents

Produit d'oxydes de chrome, de zirconium et d'hafnium

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EP2697182A1
EP2697182A1 EP12718403.4A EP12718403A EP2697182A1 EP 2697182 A1 EP2697182 A1 EP 2697182A1 EP 12718403 A EP12718403 A EP 12718403A EP 2697182 A1 EP2697182 A1 EP 2697182A1
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EP
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oxide
oxides
refractory product
product according
weight
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Withdrawn
Application number
EP12718403.4A
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German (de)
English (en)
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Christian His
Franceline Villermaux
Thibault Champion
Nicolas Raffin
Laurie San Miguel
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Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
Original Assignee
Saint Gobain Centre de Recherche et dEtudes Europeen SAS
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Publication date
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    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C04B2235/9669—Resistance against chemicals, e.g. against molten glass or molten salts
    • C04B2235/9692—Acid, alkali or halogen resistance

Definitions

  • the invention relates to a refractory product comprising chromium oxide, especially used as inner coating of gasifier reactor, or "gasifier".
  • a gasifier used to gasify coal is known.
  • the coal gasification process known for about fifty years, is currently experiencing a strong development. It makes it possible, for example, from very diverse hydrocarbon materials, for example coal, petroleum coke, biomass, wood, charcoal or even heavy oils to be recycled, to produce synthesis gases serving as a share of clean energy source, and secondly of basic compounds for the chemical industry. This process also makes it possible to eliminate undesirable components, for example NOx, sulfur or mercury, before any discharge into the atmosphere.
  • the principle of gasification consists of a controlled partial combustion, under pressure and in the presence of steam or oxygen, at a temperature of between 1000 and 1600 ° C.
  • gasifiers There are different types of gasifiers, fixed bed, fluidized or driven. These gasifiers differ in the way in which the reactants are introduced, the manner in which the fuel-fuel mixture is carried out, the temperature and pressure conditions, and the process for removing ash or slag liquid residue resulting from the reaction.
  • the composition of the slags in the gasifiers is typically SiO 2 , FeO or Fe 2 O 3 , CaO and Al 2 O 3 . It may also include other oxides from the gasifier feed products.
  • FR 2 883 282 discloses an internal refractory coating of a gasifier having at least one region of a sintered material comprising, in percentages by weight, at least 40% chromium oxide (Cr 2 O 3 ) and at least 1% d zirconium oxide (Zr0 2 ), at least 20% by weight of said zirconium oxide (Zr0 2 ) being stabilized in the cubic and / or quadratic form.
  • This coating thus has a better resistance to corrosion.
  • WO 2008 109222 proposes a protective treatment of the refractory products constituting the refractory coating of the gasifiers.
  • this object is achieved by means of a sintered refractory product comprising, in percentages by weight, more than 10% of chromium oxide (Cr 2 O 3 ), more than 2% of hafnium oxide. (Hf0 2 ), more than 1% of zirconium oxide (Zr0 2 ), the total content of oxides of chromium, hafnium and zirconium (Cr 2 0 3 + Hf0 2 + Zr0 2 ) being greater than 70% .
  • hafnium oxide makes it possible to improve the resistance to thermal shocks and also to preserve or even improve the resistance to infiltration and the attack by the slags.
  • a product according to the invention may still have one or more of the following optional features:
  • hafnium oxide (Hf0 2 ) in the product is greater than 2.5%, or even greater than 3%, or even greater than 4%, in percentages by weight.
  • the content of hafnium oxide (Hf0 2 ) in the product is less than 50%, or even less than 40%, or even less than 30%, or even less than 20%, or even less than 15%, or even less at 10%, or even less than 7%, or even less than 5%, in percentages by weight.
  • more than 50%, more than 75%, or even more than 90% of the hafnium oxide of the product is contained in the matrix, in percentage by mass.
  • the content of chromium oxide (Cr 2 O 3 ) is greater than 20%, even greater than 30%, even greater than 45%, even greater than 50%, or even greater than 60%, greater than 65%, and / or less than 95%, in percentages by weight.
  • the content of zirconium oxide (Zr0 2 ) is greater than 4.5%, or even greater than 6%, or even greater than 8%, or even greater than 10%, or even greater than 15%, and / or less at 50%, less than 40%, in percentages by mass.
  • more than 20%, more than 30%, more than 40%, more than 50%, more than 60% of the zirconium oxide in percentage by weight, is stabilized in the cubic and / or quadratic form ( or "tetragonal").
  • the only zirconium oxide present in the matrix preferably represents more than 2.5% of the total mass of the product.
  • the total content of oxides of chromium, hafnium and zirconium is greater than 80%, greater than 85%, greater than 90%, in percentage by mass.
  • said product comprises at least one dopant, acting as stabilizer for zirconium oxide or not, chosen from CaO, MgO, Y 2 O 3 TiO 2 and their mixtures, preferably CaO and / or Y 2 O 3 , preferably Y 2 0 3 .
  • dopant acting as stabilizer for zirconium oxide or not, chosen from CaO, MgO, Y 2 O 3 TiO 2 and their mixtures, preferably CaO and / or Y 2 O 3 , preferably Y 2 0 3 .
  • the content of calcium oxide (CaO) is less than 4.0%, or even less than 3.0%, or even less than 2.0%, or even less than 1.0%, in percentages by weight.
  • the magnesium oxide (MgO) content is less than 4.0%, or even less than
  • the content of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) is less than 4.0%, or even less than 3.0%, or even less than 2.0%, in percentages by weight.
  • the content of yttrium oxide (Y 2 O 3 ) in the product is greater than 0.3%, preferably greater than 0.5%, preferably greater than 0.7% by weight percent.
  • the content of titanium oxide (TiO 2 ) is less than 4.0%, or even less than 3.0%, or even less than 2.0%, or even less than 1.0%, in percentages by weight.
  • the sum of the contents of oxides of calcium, magnesium, yttrium and titanium is less than 6.0%, or even less than 5.0% or even less than 4.0%, or even less than 3.0%, and / or greater than 0.5%, greater than 1.0%, or even greater than 2.0%, in percentages by weight.
  • the dopant acts, at least in part, as a stabilizer for zirconium oxide.
  • more than 50%, more than 75% or even more than 90%, more than 95%, even substantially 100% of the dopant, in particular calcium oxide and / or yttrium is contained in the matrix, in percent by mass.
  • the content of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) is greater than 1%, or even greater than 1, 5%, and / or less than 20%, or even less than 10%, or even less than 8%, even less than 5%, in percentages by weight.
  • the content of silicon oxide (SiO 2 ) is greater than 0.5%, even greater than 0.7%, or even greater than 1%, and / or less than 3%, preferably less than 1.5%. %, in percentages by mass.
  • the sum of the contents of chromium (Cr 2 O 3 ), zirconium (ZrO 2 ), hafnium (HfO 2 ), aluminum (Al 2 O 3 ) and silicon (SiO 2 ) oxides, calcium (CaO), magnesium (MgO), yttrium (Y 2 O 3 ) and titanium (TiO 2 ) is greater than 95%, preferably greater than 98%, in percentages by weight, the other constituents of product being preferably impurities.
  • the impurities conventionally comprise iron, for the most part in Fe 2 O 3 form, and alkali metal oxides such as Na 2 0 and K 2 0. It is considered that such levels of impurities do not call into question the advantages provided by the invention.
  • the oxides represent more than 90%, more than 95%, more than 99%, or even substantially 100% of the mass of the product.
  • the open porosity of the product is greater than 5%, greater than 8%, greater than 10% and / or less than 25%, less than 20%, and even less than 15%.
  • the product is in the form of a layer applied against the inner wall of a gasifier reactor or in the form of a block assembly arranged to protect said wall.
  • a layer or all the blocks of the assembly consist of a product according to the invention.
  • the granulate represents more than 60%, more than 70%, and / or less than 90%, or less than 80% of the mass of the product, the 100% complement being constituted by the matrix.
  • the structure of the product has a granulate consisting, for more than 90%, or even more than 95% or even more than 97% of its mass, of chromium oxide, said granulate being bound by a matrix constituted , for more than 90%, or even more than 94% of its mass,
  • zirconium oxide and / or chromium oxide and / or aluminum oxide optionally a dopant selected from CaO, MgO, Y 2 O 3 , TiO 2 , and mixtures thereof, the dopant acting as stabilizer of zirconium oxide or not.
  • the dopant may be CaO and / or Y 2 0 3 , preferably Y 2 0 3 .
