Projet IMPALA

Objectifs scientifiques

IMPALA vise à créer une nouvelle gamme de radiants électriques corps noir (iERH) à même d’apporter une solution de rupture pour la décarbonation des fours industriels à haute température (HT). Les iERH devront avoir une durée de vie d’au moins 8 ans, condition essentielle pour être déployé à l’échelle industrielle. Afin de surpasser les capacités de chauffage des brûleurs à gaz naturel, utilisés aujourd’hui dans de nombreux processus à HT, les iERHs devront fonctionner à des températures pouvant atteindre 1600 °C dans des atmosphères gazeuses corrosives, représentatives de celles utilisées dans les futurs fours à chauffage hybride. Les iERH seront
conçus selon une approche « material-by-design » basée sur l’optimisation topologique (TO) couplée à des outils d’intelligence artificielle (IA) et tenant compte des contraintes de mise en forme et de vieillissement.

À cette fin, IMPALA modélisera le chauffage d’une charge tubulaire en alliage riche en nickel à 900 °C, qui sera placée dans un four électrique de laboratoire de 10 kW (10 kW LEF) contenant des parois en mullite. La modélisation thermique tiendra compte du transfert radiatif à l’aide de deux approches de calcul complémentaires (FEM stabilisé, algorithme de Monte Carlo couplé à une formulation en espace de chemin) ainsi que des propriétés thermiques radiatives des matériaux clés (iERH, parois, charge). L’influence des différentes atmosphères corrosives (CO₂, H2O, N2, NOx, O₂) sur les matériaux clés sera étudiée en détail afin de définir les lois de vieillissement permettant de suivre l’évolution de leurs propriétés thermiques et radiatives. Les expériences de vieillissement seront réalisées dans un four de combustion de laboratoire équipé de brûleurs à gaz (CH4, H2, CH4/H2) et dans des fours à moufle HT alimentés en gaz synthétique.

Les comportements thermochimiques et thermomécaniques des matériaux clés seront ensuite étudiés afin de garantir leur longévité dans des conditions de chauffage réelles. Le matériau de base de l’iERH sera une céramique en carbure de silicium (SiC), dont la qualité sera choisie en étroite collaboration avec Saint-Gobain PCR (Cavaillon, France).

Trois types de revêtements réfractaires susceptibles d’avoir un comportement émissif de corps noir jusqu’à 1600 °C seront considérés. La première couche Si-C-Al-N sera déposée par CVD (SIMAP) via un procédé mature pour le changement d’échelle. La deuxième couche à base de NiFe2O4 sera obtenue par pulvérisation d’une solution. La troisième couche sera une barrière environnementale (YB2SiO5) déposée par projection plasma (IRCER). Le défi pour IMPALA sera de s’assurer que le caractère corps noir des 3 revêtements reste stable jusqu’à 1600 °C, tout en garantissant leur longévité pour une durée d’utilisation industrielle.

Le consortium