Matériau réfractaire - Définition

Les matériaux réfractaires seraient-ils réfractaires à une définition ?

La définition américaine des « refractories », proche de la norme ASTM C71, décrit des matériaux concrets, résistants bien à la chaleur et pouvant être requis pour des applications de chauffe ou de service au-delà de 1 000°F soit 538 °C. Ils constituent une barrière, un bouclier, un mur de protection ou une enceinte thermique pour les fours, fourneaux, réacteurs, revêtant les parois au sein des chambres de combustion et de toutes sortes d’unités de procédé thermique.

La caractéristique fondamentale d’un bloc ou d’un assemblage est la possibilité de garder enclos ou de préserver l’expansion d’un milieu confine, formé de corps et de substances à hautes températures. Une modélisation locale le décrit plus efficacement sous la forme d’une paroi isolante vis à vis d’un second milieu, dit extérieur, dans le cas d’un four. Les matériaux réfractaires choisis doivent résister aux contraintes thermiques et aux phénomènes physiques induits par les échanges de chaleur et les variations de températures locales, comme ils doivent nécessairement conserver une tenue physique, une cohésion mécanique, ne pas être trop facilement altérés par la corrosion ou rongés par les agents chimiques des phases physiques susceptibles d’être à son contact.

Même si on y exclut a priori les métaux, la première définition ci-dessus englobe une gamme très étendue de matériaux réfractaires : ils sont très dissemblables par leurs usages, parfois restreints entre certaines plages de températures, soumis à des durées d’exposition variables, à des refroidissements ou des chauffes brutales dans des milieux physiques spécifiques. En conséquence, il ne faut pas ignorer tout une foule de spécialistes de divers matériaux réfractaires : chercheurs, ingénieurs, scientifiques, techniciens et personnel qualifié d’usine.

C’est donc constamment pour des usages spécifiques que les matériaux réfractaires sont fabriqués à partir d’ingrédients synthétiques ou naturels. Citons les produits minéraux : alumines, argiles réfractaires, mullites, bauxites, chromites, dolomie, magnésie, ainsi que carbure de silicium en absence d’oxygène et zircone résistants à très hautes températures,…

L’inventaire de production des matériaux réfractaires américains recense plus de 5000 noms génériques. Ils correspondent à une immense variété de types de fabrication industrielle, géométries, formes, assemblages, accessoires et ustensiles pour s’adapter à un grand nombre d’applications techniques. Les manuels anglo-saxons retiennent souvent deux catégories :

-les briques et formes encastrables élémentaires, moulées et cuites.

-les réfractaires techniques d’une pièce, parfois en gros blocs, et les spécialités qui incluent des revêtements protecteurs, sous forme de couches de matériaux céramiques ou plastiques, initialement dispersés à l’état solide ou fondu, badigeonnés, tassés ou damés, projetés sur un support adhérent.

Dans le premier cas, la référence porte sur la construction d’un four de céramiste en brique. Mais la variété des éléments formant l’assemblage est très vaste. Leur masse peut être lilliputienne ou supérieure à plusieurs tonnes, comme la fusion des blocs de coulée. La construction de la structure, aux parois plus ou moins étanches, sujettes à des expositions à hautes températures, peut être simple ou sophistiquée, quasi-gratuite ou terriblement coûteuse. Ainsi, la conception du bouclier de briques réfractaires de la navette spatiale a longtemps plombé les finances de la NASA, avant de faire sombrer par ses défaillances renouvelées le programme entier de la navette spatiale.

Dans l’industrie la plus commune, on retrouve la fabrication d’appareils et la construction d’installations, soumis à des sollicitations thermiques élevées : chaudières, fours, centrale de chauffe ou incinérateurs, mais aussi cornues et alambics, creusets, fours céramiques ou de cimenterie, poches de coulée en fonderie, évaporateurs, installations de purification des métaux non-ferreux… Et suivant les cas spécifiques énumérés, le matériaux réfractaires doivent, en plus d’encaisser les chocs thermiques et ses impacts physiques, affirmer diverses résistances :

- aux attaques chimiques. Il peut aussi se produire une altération par des réactions chimiques lentes, catalysées brusquement par des impuretés. La présence de sites acides ou basiques en surface ou accessibles par des conduits poreux transforme le matériau réfractaire en surface de catalyse, potentiellement réactive. L’inertie chimique idéale n’existe que dans la théorie livresque.

- aux projections, aux impacts mécaniques de grains ou de particules arrachés, ainsi qu’à l’érosion lente de liquides divers tels que les métaux et alliages fondus, les verres fluides, la fonte en fusion…

L’univers de la technique est par essence composite, regroupé par spécialités qui s’ignorent en partie si ce n’est par un canal technologique souvent imposé par les besoins d’instruction et d’éducation. Il reste alors à retenir la définition prudemment issue d’un univers. Prenons l’exemple céramique:
Un matériaux réfractaire résiste, sans se ramollir, à une exposition à la chaleur, dans un milieu à hautes températures, nécessaire aux travaux de métallurgie et de verrerie. Les réfractaires peuvent être argileux, siliceux, alumineux ou basiques, se présenter sous la forme de briques, de creusets, de pots, de cornues.

Si la seconde définition, simple et spécialisée, a le mérite de renvoyer à la définition des hautes températures tout en cernant un minimum d’applications, le monde scolastique propose actuellement une définition générale centrée sur un corps solide : il peut supporter des températures très élevés sans subir de transformations notables. Ces dernières transformations peuvent être caractérisées par des mesures : le point de fusion du solide supérieur à 1 580 °C, la déformation limité pour ne pas causer une déstructuration, en conséquence on insiste sur le très faible coefficient de dilatation thermique, l’altération suffisamment faible pour garantir une durée d’usage convenable, ce qui implique une résistance mécanique aux hautes températures et à des milieux corrosifs etc… L’uniformité qualitative du produit réfractaire est déterminée grâce à des mesures mécaniques, telles que la résistance à la compression, à des indices de porosité.

L’industrie aéronautique et la technologie des missiles et des fusées ont orienté, au-delà de la capacité de résistance aux sollicitations des hautes températures, la fabrication des matériaux réfractaires vers un accroissement de la dureté et de la légèreté, ainsi que de la résistance mécanique et de la durée des structures assemblés. On conçoit facilement que l’avancée des applications aient pu produire avions furtifs et autres drones technologiques.