  • the structure of the product has a granulate consisting, for more than 90%, of more than 95%, or even more than 97% of its mass, of zirconium oxide and / or hafnium oxide.
  • the granulate being bound by a matrix consisting, for more than 90% or even more than 94% of its mass, of zirconium oxide and / or chromium oxide and / or aluminum oxide, and optionally hafnium oxide and optionally a dopant selected from CaO, MgO, Y 2 0 3 , TiO 2 and mixtures thereof, the dopant acting as a stabilizer for zirconium oxide or not .
  • the dopant may be CaO and / or Y 2 O 3 , preferably Y 2 O 3 .
  • the structure of the product has a granulate consisting, for more than 90%, of more than 95%, or even more than 97% of its mass, of zirconium oxide and / or hafnium oxide. and / or chromium oxide, said granulate being bound by a matrix consisting, for more than 80% or even more than 90% of its mass, of hafnium oxide and zirconium oxide doped with CaO and / or or Y2O 3 and optionally chromium oxide.
  • the content of Al 2 O 3 in the matrix is greater than 1%, or even greater than 1, 5%, and / or less than 10%, or even less than 8%, or even less than 5%, in percentage by weight. mass on the basis of the mass of the oxides of the product.
  • the matrix comprises at least 1.5% hafnium oxide, in percent by weight based on the mass of the product oxides.
  • the invention also relates to a gasifier comprising a reactor provided with an inner wall coated, at least partially, with a refractory coating comprising a refractory product according to the invention, or even constituted by such products.
  • Said refractory product may be in the form of a layer or in the form of a block.
  • the invention also relates to a preform adapted to lead, by sintering, to a sintered refractory product according to the invention, and a particulate mixture adapted to lead, by shaping, to a preform according to the invention.
  • the invention finally relates to a manufacturing method comprising the following successive steps:
  • d) preferably, drying the preform, preferably in air or humidity controlled atmosphere, preferably so that the residual moisture of the preform is between 0 and 0.5%, e) baking of the preform, preferably in an oxidizing atmosphere, at a temperature between 1300 and 1600 ° C so as to form a sintered refractory product.
  • the charge is adapted to lead, at the end of step e), to a sintered refractory product according to the invention.
  • the sources of zirconium oxide may contain hafnium oxide, typically less than 2% hafnium oxide.
  • hafnium oxide is preferably added to the feedstock from a source of hafnium oxide comprising more than 50%, more than 75%, more than 90%, or even substantially 100% by weight. % hafnium oxide.
  • a source of hafnium oxide comprising more than 50%, more than 75%, more than 90%, or even substantially 100% by weight.
  • % hafnium oxide For example, a powder of particles of hafnium oxide is added.
  • the hafnium oxide provided by the zirconium oxide source is then taken into account. Definitions
  • preform conventionally means a set of bound particles by means of a binder, usually temporary, and whose microstructure will evolve during sintering.
  • a preform may in particular be in the form of a block or a layer, for example projected onto a wall of a reactor.
  • particle is meant a solid object within a powder, or “particulate mixture”.
  • particles having a size greater than 150 ⁇ called “grains”, and those having a size less than or equal to 150 ⁇ , called “fine particles” or “matrix particles”. All the grains constitute the “granulate”.
  • the set of matrix particles constitutes the "matrix fraction”.
  • grains and matrix particles are also called “granulate” and “matrix fraction” after they have been joined in the form of a preform. "Granulate” also refers to grains bonded by the matrix after sintering.
  • particle mixture is meant a dry mixture of particles (unrelated).
  • the "size" of a particle is the average of its largest dimension dM and its smallest dimension dm: (dM + dm) / 2.
  • the size of the particles of a particulate mixture is evaluated classically by a particle size distribution characterization performed with a laser granulometer.
  • the laser granulometer may be, for example, a Partica LA-950 from the company HORIBA.
  • the percentiles or "percentiles" (D 10 ), 50 (D 50 ), 90 (D 90 ) and 99.5 (D 99.5 ) of a powder are the particle sizes corresponding to the percentages, by mass, of 10%, 50%, 90% and 99.5%, respectively, on the cumulative particle size distribution curve of the powder particles, the particle sizes being ranked in ascending order. For example, 10% by weight of the particles of the powder have a size less than D 10 and 90% by weight of the particles have a size greater than D 10 . Percentiles can be evaluated using a particle size distribution using a laser granulometer.
  • the “maximum size” is the 99.5 percentile (D 99.5 ) of said powder.
  • the “median size” of a powder is called the percentile D 50 , ie the size dividing the particles into first and second populations equal in mass, these first and second populations comprising only particles having a size upper or lower respectively to the median size.
  • block is meant a solid object obtained by molding a filler comprising a particulate mixture (unlike a coating layer).
  • matrix is meant a crystallized phase or not, ensuring a continuous structure between the grains and obtained during sintering from the matrix fraction.
  • Interconnecting is a heat treatment by which refractory particles of a preform are transformed to form a matrix which bonds other particles of said preform together.
  • Refractory product means a product having a melting point or dissociation greater than 1000 ° C.
  • impurities is meant the inevitable constituents introduced involuntarily and necessarily with the raw materials or resulting from reactions with these constituents. Impurities are not necessary constituents, but only tolerated. Preferably, the mass quantity of the impurities is less than 2%, less than 1%, less than 0.5%, or even substantially zero.
  • precursor of a compound or an element is meant a constituent capable of supplying said compound, or said element respectively, during the implementation of a manufacturing method according to the invention.
  • the contents of oxides refer to the overall contents for each of the corresponding chemical elements, expressed in the form of the most stable oxide, according to the usual convention of the industry.
  • the sintered refractory product according to the invention consists of bound grains surrounded by a matrix.
  • the grains may have various chemical analyzes, in particular chromium oxide.
  • the aggregate may consist, for more than 90% or more of
  • zirconium oxide and / or hafnium oxide and / or chromium oxide in particular chromium oxide.
  • the matrix preferably comprises hafnium oxide.
  • the only hafnium oxide present in the matrix is preferably more than 1%, even more than 2%, or even more than 3% of the total mass of the product.
  • the matrix preferably comprises zirconium oxide.
  • the only zirconium oxide present in the matrix is preferably more than 2.5%, or even more than 5% or even more than 10% of the total mass of the product.
  • the zirconium oxide may or may not be stabilized by a dopant.
  • the matrix may consist, for more than 90% or even more than 94% of its mass, of zirconium oxide and / or of hafnium oxide and / or chromium oxide and / or aluminum oxide, and optionally a dopant selected from CaO, gO, Y 2 0 3 , TiO 2 , and mixtures thereof, the dopant acting as stabilizer for zirconium oxide or not.
  • the dopant is CaO and / or Y 2 O 3 , preferably Y 2 O 3 .
  • the product comprises as a percentage by weight based on the oxides, for a total of 100%,
  • Steps a) to e) are steps conventionally used to manufacture sintered products.
  • step a) a charge is prepared comprising:
  • a particulate mixture consisting of particles of the oxides intended to constitute the sintered refractory product and / or particles of precursors of these oxides
  • the composition of the particulate mixture of the filler is determined according to the final composition of the block.
  • the particulate mixture consists of more than 90%, more than 95%, even substantially 100% by weight of particles having a size less than 20 mm.
  • the grains represent more than 60% and / or less than 90%, less than 80% of the mass of the particulate mixture, the 100% complement consisting of the matrix particles.
  • the manner of determining the amounts of oxides or precursors of oxides in the feed is well known to those skilled in the art.
  • those skilled in the art know that the chromium, aluminum and zirconium oxides present in the feedstock are found in the refractory product manufactured. Some oxides can also be provided by the additives.
  • the composition of the feedstock may therefore vary, in particular as a function of the quantities and the nature of the additives present in this feedstock.
  • the chromium oxide may be provided as a mixture of sintered or fused particles of chromium oxide.
  • the source of zirconium oxide comprises more than 80%, preferably more than 90%, by weight of zirconium oxide.
  • the zirconium oxide may be provided in the form of an unstabilized zirconium oxide powder and / or stabilized zirconium oxide.
  • the zirconium oxide can be stabilized by means of a stabilizing dopant and / or by heat treatment at a very high temperature (typically greater than 1700 ° C.).
  • a very high temperature typically greater than 1700 ° C.
  • the dopant is selected from CaO, MgO, Y 2 O 3 , TiO 2 and mixtures thereof.
  • the zirconium oxide is preferably introduced, for more than 70%, more than
  • the zirconium oxide of the matrix fraction is provided in stabilized form by a dopant.
