Solution alternative de zircone réfractaire pour une technologie plus durable de fusion du verre – ASZTech

Le haut niveau de qualité requis par les nouvelles applications du verre (marché des écrans plats et afficheurs LCD, PDP…), conjugué à l’allongement de la durée de vie des fours de fusion de ces verres, exige le développement de nouveaux matériaux réfractaires électrofondus à très haute teneur en zircone (THTZ), nécessaires à leur production. Un des enjeux consiste à développer de nouvelles compositions de produits à comportement dilatométrique modifié. L'objectif final est d'augmenter la flexibilité de l'utilisation des fours en limitant les ouvertures de joints et les déformations résiduelles créées à chaque cycle d'arrêt et de redémarrage des fours. Ce développement de nouveaux produits repose actuellement sur de coûteuses méthodes empiriques de type essai-erreur, d'où l'intérêt de développer une modélisation numérique du comportement thermomécanique de ces matériaux, utilisable à la fois pour la fabrication des produits et pour la mise en service des fours (attrempage).

Le programme proposé, ASZTech, s’inscrit dans le prolongement du projet NOREV, soutenu par l’ANR. L'objectif de ce programme était de doter Saint-Gobain CREE d'outils numériques, basés sur des calculs par éléments finis. Ces outils sont actuellement opérationnels chez l’industriel et sont utilisés, en particulier, pour simuler la phase de refroidissement post-coulée, en vue d'en améliorer le rendement de fabrication. On peut ainsi simuler l'influence de modifications des conditions de refroidissement afin d’améliorer la capacité à réaliser des formes complexes et la qualité du produit final. Ces modèles permettent également de mieux définir, pour le verrier, des préconisations d’utilisation pour un meilleur comportement en service, en particulier lors de la première chauffe du four (attrempage). Ces points sont de première importance si Saint-Gobain veut rester leader sur le marché des réfractaires THTZ en forte croissance, et capitaux pour maintenir, voire augmenter, son activité sur le site du Pontet, génératrice de plusieurs centaines d’emplois.

Si les modèles développés dans le cadre du programme NOREV peuvent être considérés comme quasiment aboutis sur le plan thermique, souffrent encore de deux lacunes sur le plan mécanique : la prise en compte de la plasticité de transformation de la zircone (TRIP) et la validation du caractère prédictif du calcul des contraintes. Les études précédentes ont révélé l’importance capitale de la transformation de tétragonale à monoclinique de la zircone dans la réalisation de produits, que le modèle en l’état ne peut considérer. Etiquetée a priori comme néfaste à cause de l’augmentation de volume de 4% qu’elle provoque et des contraintes internes que cela génère dans le matériau, elle s’accompagne d’une plasticité de transformation qui peut avoir un effet bénéfique en contribuant à la relaxation des contraintes. Très peu d’études sont disponibles sur les effets mécaniques induits par la transformation martensitique de la zircone, car le problème a été contourné en stabilisant totalement ou partiellement la zircone, solution qui, malheureusement, fonctionne mal avec les réfractaires électrofondus.

Le programme proposé se donne quatre buts principaux :
1-Intégrer au modèle mécanique existant, à partir de résultats d'essais mécaniques dédiés, une description numérique réaliste de la transformation, intégrant gonflement et plasticité de transformation, pour différentes compositions.
2-Analyser les mécanismes microstructuraux de déformation associés à la transformation, dans le but de mieux les anticiper et, si possible, les maîtriser lors du développement de nouveaux produits.
3-Mesurer les contraintes internes sur éprouvettes ou sur pièces réelles, pour différentes conditions de refroidissement, avec différentes techniques.
4-Valider le modèle en comparant ses prévisions à des résultats d’essais de laboratoire, aux mesures de contraintes résiduelles et au comportement d’un bloc dans un four verrier.