  • the zirconium oxide is doped with more than 3%, or even more than 4%, or even more than 5% by said dopant, in weight percent.
  • the dopant is preferably Y 2 0 3 and / or CaO.
  • the hafnium oxide may be contributed, in part, by the source of zirconium oxide.
  • at least 1.5% by weight is added of a powder comprising, in percentage by mass, more than 70%, more than 80%, more than 90%, or substantially 100% hafnium oxide.
  • the hafnium oxide is preferably introduced, for more than 70%, more than 80%, more than 90%, or even substantially 100% of its mass, in the form of matrix particles.
  • the aluminum oxide may in particular be provided in the form of a mixture of particles of calcined or reactive alumina, or even of white corundum.
  • the yttrium oxide of the matrix fraction is provided by a powder comprising more than 80%, preferably more than 90%, or even more than 95% or substantially 100% by weight of oxide of yttrium.
  • the yttrium oxide and / or calcium oxide CaO of the matrix fraction is provided by the zirconium oxide source.
  • the additives can be added to the load to ensure sufficient plasticity during the shaping step b) and to give sufficient strength to the preform obtained at the end of steps c) and d).
  • usable additives well known to those skilled in the art, mention may be made in a nonlimiting manner:
  • temporary binders that is to say, removed in whole or in part during the drying and cooking
  • organic such as resins, derivatives of cellulose or lignone, polyvinyl alcohols
  • the amount of temporary binder is between 0.1 and 6% by weight relative to the mass of the particulate mixture of the filler
  • shaping agents such as magnesium or calcium stearates; hydraulic binders such as a CaO aluminate cement;
  • deflocculants such as alkaline polyphosphates or methacrylate derivatives; sintering promoters such as titanium dioxide or magnesium hydroxide;
  • Additions of clay type that will facilitate implementation and help sintering. These additions provide alumina and silicon oxide, and some oxides of alkali or alkaline earth metals, or even iron oxide, depending on the type of clay.
  • the amounts of additives are not limiting. In particular, the quantities conventionally used in the sintering processes are appropriate.
  • the clay content in the feedstock is greater than 1.0%, greater than 1.5%, and / or less than 5.0%, less than 3.0%, mass percent based on oxides.
  • an additive provides one or more of the oxides included in the composition of the refractory product, it is preferably taken into account to determine the composition of the particulate mixture.
  • the charge comprises, in percentage by mass:
  • the grains and the matrix particles together represent more than 94%, preferably more than 95% of the mass of the filler.
  • the mixture of the various constituents of the charge is continued until a substantially homogeneous mass is obtained.
  • the charge is preferably packaged.
  • it is thus ready-to-use.
  • the invention also relates to a particulate mixture as described above and to a filler prepared or likely to have been prepared in a step a).
  • step b) the charge is placed in a mold and then shaped.
  • a specific pressure of 400 to 800 Kg / cm 2 is suitable.
  • the pressing is preferably performed uniaxially or isostatically, for example by means of a hydraulic press. It can be advantageously preceded by a manual or pneumatic tamping operation and / or vibration.
  • step c) the preform thus obtained is demolded.
  • step d) the drying can be carried out at a moderately high temperature. Preferably, it is carried out at a temperature of between 1 and 200 ° C. It typically lasts between 10 hours and one week depending on the format of the preform, until the residual moisture of the preform is less than 0.5%.
  • the invention also relates to a preform obtained in step c) or in step d).
  • step e) the dried preform is cooked.
  • the duration of the cooking between 3 and 15 days cold cold, varies depending on the composition but also the size and shape of the preform.
  • the baking cycle is preferably carried out conventionally, under air, at a temperature of between 1300 ° C and 1600 ° C.
  • the sintered refractory product obtained at the end of step e) is in the form of a block having a mass greater than 1 kg and / or having all dimensions greater than 100 mm.
  • the sintered refractory product obtained at the end of step e) proved to be particularly resistant to the stresses encountered inside the gasifier reactors, in particular resistant to infiltration by the slags or the ash. fusion.
  • the firing step e) can be carried out, totally or in part, after assembly of the preform in the reactor.
  • the blocks are assembled by means of suitable expansion joints, according to techniques well known to those skilled in the art.
  • the invention also relates to a refractory product according to the invention in the form of a coating of a reactor, in particular a gasifier.
  • a filler for example manufactured according to step a) above, may be applied in a layer on the inner surface of the reactor wall, for example by casting, vibrocolding or spraying, depending on the requirements and with a great flexibility, then sintered in situ during the preheating of the reactor, so as to achieve a coating of a refractory product according to the invention.
  • Sintering preferably takes place at atmospheric pressure, preferably under an oxidizing atmosphere and preferably at a temperature between 1300 and 1600 ° C.
  • chromium oxide powder with a purity of 98% Cr 2 0 3 by mass, and consisting of at least 90% by mass of particles having a size greater than 20 microns but less than 5 mm (G1 powder) ,
  • powder of a solid solution Zr0 2 -Hf0 2 comprising 80% by weight of hafnium oxide and 20% by weight of zirconium oxide, and consisting of at least 90% by mass of particles having a size greater than 20 microns but less than 5 mm (powder G2),
  • corundum powder and a solid solution Zr0 2 -Hf0 2 comprising 40% by weight of hafnium oxide, 10% by weight of zirconium oxide and 50% by weight of alumina, and consisting of less than 90% by mass of particles having a size greater than 20 microns but less than 5 mm (powder G3),
  • pigmented chromium oxide powder > 98% Cr 2 0 3 ) whose median size (D 50 ) is less than 2 microns (powder P1),
  • zirconium oxide powder (> 98% by weight of Zr0 2 ) stabilized with 4% by weight of CaO, the particle size being less than 50 microns, the size median being about 12 ⁇ , and said particles having about 70% of zirconium oxide in quadratic and / or cubic form (powder P2), alumina powder (> 98% by weight of Al 2 O 3 ) of which the median size (D 50 ) is less than 10 microns (powder P3),
  • hafnium oxide powder > 97% by mass of Hf0 2 ) whose median size (D 50 ) is less than 2 microns (powder P4),
  • additives RR40 clay with an alumina content greater than 30%.
  • the tested products were manufactured according to steps a) to e) described above.
  • step a the raw materials as indicated in Table 1 were mixed with 1.3-2% RR40 clay and about 3% water and 0.3-0.7% water. Binders (magnesia stearate and Bretax C) were added to the particulate mixture as a percentage based on said particulate mixture.
  • step b) compaction of the charge inside the mold was carried out at a pressure of 600 Kg / cm 2 so as to form a preform.
  • step d) the cooking was carried out in air at a temperature of between 1400 and 1600 ° C to form a sintered refractory product.
  • Density and open porosity measurements were performed according to the ISO 5017 standard on products prior to any corrosion.
  • the slag used having the following mass composition:
  • the basicity index B of this slag that is to say the mass ratio (CaO + MgO + Fe 2 O 3) (SiO 2 + Al 2 O 3 ) was typically of the order of 0.6.
  • the weight ratio CaO / SiO 2 was of the order of 0.4.
  • the corrosion indicator (1c) is equal, for a given section of the immersed portion of the test piece, to the ratio of the percentage of surface loss of the test piece of the reference example to the percentage of surface loss of the test piece.
  • the sample of the example considered, multiplied by 100. is therefore 100 for the reference product and a value greater than 100 indicates a better resistance to corrosion.
  • the depth of CaO penetration from the slag is measured using a microprobe obtained on a metallographic section.
  • the penetration indicator (Ip) is equal to the ratio of the penetrated depth of the test specimen of the reference example to the penetrated depth of the specimen of the example considered, multiplied by 100. Thus, Ip is 100 the reference product and a value greater than 100 indicates better resistance to slag penetration.
  • Product No. 1 is the reference product.
  • Table 1 makes it possible to verify that the presence of hafnium oxide and a high content of Cr 2 O 3 + Hf0 2 + Zr0 2 make it possible to improve the resistance to thermal shocks. It also shows that the presence of hafnium oxide makes it possible to maintain or even improve the corrosion resistance (index 1c).
  • the refractory product according to the invention advantageously makes it possible to improve the resistance to thermal shocks by maintaining a good resistance to corrosion by the slags encountered in the gasifier reactors.
  • zirconium oxide doped with yttrium oxide may have a favorable effect for the resistance to penetration of the slag (Ip).
  • the application of the sintered refractory product according to the invention is not limited to a gasifier.

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Abstract

Produit réfractaire fritté comportant, en pourcentages en masse sur la base des oxydes, -plus de 10 % d'oxyde de chrome Cr2 O3, -plus de 2% d'oxyde d'hafnium HfO2, -plus de 1% d'oxyde de zirconium ZrO2, la teneur totale en oxydes de chrome, d'hafnium et de zirconium Cr2O3 + HfO2 + ZrO2 étant supérieure à 70 %.

Description

Produit d'oxydes de chrome, de zirconium et d'hafnium
Domaine technique
L'invention concerne un produit réfractaire comportant de l'oxyde de chrome, notamment utilisé en tant que revêtement interne de réacteur de gazéifieur, ou « gazéificateur ».
Etat de la technique
On connaît en particulier un gazéifieur utilisé pour gazéifier du charbon. Le procédé de gazéification du charbon connu depuis environ une cinquantaine d'années, connaît actuellement un fort développement. Il permet en effet, à partir de matières hydrocarbonées très diverses, par exemple le charbon, le coke de pétrole, la biomasse, le bois, le charbon de bois, voire les huiles lourdes à recycler, de produire des gaz de synthèse servant d'une part de source d'énergie propre, et d'autre part de composés de base pour l'industrie chimique. Ce procédé permet en outre d'éliminer les composants indésirables, par exemple les NOx, le soufre ou le mercure, avant tout rejet dans l'atmosphère.
Le principe de la gazéification consiste en une combustion partielle contrôlée, sous pression et en présence de vapeur d'eau ou d'oxygène, à une température comprise entre 1000 et 1600°C environ.
Il existe différents types de gazéifieurs, à lit fixe, fluidisé ou entraîné. Ces gazéifieurs diffèrent par le mode d'introduction des réactifs, la manière dont est effectué le mélange comburant-combustible, les conditions de température et de pression et le procédé d'évacuation des cendres ou du laitier résidu liquide issu de la réaction.
L'article intitulé « Refractories for Gasification » paru dans la revue « Refractories Applications and News » Volume 8, Number 4, July-August 2003, écrit par Wade Taber du département Energy Systems de la Division Saint-Gobain Industrial Ceramics, décrit la structure d'un revêtement réfractaire interne d'un gazéifieur. Ce gazéifieur est revêtu de différentes couches de produits réfractaires capables de résister aux conditions de température, de pression et d'environnement chimique auxquelles ils sont soumis pendant la gazéification. Les couches de produits réfractaires protègent ainsi la paroi métallique intérieure du gazéifieur de la chaleur et de la corrosion par les gaz et les laitiers.
La composition des laitiers dans les gazéifieurs est typiquement constituée de Si02, FeO ou Fe203, CaO et d'AI203. Elle peut également comporter d'autres oxydes issus des produits d'alimentation du gazéifieur. L'indice de basicité B = (CaO + MgO + Fe203) / (Al203+Si02) est typiquement d'environ 0,6 et le rapport C/S = CaO/Si02 est typiquement de 0,4, les teneurs étant en pourcentages en masse.
Pour accroître la durée de vie des revêtements réfractaires, soumis à la corrosion des laitiers et au cyclage thermique, les chercheurs ont tenté d'augmenter leur épaisseur. Cette solution présente cependant l'inconvénient de diminuer le volume utile du gazéifieur et donc son rendement.
James P. Bennett, dans l'article « Refractory liner used in slagging gasifiers » paru dans la revue « Refractories Applications and News » vol 9 numéro 5 septembre/octobre 2004, pages 20-25, explique que la durée de vie des revêtements réfractaires actuels des gazéifieurs, en particulier des systèmes refroidis par air, est très limitée malgré leur forte teneur en oxyde de chrome. Il mentionne notamment le rapport de SJ Clayton, GJ Stiegel et J.G Wimer « Gasification Technologies, Gasification Markets and Technologies - Présent and Future, an Industry Perspective », US DOE report DOE /FE 0447 juillet 2002.
FR 2 883 282 décrit d'un revêtement réfractaire interne de gazéifieur présentant au moins une région en un matériau fritté comportant, en pourcentages en masse, au moins 40 % d'oxyde de chrome (Cr203) et au moins 1 % d'oxyde de zirconium (Zr02), au moins 20 % en masse dudit oxyde de zirconium (Zr02) étant stabilisé sous la forme cubique et/ou quadratique. Ce revêtement présente ainsi une meilleure résistance à la corrosion.
WO 2008 109222 propose un traitement de protection des produits réfractaires constituant le revêtement réfractaire des gazéifieurs.
Il existe un besoin permanent pour un produit réfractaire apte à résister plus efficacement et durablement que les produits connus aux chocs thermiques rencontrés à l'intérieur des gazéifieurs et, de préférence, présentant une meilleure résistance à la corrosion par les laitiers. Le but de l'invention est de satisfaire ce besoin.
Résumé de l'invention
Selon l'invention, on atteint ce but au moyen d'un produit réfractaire fritté comportant, en pourcentages en masse, plus de 10 % d'oxyde de chrome (Cr203), plus de 2 % d'oxyde d'hafnium (Hf02), plus de 1 % d'oxyde de zirconium (Zr02), la teneur totale en oxydes de chrome, d'hafnium et de zirconium (Cr203 + Hf02 + Zr02) étant supérieure à 70 %.
Comme on le verra plus en détail dans la suite de la description, de manière surprenante, la présence d'oxyde d'hafnium permet d'améliorer la résistance aux chocs thermiques et également de conserver, voire améliorer la résistance à l'infiltration et à l'attaque par les laitiers.
Un produit selon l'invention peut présenter encore une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes :
La teneur en oxyde d'hafnium (Hf02) dans le produit est supérieure à 2,5%, voire supérieure à 3%, voire supérieure à 4 %, en pourcentages en masse.
De préférence, la teneur en oxyde d'hafnium (Hf02) dans le produit, est inférieure à 50%, voire inférieure à 40 %, voire inférieure à 30%, voire inférieure à 20%, voire inférieure à 15%, voire inférieure à 10%, voire inférieure à 7%, voire inférieure à 5%, en pourcentages en masse.
- Dans un mode de réalisation, plus de 50%, plus de 75%, voire plus de 90% de l'oxyde d'hafnium du produit est contenu dans la matrice, en pourcentage en masse. De préférence, la teneur en oxyde de chrome (Cr203) est supérieure à 20%, voire supérieure à 30%, voire supérieure à 45%, voire supérieure à 50 %, voire supérieure à 60%, supérieure à 65 %, et/ou inférieure à 95%, en pourcentages en masse.
- De préférence, la teneur en oxyde de zirconium (Zr02) est supérieure à 4,5 %, voire supérieure à 6 %, voire supérieure à 8 %, voire supérieure à 10 %, voire supérieure à 15 %, et/ou inférieure à 50%, inférieure à 40%, en pourcentages en masse.
- De préférence, plus de 20%, plus de 30%, plus de 40%, plus de 50%, plus de 60 % de l'oxyde de zirconium en pourcentage en masse, est stabilisé sous la forme cubique et/ou quadratique (ou « tétragonale »). Le seul oxyde de zirconium présent dans la matrice représente de préférence plus de 2,5% de la masse totale du produit.
La teneur totale en oxydes de chrome, d'hafnium et de zirconium (Cr203 + Hf02 + Zr02) est supérieure à 80 %, supérieure à 85%, supérieure à 90%, en pourcentage en masse.
De préférence, ledit produit comporte au moins un dopant, agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas, choisi parmi CaO, MgO, Y203 Ti02 et leurs mélanges, de préférence CaO et/ou Y203, de préférence Y203.
La teneur en oxyde de calcium (CaO) est inférieure à 4,0%, voire inférieure à 3,0%, voire inférieure à 2,0%, voire inférieure à 1 ,0%, en pourcentages en masse.
La teneur en oxyde de magnésium (MgO) est inférieure à 4,0%, voire inférieure à
3,0%, voire inférieure à 2,0%, voire inférieure à 1 ,0%, en pourcentages en masse.
La teneur en oxyde d'yttrium (Y203) est inférieure à 4,0%, voire inférieure à 3,0%, voire inférieure à 2,0%, en pourcentages en masse.
- La teneur en oxyde d'yttrium (Y203) dans le produit est supérieure à 0,3%, de préférence supérieure à 0,5%, de préférence supérieure à 0,7% en pourcentages en masse.
La teneur en oxyde de titane (Ti02) est inférieure à 4,0%, voire inférieure à 3,0%, voire inférieure à 2,0%, voire inférieure à 1 ,0%, en pourcentages en masse.
- De préférence, la somme des teneurs en oxydes de calcium, de magnésium, d'yttrium et de titane (CaO + MgO + Y203 + Ti02) est inférieure à 6,0%, voire inférieure à 5,0%, voire inférieure à 4,0%, voire inférieure à 3,0%, et/ou supérieure à 0,5%, supérieure à 1 ,0%, voire supérieure à 2,0%, en pourcentages en masse.
De préférence encore, le dopant agit, au moins en partie, comme stabilisant de l'oxyde de zirconium.
Dans un mode de réalisation, plus de 50%, plus de 75%, voire plus de 90%, plus de 95%, voire sensiblement 100% du dopant, en particulier de l'oxyde de calcium et/ ou de l'oxyde d'yttrium, est contenu dans la matrice, en pourcentage en masse.
De préférence, la teneur en oxyde d'aluminium (Al203) est supérieure à 1 %, voire supérieure à 1 ,5%, et/ou inférieure à 20%, voire inférieure à 10%, voire inférieure à 8%, voire inférieure à 5%, en pourcentages en masse.
De préférence, la teneur en oxyde de silicium (Si02) est supérieure à 0,5 %, voire supérieure à 0,7%, voire supérieure à 1 %, et/ou inférieure à 3%, de préférence inférieure à 1 ,5%, en pourcentages en masse. De préférence, la somme des teneurs en oxydes de chrome (Cr203), de zirconium (Zr02), d'hafnium (Hf02), d'aluminium (Al203), de silicium (Si02), de calcium (CaO), de magnésium (MgO), d'yttrium (Y203) et de titane (Ti02) est supérieure à 95%, de préférence supérieure à 98%, en pourcentages en masse, les autres constituants du produit étant de préférence des impuretés. Les impuretés comprennent classiquement le fer, en majeure partie sous forme Fe203, et les oxydes de métaux alcalins tels que Na20 et K20. On considère que de telles teneurs en impuretés ne remettent pas en cause les avantages procurés par l'invention.
De préférence, les oxydes représentent plus de 90%, plus de 95%, plus de 99%, voire sensiblement 100% de la masse du produit.
La porosité ouverte du produit est supérieure à 5%, supérieure à 8%, supérieure à 10% et/ou inférieure à 25%, inférieure à 20%, voire inférieure à 15%.
Le produit se présente sous la forme d'une couche appliquée contre la paroi intérieure d'un réacteur du gazéifieur ou sous la forme d'un assemblage de blocs agencé pour protéger ladite paroi. De préférence toute la couche ou tous les blocs de l'assemblage sont constitués en un produit selon l'invention.
De manière surprenante, les inventeurs ont également constaté qu'un produit selon l'invention peut présenter une résistance à la corrosion remarquable.
De préférence, le granulat représente plus de 60%, plus de 70%, et/ou moins de 90%, ou moins de 80% de la masse du produit, le complément à 100% étant constitué par la matrice.
Selon un mode de réalisation, la structure du produit présente un granulat constitué, pour plus de 90%, voire plus de 95%, voire plus de 97% de sa masse, d'oxyde de chrome, ledit granulat étant lié par une matrice constituée, pour plus de 90%, voire plus de 94% de sa masse,
d'oxyde d'hafnium et
d'oxyde de zirconium et/ou d'oxyde de chrome et/ou d'oxyde d'aluminium, et éventuellement d'un dopant choisi parmi CaO, MgO, Y203,Ti02, et leurs mélanges, le dopant agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas.
En particulier, le dopant peut être CaO et/ou Y203, de préférence Y203. Selon un autre mode de réalisation, la structure du produit présente un granulat constitué, pour plus de 90%, plus de 95%, voire plus de 97% de sa masse, d'oxyde de zirconium et/ou d'oxyde d'hafnium et/ou d'oxyde de chrome, ledit granulat étant lié par une matrice constituée, pour plus de 90%, voire plus de 94% de sa masse, d'oxyde de zirconium et/ou d'oxyde de chrome et/ou d'oxyde d'aluminium, et éventuellement d'oxyde d'hafnium et éventuellement d'un dopant choisi parmi CaO, MgO, Y203,Ti02 et leurs mélanges, le dopant agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas. En particulier, le dopant peut être CaO et/ou Y2O3, de préférence Y203.
Selon un autre mode de réalisation, la structure du produit présente un granulat constitué, pour plus de 90%, plus de 95%, voire plus de 97% de sa masse, d'oxyde de zirconium et/ou d'oxyde d'hafnium et/ou d'oxyde de chrome, ledit granulat étant lié par une matrice constituée, pour plus de 80%, voire plus de 90% de sa masse, d'oxyde d'hafnium et d'oxyde de zirconium dopé par CaO et/ou Y2O3 et éventuellement d'oxyde de chrome.
De préférence, la teneur en Al203 dans la matrice est supérieure à 1 %, voire supérieure à 1 ,5%, et/ou inférieure à 10%, voire inférieure à 8%, voire inférieure à 5%, en pourcentage en masse sur la base de la masse des oxydes du produit.
De préférence, la matrice comporte au moins 1 ,5% d'oxyde d'hafnium, en pourcentage en masse sur la base de la masse des oxydes du produit. L'invention concerne également un gazéifieur comportant un réacteur pourvu d'une paroi intérieure revêtue, au moins partiellement, par un revêtement réfractaire comportant un produit réfractaire selon l'invention, voire constitué par de tels produits.
Ledit produit réfractaire peut se présenter sous la forme d'une couche ou sous la forme d'un bloc.
L'invention concerne également une préforme adaptée pour conduire, par frittage, à un produit réfractaire fritté selon l'invention, et un mélange particulaire adapté pour conduire, par mise en forme, à une préforme selon l'invention.
L'invention concerne enfin un procédé de fabrication comportant les étapes successives suivantes :
a) préparation d'une charge, b) coulage de ladite charge dans un moule et mise en forme, par exemple par vibration et/ou pressage et/ou pilonnage de ladite charge à l'intérieur du moule, de manière à former une préforme,
c) démoulage de la préforme,
d) de préférence, séchage de la préforme, de préférence sous air ou atmosphère contrôlée en humidité, de préférence de manière que l'humidité résiduelle de la préforme soit comprise entre 0 et 0,5%, e) cuisson de la préforme, de préférence sous atmosphère oxydante, à une température comprise entre 1300 à 1600°C de manière à former un produit réfractaire fritté.
Selon l'invention, la charge est adaptée pour conduire, en fin d'étape e), à un produit réfractaire fritté selon l'invention.
Les sources d'oxyde de zirconium peuvent contenir de l'oxyde d'hafnium, classiquement moins de 2% d'oxyde d'hafnium.
Selon l'invention, on ajoute de préférence de l'oxyde d'hafnium dans la charge à partir d'une source d'oxyde d'hafnium comportant plus de 50%, plus de 75%, plus de 90%, voire sensiblement 100% d'oxyde d'hafnium. Par exemple, on ajoute une poudre de particules en oxyde d'hafnium. De préférence, on tient alors compte de l'oxyde d'hafnium apporté par la source d'oxyde de zirconium. Définitions
Par « préforme », on entend classiquement un ensemble de particules liées au moyen d'un liant, généralement temporaire, et dont la microstructure va évoluer lors du frittage. Un préforme peut notamment présenter la forme d'un bloc ou d'une couche, par exemple projetée sur une paroi d'un réacteur.
Par « particule », on entend un objet solide au sein d'une poudre, ou « mélange particulaire ». On distingue en particulier les particules présentant une taille supérieure à 150 μηη, appelées « grains », et celles présentant une taille inférieure ou égale à 150 μηη, appelées « particules fines » ou « particules matricielles ». L'ensemble des grains constitue le « granulat ». L'ensemble des particules matricielles constitue la « fraction matricielle ». Par extension, on appelle également « granulat » et « fraction matricielle » les grains et les particules matricielles après qu'ils ont été solidarisés sous la forme d'une préforme. Le « granulat » désigne également les grains liés par la matrice après frittage.
Par « mélange particulaire », on entend un mélange sec de particules (non liées entre elles).
On appelle « taille » d'une particule la moyenne de sa plus grande dimension dM et de sa plus petite dimension dm : (dM+dm)/2. La taille des particules d'un mélange particulaire est évaluée classiquement par une caractérisation de distribution granulométrique réalisée avec un granulomètre laser. Le granulomètre laser peut être, par exemple, un Partica LA-950 de la société HORIBA.
Les percentiles ou « centiles » 10 (D10), 50 (D50), 90 (D90) et 99,5 (D99,5) d'une poudre sont les tailles de particules correspondant aux pourcentages, en masse, de 10 %, 50 %, 90 % et 99,5 % respectivement, sur la courbe de distribution granulométrique cumulée des particules de la poudre, les tailles de particules étant classées par ordre croissant. Par exemple, 10 %, en masse, des particules de la poudre ont une taille inférieure à D10 et 90 % en masse des particules ont une taille supérieure à D10. Les percentiles peuvent être évalués à l'aide d'une distribution granulométrique réalisée à l'aide d'un granulomètre laser.
On appelle « taille maximale » le percentile 99,5 (D99,5) de ladite poudre.
On appelle « taille médiane » d'une poudre, le percentile D50, c'est-à-dire la taille divisant les particules en première et deuxième populations égale en masse, ces première et deuxième populations ne comportant que des particules présentant une taille supérieure, ou inférieure respectivement, à la taille médiane.
Par « bloc », on entend un objet solide obtenu par un moulage d'une charge comportant un mélange particulaire (à la différence d'une couche de revêtement).
Par « matrice », on entend une phase cristallisée ou non, assurant une structure continue entre les grains et obtenue lors du frittage à partir de la fraction matricielle.
On appelle « frittage » un traitement thermique par lequel des particules réfractaires d'une préforme se transforment pour former une matrice liant entre elles d'autres particules de ladite préforme. Par « produit réfractaire », on entend un produit présentant un point de fusion ou de dissociation supérieur à 1000°C.
Par « impuretés», on entend les constituants inévitables, introduits involontairement et nécessairement avec les matières premières ou résultant de réactions avec ces constituants. Les impuretés ne sont pas des constituants nécessaires, mais seulement tolérés. De préférence, la quantité massique des impuretés est inférieure à 2%, inférieure à 1 %, inférieure à 0,5%, voire sensiblement nulle.
Par « précurseur » d'un composé ou d'un élément, on entend un constituant apte à fournir ledit composé, respectivement ledit élément, lors de la mise en œuvre d'un procédé de fabrication selon l'invention.
Les teneurs en oxydes se rapportent aux teneurs globales pour chacun des éléments chimiques correspondants, exprimées sous la forme de l'oxyde le plus stable, selon la convention habituelle de l'industrie.
Sauf indication contraire, toutes les teneurs en oxydes des produits selon l'invention sont des pourcentages en masse exprimés sur la base des oxydes.
Par « contenant un », « comprenant un » ou « comportant un », on entend « comportant au moins un », sauf indication contraire.
Description détaillée
Le produit réfractaire fritté selon l'invention est constitué de grains liés et entourés par une matrice.
Les grains peuvent présenter des analyses chimiques diverses, en particulier comporter de l'oxyde de chrome.
En particulier, le granulat peut être constitué, pour plus de 90%, voire plus de
95%, voire plus de 97% de sa masse, d'oxyde de zirconium et/ou d'oxyde d'hafnium et/ou d'oxyde de chrome, en particulier d'oxyde de chrome.
La matrice comporte de préférence de l'oxyde d'hafnium. Le seul oxyde de d'hafnium présent dans la matrice représente de préférence plus de 1 %, voire plus de 2%, voire plus de 3% de la masse totale du produit. La matrice comporte de préférence de l'oxyde de zirconium. Le seul oxyde de zirconium présent dans la matrice représente de préférence plus de 2,5%, voire plus de 5%, voire plus de 10% de la masse totale du produit. L'oxyde de zirconium peut être ou non stabilisé par un dopant.
En particulier, la matrice peut être constituée, pour plus de 90%, voire plus de 94% de sa masse, d'oxyde de zirconium et/ou d'oxyde d'hafnium et/ou d'oxyde de chrome et/ou d'oxyde d'aluminium, et éventuellement d'un dopant choisi parmi CaO, gO, Y203,Ti02, et leurs mélanges, le dopant agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas. De préférence, le dopant est CaO et/ou Y2O3, de préférence Y203.
Dans un mode de réalisation, le produit comporte en pourcentage en masse sur la base des oxydes, pour un total de 100%,
- 60% < Cr203 < 80%,
- 2 % < Hf02 < 5%,
- 10% < Zr02 < 30%, de préférence 15% < Zr02 < 25%,
- de préférence 0,3% < Y203 < 4%, de préférence 0,5% < Y203,
- Al203 < 8%, de préférence Al203 < 5%, de préférence Al203 < 4%,
- de préférence 1 % < Al203, de préférence 2% < Al203,
- autres oxydes < 10%, de préférence autres oxydes < 5%.
Pour fabriquer un bloc en un produit réfractaire fritté selon l'invention, on peut mettre en œuvre un procédé comportant les étapes a) à e) ci-dessus.
Les étapes a) à e) sont des étapes classiquement mises en œuvre pour fabriquer des produits frittés.
A l'étape a), on prépare une charge comportant :
un mélange particulaire constitué par des particules des oxydes destinés à constituer le produit réfractaire fritté et/ou par des particules de précurseurs de ces oxydes,
optionnellement, un ou plusieurs additifs,
optionnellement, de l'eau.
La composition du mélange particulaire de la charge est déterminée en fonction de la composition finale du bloc. De préférence, le mélange particulaire est constitué de plus de 90%, plus de 95%, voire sensiblement 100% en masse de particules ayant une taille inférieure à 20 mm.
De préférence, les grains représentent plus de 60% et/ou moins de 90%, moins de 80% de la masse du mélange particulaire, le complément à 100% étant constitué des particules matricielles.
La façon de déterminer les quantités des oxydes ou précurseurs d'oxydes dans la charge est parfaitement connue de l'homme du métier. En particulier, l'homme du métier sait que les oxydes de chrome, d'aluminium et de zirconium présents dans la charge de départ se retrouvent dans le produit réfractaire fabriqué. Certains oxydes peuvent également être apportés par les additifs. Pour une même quantité des constituants du produit réfractaire fritté, la composition de la charge de départ peut donc varier, notamment en fonction des quantités et de la nature des additifs présents dans cette charge.
L'oxyde de chrome peut être apporté sous forme d'un mélange de particules frittées ou fondues d'oxyde de chrome.
De préférence, la source d'oxyde de zirconium comporte plus de 80%, de préférence plus de 90%, en masse d'oxyde de zirconium.
L'oxyde de zirconium peut être apporté sous forme d'une poudre d'oxyde de zirconium non stabilisée et/ou d'oxyde de zirconium stabilisée. L'oxyde de zirconium peut être stabilisé au moyen d'un dopant stabilisant et/ou par traitement thermique à très haute température (typiquement supérieure à 1700°C). De préférence, au moins 20 % en masse de l'oxyde de zirconium est stabilisé sous la forme cubique et/ou quadratique. De préférence, le dopant est choisi parmi CaO, MgO, Y2O3, Ti02 et leurs mélanges.
L'oxyde de zirconium est de préférence introduit, pour plus de 70%, plus de
80%, plus de 90%, voire sensiblement 100% de sa masse, sous la forme de particules matricielles.
Dans un mode de réalisation, l'oxyde de zirconium de la fraction matricielle est apporté sous forme stabilisée par un dopant. De préférence, l'oxyde de zirconium est dopé à plus de 3%, voire plus de 4%, voire plus de 5% par ledit dopant, en pourcentage massique. Le dopant est de préférence Y203 et/ou CaO. L'oxyde d'hafnium peut être apporté, en partie, par la source d'oxyde de zirconium. De préférence, on ajoute au moins 1 ,5% en masse (sur la base de la masse du mélange particulaire) d'une poudre comportant, en pourcentage en masse, plus de 70%, plus de 80%, plus de 90%, voire sensiblement 100% d'oxyde d'hafnium.
L'oxyde d'hafnium est de préférence introduit, pour plus de 70%, plus de 80%, plus de 90%, voire sensiblement 100% de sa masse, sous la forme de particules matricielles.
L'oxyde d'aluminium peut être notamment apporté sous forme d'un mélange de particules d'alumine calcinée ou réactive, voire de corindon blanc.
Dans un mode de réalisation, l'oxyde d'yttrium de la fraction matricielle est apporté par une poudre comportant plus de 80%, de préférence plus de 90%, voire plus de 95% ou sensiblement 100% en masse d'oxyde d'yttrium.
Dans un mode de réalisation préféré, l'oxyde d'yttrium et/ou l'oxyde de calcium CaO de la fraction matricielle sont apportés par la source d'oxyde de zirconium.
Les additifs peuvent être ajoutés à la charge pour lui assurer une plasticité suffisante pendant l'étape b) de mise en forme et pour conférer une résistance mécanique suffisante à la préforme obtenue en fin des étapes c) et d). Comme exemples d'additifs utilisables, bien connus de l'homme du métier, on peut citer de façon non limitative :
- des liants temporaires (c'est-à-dire éliminés en tout ou en partie lors des étapes de séchage et de cuisson) organiques, tels que les résines, des dérivés de la cellulose ou de la lignone, des alcools polyvinyliques ; De préférence, la quantité de liant temporaire est comprise entre 0, 1 et 6 % en masse par rapport à la masse du mélange particulaire de la charge ;
- des agents de mise en forme tels que les stéarates de magnésium ou de calcium ; des liants hydrauliques tels qu'un ciment de type aluminate de CaO ;
des défloculants tels que les polyphosphates alcalins ou les dérivés méthacrylates ; des promoteurs de frittage tels que le bioxyde de titane ou l'hydroxyde de magnésium ;
- des ajouts de type argileux qui vont faciliter la mise en œuvre et aider au frittage. Ces ajouts apportent de l'alumine et de l'oxyde de silicium, et quelques oxydes de métaux alcalins ou alcalino terreux, voire de l'oxyde de fer, selon le type d'argile. Les quantités d'additifs ne sont pas limitatives. En particulier, les quantités classiquement mises en œuvre dans les procédés de frittage sont appropriées.
De préférence, la teneur en argile dans la charge de départ est supérieure à 1 ,0%, supérieure à 1 ,5%, et/ou inférieure à 5,0%, inférieure à 3,0%, en pourcentage massique sur la base des oxydes.
Le cas échéant, si un additif apporte un ou plusieurs des oxydes entrant dans la composition du produit réfractaire, on tient de préférence compte de cet apport pour déterminer la composition du mélange particulaire.
De préférence, la charge comporte, en pourcentage en masse :
- plus 60 % et de préférence moins de 90% de grains ;
- moins de 40% de particules matricielles ;
- moins de 7% d'un ou plusieurs additifs de mise en forme.
De préférence, les grains et les particules matricielles représentent ensemble plus de 94%, de préférence plus de 95% de la masse de la charge.
Le mélange des différents constituants de la charge est poursuivi jusqu'à obtention d'une masse sensiblement homogène.
De préférence, on ajoute entre 1 % et 5% d'eau, en pourcentage en masse sur la base du mélange particulaire.
La charge est de préférence conditionnée. Avantageusement, elle est ainsi prête-à-l'emploi.
L'invention porte également sur un mélange particulaire tel que décrit ci-dessus et sur une charge préparée ou susceptible d'avoir été préparée lors d'une étape a).
A l'étape b), la charge est disposée dans un moule, puis mise en forme.
Dans le cas d'une mise en forme par pressage, une pression spécifique de 400 à 800 Kg/cm2 est appropriée. Le pressage est de préférence effectué de manière uniaxiale ou isostatique, par exemple au moyen d'une presse hydraulique. Il peut être avantageusement précédé d'une opération de damage manuel ou pneumatique et/ou de vibration.
A l'étape c), la préforme ainsi obtenue est démoulée. A l'étape d), le séchage peut être effectué à une température modérément élevée. De préférence, il est effectué à une température comprise entre 1 10 et 200°C. Il dure classiquement entre 10 heures et une semaine selon le format de la préforme, jusqu'à ce que l'humidité résiduelle de la préforme soit inférieure à 0,5 %.
L'invention porte également sur une préforme obtenue à l'étape c) ou à l'étape d).
A l'étape e), la préforme séchée est mise à cuire. La durée de la cuisson, comprise entre 3 et 15 jours environ de froid à froid, est variable en fonction de la composition mais aussi de la taille et de la forme de la préforme. Le cycle de cuisson est de préférence effectué de manière classique, sous air, à une température comprise entre 1300°C et 1600°C.
De préférence, le produit réfractaire fritté obtenu à l'issue de l'étape e) se présente sous la forme d'un bloc ayant une masse supérieure à 1 kg et/ou dont toutes les dimensions sont supérieures à 100 mm.
De manière surprenante, le produit réfractaire fritté obtenu à l'issue de l'étape e) s'est avéré particulièrement résistant aux contraintes rencontrées à l'intérieur des réacteurs de gazéifieur, notamment résistant à l'infiltration par les laitiers ou les cendres en fusion.
L'étape de cuisson e) peut être effectuée, totalement ou en partie, après assemblage de la préforme dans le réacteur.
Les blocs sont assemblés au moyen de joints de dilatation appropriés, suivant des techniques bien connues de l'homme de l'art.
La fabrication d'un produit selon l'invention n'est pas limitée au procédé décrit ci-dessus. En particulier, l'invention porte également sur un produit réfractaire selon l'invention sous la forme d'un revêtement d'un réacteur, notamment d'un gazéifieur. A cet effet, une charge, par exemple fabriquée suivant l'étape a) ci-dessus, peut être appliquée en couche sur la surface intérieure de la paroi du réacteur, par exemple par coulage, vibrocoulage ou projection, en fonction des besoins et avec une grande souplesse, puis frittée in situ pendant la préchauffe du réacteur, de manière à réaliser un revêtement en un produit réfractaire selon l'invention. Le frittage a de préférence lieu à pression atmosphérique, de préférence sous atmosphère oxydante et de préférence à une température comprise entre 1300 et 1600°C.
Afin de ne pas alourdir inutilement la présente description, toutes les combinaisons possibles selon l'invention entre les différents modes de réalisation ne sont pas reportées. Il est cependant bien entendu que toutes les combinaisons possibles des domaines et valeurs initiaux et/ou préférés précédemment décrits en ce qui concerne le produit, la matrice ou le granulat ou encore le procédé sont envisagées.
Exemples
Les exemples qui vont suivre permettent d'illustrer, de façon non exhaustive, l'invention. Pour ces exemples, les matières premières suivantes ont été utilisées :
poudre d'oxyde de chrome, d'une pureté de 98% de Cr203 en masse, et constituée d'au moins 90% en masse de particules ayant une taille supérieure à 20 microns mais inférieure à 5 mm (poudre G1 ),
poudre d'une solution solide Zr02-Hf02 comprenant 80% en masse d'oxyde d'hafnium et 20% en masse d'oxyde de zirconium, et constituée d'au moins 90% en masse de particules ayant une taille supérieure à 20 microns mais inférieure à 5 mm (poudre G2),
poudre de corindon et d'une solution solide Zr02-Hf02, comprenant 40% en masse d'oxyde d'hafnium, 10% en masse d'oxyde de zirconium et 50% en masse d'alumine, et constituée d'au moins 90% en masse de particules ayant une taille supérieure à 20 microns mais inférieure à 5 mm (poudre G3),
poudre de particules d'oxyde de zirconium obtenues par électrofusion et revêtues d'un mélange comprenant 80% en masse d'oxyde d'hafnium et 20% en masse d'oxyde de zirconium, ledit revêtement constituant environ 15% de la masse des particules et au moins 90% desdites particules ayant une taille supérieure à 0,5 mm mais inférieure à 5 mm (poudre G4),
poudre d'oxyde de chrome pigmentaire (>98% de Cr203) dont la taille médiane (D50) est inférieure à 2 microns (poudre P1 ),
poudre d'oxyde de zirconium (>98% en masse de Zr02) stabilisée avec 4% en masse de CaO, la taille des particules étant inférieure à 50 microns, la taille médiane étant d'environ 12 μηη, et lesdites particules comportant environ 70% d'oxyde de zirconium sous forme quadratique et/ou cubique (poudre P2), poudre d'alumine (>98% en masse d'AI203) dont la taille médiane (D50) est inférieure à 10 microns (poudre P3),
- poudre d'oxyde d'hafnium (>97% en masse de Hf02) dont la taille médiane (D50) est inférieure à 2 microns (poudre P4),
poudre d'oxyde de zirconium (>91 % en masse de Zr02) stabilisée avec environ 6% en masse de Y2O3, comportant environ 70% d'oxyde de zirconium sous forme quadratique et/ou cubique, en pourcentage massique sur la base de la zircone, la taille des particules étant inférieure à 50 microns (D90=34 μηη) avec une taille médiane d'environ 8 μηη (poudre P5a), ou étant inférieure à 15 microns (D90=8 μηη) avec une taille médiane d'environ 3 μηη (poudre P5b), ou étant inférieure à 5 microns avec une taille médiane d'environ 1 μηη (poudre P5c),
additifs : argile RR40 d'une teneur en alumine supérieure à 30%.
Les produits testés ont été fabriqués suivant les étapes a) à e) décrites ci- dessus.
A l'étape a), les matières premières telles qu'indiquées dans le tableau 1 ont été mélangées avec 1 ,3 à 2% d'argile RR40 et environ 3% d'eau ainsi que 0,3 à 0,7% de liants (stéarate de magnésie et Bretax C) ont été ajoutés au mélange particulaire, en pourcentage sur la base dudit mélange particulaire.
A l'étape b), on a effectué une compaction de la charge à l'intérieur du moule à une pression de 600 Kg/cm2 de manière à former une préforme.
A l'étape d), la cuisson a été effectuée sous air à une température comprise entre 1400 à 1600°C de manière à former un produit réfractaire fritté.
L'analyse chimique du produit final fritté a été mesurée par fluorescence des rayons X et reportée dans le tableau 1 .
Les mesures de masse volumique et de porosité ouverte ont été réalisées selon la norme ISO 5017 sur les produits avant toute corrosion.
L'évolution du module de rupture en flexion de produits ayant subi un choc thermique entre 800°C et 20°C a été évaluée selon la norme ISO 5014. La valeur de module de rupture en flexion résiduel après une épreuve de choc thermique est notée « MOR res » et la perte de MOR (« MOR res » par rapport au MOR initial mesuré à 20°C) est notée « Δ MOR » dans le tableau 1 . Le « MOR res » doit être le plus élevé possible. Un « Δ MOR » plus faible (d'au moins 20% en valeur absolue) indique une plus grande stabilité des propriétés du produit.
Les autres mesures ont été effectuées sur des produits soumis, après frittage, à une corrosion représentative des conditions de service subies par la face chaude des revêtements de gazéifieur. Cette corrosion a été obtenue de la manière suivante. Des éprouvettes de taille 25*25*180 mm3 du produit à tester, placées dans un creuset d'un four sont plongées dans un laitier en fusion, à une température de 1600°C pendant 4 heures sous argon. Les éprouvettes sont mises en rotation à une vitesse de 2 tours/min.
Le laitier utilisé présentant la composition massique suivante :
- Si02 : environ 30- 50%
- Al203 : environ 10 - 20 %
- Fe203 ou FeO : 15 - 25 %
- CaO : environ 10 -20 %
- Autres espèces telles que MgO : complément à 100%.
L'indice de basicité B de ce laitier, c'est-à-dire le rapport massique (CaO + MgO+Fe203) (Si02+Al203) était typiquement de l'ordre de 0,6. Le rapport massique CaO/Si02 était de l'ordre de 0,4.
L'indicateur de corrosion (le) est égal, pour une section donnée de la partie immergée de l'éprouvette, au rapport du pourcentage de perte de surface de l'éprouvette de l'exemple de référence sur le pourcentage de perte de surface de l'éprouvette de l'exemple considéré, multiplié par 100. le est donc de 100 pour le produit de référence et une valeur supérieure à 100 indique une meilleure résistance à la corrosion.
La profondeur de pénétration de CaO provenant du laitier est mesurée grâce à une microsonde réalisée sur coupe métallographique. L'indicateur de pénétration (Ip) est égal au rapport de la profondeur pénétrée de l'éprouvette de l'exemple de référence sur la profondeur pénétrée de l'éprouvette de l'exemple considéré, multiplié par 100. Ip est donc de 100 pour le produit de référence et une valeur supérieure à 100 indique une meilleure résistance à la pénétration du laitier.
Le tableau 1 ci-dessous résume les résultats obtenus. Tableau 1
Le produit n°1 est le produit de référence. Le tableau 1 permet de vérifier que la présence d'oxyde d'hafnium et une teneur élevée en Cr203 + Hf02 + Zr02 permettent d'améliorer la résistance aux chocs thermiques. Il montre également que la présence d'oxyde d'hafnium permet de conserver, voire d'améliorer la résistance à la corrosion (indice le). Comme cela apparaît clairement à présent, le produit réfractaire selon l'invention permet avantageusement d'améliorer la résistance aux chocs thermiques, en maintenant une bonne résistance à la corrosion par les laitiers rencontrés dans les réacteurs de gazéifieur.
On observe également que l'ajout d'oxyde de zirconium dopée par de l'oxyde d'yttrium peut avoir un effet favorable pour la résistance à la pénétration du laitier (Ip).
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits fournis à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs.
En particulier, l'application du produit réfractaire fritté selon l'invention n'est pas limitée à un gazéifieur.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Produit réfractaire fritté comportant, en pourcentages en masse sur la base des oxydes,
- plus de 10 % d'oxyde de chrome Cr203,
- plus de 2 % d'oxyde d'hafnium Hf02,
- plus de 1 % d'oxyde de zirconium Zr02,
la teneur totale en oxydes de chrome, d'hafnium et de zirconium Cr203 + Hf02 + Zr02 étant supérieure à 70 %.
2. Produit réfractaire selon la revendication 1 , dans lequel la teneur en oxyde d'hafnium Hf02 est supérieure à 3 %, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
3. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en oxyde d'hafnium Hf02 est inférieure à 10 %, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
4. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en oxyde de chrome Cr203 est supérieure à 30 %, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
5. Produit réfractaire selon la revendication 4, dans lequel la teneur en oxyde de chrome Cr203 est supérieure à 50 % en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
6. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en oxyde de zirconium Zr02 est supérieure à 10 %, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
7. Produit réfractaire selon la revendication précédente, dans lequel la teneur en oxyde de zirconium Zr02 est supérieure à 30 %, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
8. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins 20 % en masse dudit oxyde de zirconium Zr02 est stabilisé sous la forme cubique et/ou quadratique.
9. Produit réfractaire selon la revendication précédente, dans lequel au moins 60 % en masse de l'oxyde de zirconium est stabilisé sous la forme cubique et/ou quadratique.
10. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur totale en oxydes de chrome, d'hafnium et de zirconium Cr203 + Hf02 + Zr02 est supérieure à 85%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
1 1 . Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant plus de 0,5% d'un dopant, agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas, choisi parmi CaO, MgO, Y2O3, Ti02 et leurs mélanges, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
12. Produit réfractaire selon la revendication précédente, dans lequel la teneur en oxyde d'yttrium est supérieure à 0,5%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
13. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une teneur en oxyde d'aluminium Al203 supérieure à 1 % et inférieure à 10% et/ou une teneur en silice supérieure à 0,5 % et inférieure à 3%, en pourcentages en masse sur la base des oxydes.
14. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la structure présente un granulat constitué, pour plus de 90% de sa masse, d'oxyde de chrome, le granulat étant lié par une matrice constituée, pour plus de 90% de sa masse, d'oxyde de zirconium, d'oxyde d'hafnium et éventuellement d'un dopant choisi parmi CaO, MgO, Y203 et Ti02, le dopant agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas.
15. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dont la structure présente un granulat constitué, pour plus de 90% de sa masse, d'oxyde de zirconium, d'oxyde d'hafnium et d'oxyde de chrome, le granulat étant lié par une matrice constituée pour plus de 90% de sa masse, d'oxyde de zirconium et éventuellement d'oxyde d'hafnium et éventuellement d'un dopant choisi parmi CaO, MgO, Y203 et Ti02, le dopant agissant comme stabilisant de l'oxyde de zirconium ou pas.
16. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le seul oxyde de zirconium présent dans la matrice représente plus de 2,5% de la masse totale du produit.
17. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel plus de 50% de l'oxyde d'hafnium du produit est contenu dans la matrice, en pourcentage en masse.
18. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la teneur en oxyde d'yttrium est inférieure à 3%, en pourcentage en masse sur la base des oxydes.
19. Produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la somme des teneurs en oxyde de chrome Cr203, de zirconium Zr02, d'hafnium Hf02, d'aluminium Al203, de silicium Si02, de calcium CaO, de magnésium MgO, d'yttrium Y203 et de titane Ti02 est supérieure à 95%, en pourcentage en masse, les autres constituants du produit étant des impuretés.
20.Gazéifieur comportant un réacteur pourvu d'une paroi intérieure revêtue, au moins partiellement, par un revêtement réfractaire comportant un produit réfractaire selon l'une quelconque des revendications précédentes.
21 .Gazéifieur selon la revendication précédente, dans lequel ledit produit réfractaire se présente sous la forme d'une couche ou sous la forme d'un bloc.
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